Способ снижения вредного воздействия на человека излучения полноспектрального светодиодного светильника
METHOD FOR REDUCING THE HARMFUL EFFECTS ON HUMANS OF RADIATION FROM A FULL-SPECTRUM LED LAMP

Изобретение относится к электротехнике, а именно к источникам света на основе полупроводниковых светоизлучающих диодов (СИД).
Решаемая изобретением техническая задача заключается в следующем С точки зрения физики свет представляет собой один из видов электромагнитного излучения, испускаемого светящимися телами, а также возникающего в результате ряда химических реакций. Электромагнитное излучение имеет волновую природу - оно распространяется в пространстве в виде периодических колебаний (волн), совершаемых с определенной амплитудой и частотой. Человеческий глаз способен воспринимать электромагнитное излучение только узкого диапазона длин волн - от 380 до 760 нм, называемого видимым светом.
Синий свет - это самый коротковолновый диапазон видимого излучения с длиной волны 380-500 нм, который имеет наиболее высокую энергию. Название «синий свет», в сущности, является упрощенным, поскольку оно охватывает световые волны начиная от фиолетового диапазона (от 380 до 420 нм) и до собственно синего (от 420 до 500 нм). Так как световые волны синего диапазона имеют наименьшую длину, они, согласно законам рэлеевского светорассеяния, наиболее интенсивно рассеиваются, поэтому значительная часть раздражающего блеска солнечного излучения обусловлена синим светом. Именно рассеивающиеся на частицах размером меньше длины волны синие световые волны придают окраску небу и океану.
Этот вид светорассеяния влияет на контрастность изображения и качество зрения вдаль, затрудняя идентификацию рассматриваемых объектов. Синий свет также рассеивается в структурах глаза, ухудшая качество зрения и провоцируя возникновение симптомов зрительного утомления.
Синий свет является частью спектра солнечного излучения, поэтому избежать его воздействия невозможно. Однако наибольшую тревогу специалистов вызывает не этот естественный свет, а испускаемый искусственными источниками освещения - энергосберегающими компактными люминесцентными лампами (compact fluorescent lamp) и светодиодными светильниками. Сегодня по мере эволюции искусственных источников освещения произошел переход от привычных ламп накаливания к энергосберегающим люминесцентным лампам и светодиодным светильникам, спектр излучения которых имеет более выраженный максимум в диапазоне синего света по сравнению с традиционными лампами накаливания.
Светодиодные светильники сильнее излучают синий коротковолновый свет - до 40% больше по сравнению с естественным солнечным излучением. Можно сказать, что современное население земного шара подвергается облучению этим коротковолновым и высокоэнергетичным излучением так сильно и продолжительно, как никогда раньше.
На протяжении нескольких десятков лет ученые внимательно изучали влияние синего света на организм человека и установили, что его продолжительное воздействие сказывается на состоянии здоровья глаз и на циркадных ритмах, а также провоцирует целый ряд серьезных заболеваний.
Влияние на глаза. Во многих исследованиях было отмечено, что воздействие синего света приводит к образованию фотохимических повреждений сетчатки, в особенности ее пигментного эпителия и фоторецепторов, причем риск поражения экспоненциально возрастает с увеличением энергии фотонов. Согласно результатам исследований, при равных условиях эксперимента синий свет в 15 раз более опасен для сетчатки, чем весь оставшийся диапазон видимого спектра. Также было доказано, что изменение тканей после длительного воздействия яркого синего света аналогично такому, какое связывают с симптомами возрастной дегенерации макулы (ВДМ).
Синий свет вызывает фотохимическую реакцию, продуцирующую свободные радикалы, которые оказывают повреждающее воздействие на фоторецепторы - колбочки и палочки Образующиеся вследствие фотохимической реакции продукты метаболизма не могут быть нормально утилизированы эпителием сетчатки, они накапливаются и вызывают ее дегенерацию.
Международная организация по стандартизации (International Standards Organization - ISO) в стандарте ISO 13666 назвала диапазон длин волн синего света с центром при 440 нм диапазоном функционального риска для сетчатки. Именно эти длины волн синего света приводят к фоторетинопатии и ВДМ. Пока человек не достигает среднего возраста, синий свет не поглощается такими естественными физиологическими фильтрами, как слезная пленка, роговица, хрусталик и стекловидное тело глаза. Наивысшая проницаемость коротковолнового видимого синего света обнаруживается в молодом возрасте и медленно сдвигается в более длинноволновый видимый диапазон по мере увеличения срока жизни человека. Глаза 10-летнего ребенка способны поглощать в 10 раз больше синего света, чем глаза 95-летнего старика. Таким образом, в группу риска входят три категории населения: дети; люди с повышенной светочувствительностью, работающие в условиях с ярким освещением светодиодными светильниками и энергосберегающими люминесцентными лампами; пациенты с интраокулярными линзами (ИОЛ). Наибольший риск возникновения повреждений сетчатки в результате длительного воздействия синего света имеют дети, хрусталик которых не защищает от коротковолнового видимого излучения и которые проводят много времени за электронными цифровыми устройствами. Взрослые защищены лучше, так как хрусталик у них менее прозрачен и способен поглощать некоторое количество повреждающего синего света. Однако для пациентов с имплантированными ИОЛ риск повреждений больше, так как эти линзы не поглощают синий свет, хотя большинство из них поглощают ультрафиолетовое излучение.
Влияние на циркадные ритмы. Циркадные ритмы (от лат.circa - около, кругом и лат.dies - день) - это циклические колебания интенсивности различных биологических процессов, связанные со сменой дня и ночи, или так называемые внутренние часы организма.
В течение длительной эволюции человек, как все живое на Земле, приспособился к ежедневной смене темного и светлого времени суток. Одним из наиболее эффективных внешних сигналов, поддерживающих 24-часовой цикл жизнедеятельности человека, является свет. Наши зрительные рецепторы посылают сигнал, поступающий в шишковидную железу; он обусловливает синтез и выделение в кровоток нейрогормона мелатонина, вызывающего сон [URL: http://ru.wikipedia.org/ (дата обращения: 16.02.2014)]. Когда темнеет, выработка мелатонина увеличивается, и человеку хочется спать. Яркое освещение тормозит синтез мелатонина, желание заснуть исчезает. Сильнее всего выработка мелатонина подавляется излучением с длиной волны 450-480 нм, т.е. синим светом.
С точки зрения эволюции время использования человечеством электрического освещения пренебрежимо мало, и наш организм в сегодняшних условиях реагирует так же, как и у наших далеких предков. Это означает, что синий свет нам жизненно необходим для правильного функционирования организма, однако широкое внедрение и продолжительное использование источников искусственного освещения с высоким спектральным и мощностным содержанием синего света сбивает наши внутренние часы. По данным исследования, опубликованным в феврале 2013 года, достаточно 30-минутного нахождения в помещении, освещаемом люминесцентной или светодиодной лампой с холодным синим светом, чтобы нарушить продуцирование мелатонина у здоровых взрослых людей. В результате у них возрастает настороженность, ослабляется внимание, в то время как воздействие ламп с излучением желтого света оказывает малое влияние на синтез мелатонина. Многие исследования последних лет находили связь между работой в ночную смену при воздействии искусственного света и появлением или обострением у испытуемых сердечно-сосудистых заболеваний, сахарного диабета, ожирения, а также рака предстательной и молочной желез. Хотя еще не совсем понятны причины развития заболеваний, ученые связывают их возникновение с подавлением синим светом секреции мелатонина, который влияет на циркадные ритмы человека.
Американские исследователи из Гарварда изучали связь нарушения циркадных ритмов с диабетом и ожирением. Они провели эксперимент среди 10 участников, которым с помощью света постоянно смещали сроки их циркадного ритма. В результате было установлено, что уровень сахара в крови значительно возрос, вызвав преддиабетное состояние, а уровень гормона лептина, отвечающего за чувство сытости после еды, напротив, понизился, т.е. человек испытывал чувство голода даже тогда, когда организм биологически насытился.
Для оценки новизны заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленным устройством признаков.
Выпускаемые на сегодняшний день светодиодные светильники (светильники, где в качестве источника электромагнитного излучения служат светодиоды или светоизлучающие диоды) имеют выраженные недостатки по сравнению с естественным солнечным излучением:
- выраженный мощностной пик в диапазоне длин волн 400-470 нанометров (синий пик);
- второй пик в более широком диапазоне длин волн 500-650 нанометров и как результат провал в видимом спектре в диапазоне длин волн 470-500 нанометров.
Оба этих существенных недостатка присутствуют во всех светодиодных светильников вне зависимости от производителя светодиодов, температуры их свечения, мощности и негативно сказываются на здоровье человека.
Таким образом, на сегодняшний день все светодиодные светильники характеризуются пиками с преобладающим излучением в диапазоне длин волн 400-470 нанометров и 500-650 нанометров, имея спектрограмму в виде двух пиков. Теплота излучения диодного источника (измеряется в Кельвинах) зависит от мощности излучения в диапазоне 400-470 нанометров. При этом оба пика (в диапазоне длин волн 400-470 нанометров и 500-650 нанометров) всегда сохраняются в не зависимости от температуры свечения светодиодного светильника (2700-7000 градусов по шкале Кельвина).
То есть, вне зависимости от температуры свечения диодного светильника (холодный или теплый), его излучение обладает практически одинаковыми спектральными характеристиками (спектрограммами).
При этом во всех диодных светильниках наблюдается ярко выраженное падение в диапазоне длин волн 470-500 нанометров.
Из источников патентной информации известно светоизлучающее устройство по патенту РФ №2618749, выполненное с возможностью обеспечения полного спектра светового выхода, содержащее твердотельный источник света, выполненный с возможностью излучения первичного света, и преобразующий длину волны элемент, выполненный с возможностью принимать упомянутый первичный свет и содержащий множество преобразующих длину волны областей, содержащих преобразующий длину волны материал для преобразования первичного света во вторичный свет, причем каждая преобразующая длину волны область посредством этого обеспечивает поддиапазон полного спектра светового выхода, при этом по меньшей мере некоторые из упомянутых преобразующих длину волны областей расположены в виде массива и содержат квантовые точки, при этом разные преобразующие длину волны области содержат квантовые точки, имеющие разные диапазоны излучения вторичного света, обеспечивающие разные поддиапазоны полного спектра светового выхода, при этом поддиапазон, обеспечиваемый каждой преобразующей длину волны областью, перекрывается или является смежным с по меньшей мере одним другим поддиапазоном, обеспечиваемым другой преобразующей длину волны областью, и при этом упомянутые преобразующие длину волны области вместе обеспечивают вторичный свет, включающий в себя все длины волн диапазона от 400 нм до 800 нм.
Известен светодиодный источник белого света с биологически адекватным спектром излучения по патенту РФ №2693632, включающий не менее двух белых светодиодов, размещенных на теплопроводящей печатной плате с электрическими выводами для подключения светодиодов к источнику электропитания, и полупрозрачную крышку, расположенную над печатной платой, причем, каждый белый светодиод содержит в отражающем свет корпусе, по меньшей мере, один чип с синим излучением, залитый полимерной композицией с собственным фотолюминофором или смесью фотолюминофоров, отличающийся тем, что на теплопроводящей печатной плате дополнительно размещен, по меньшей мере, один светодиод с голубым излучением, покрытый композитной фотолюминесцентной пленкой, содержащей в прозрачной основе фотолюминофор.
Данное техническое решение, как наиболее близкое к заявленному по техническому существу и достигаемому результату, принято в качестве его прототипа
Данное решение позволяет несколько уменьшить вредное воздействие излучения светодиодного светильника на человеческий организм
Недостатками известного технического решения является сложность его реализации, связанная с необходимостью использования композитной фотолюминесцентной пленки, которая содержит фотолюминофор специального состава составом и покрывается защитным слоем.
Задачей заявляемого изобретения является создание полноспектрального светодиодного светильника со значительным снижения вредного воздействия на человека его излучения.
Сущность заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для решения указанной заявителем технической проблемы и получения обеспечиваемого изобретением технического результата.
Согласно изобретению способ снижения вредного воздействия на человека излучения полноспектрального светодиодного светильника, включающий изменение показателей относительной интенсивности в спектральной характеристике излучения светильника в сторону создания биологически адекватного спектра белого излучения, отличается тем, что в светодиодный светильник с базовым белым светодиодом или базовой светодиодной матрицей дополнительно устанавливают светодиод или светодиодную матрицу с частотными показателями их спектральных характеристик и показателями их интенсивности, которые при совместной их работе с базовым белым светодиодом или базовой светодиодной матрицей обеспечивают снижение пика интенсивности суммарного излучения светильника в диапазоне синего света и выравнивание интенсивности суммарного излучения светильника во всем диапазоне его спектральной характеристики.
Кроме того, заявленное техническое решение характеризуется наличием ряда дополнительных факультативных признаков, а именно:
- в светодиодный светильник с базовым белым светодиодом или светодиодной матрицей дополнительно устанавливают светодиод или светодиодную матрицу со спектральной характеристикой в частотном диапазоне 465-475 нанометров;
- в светодиодный светильник с базовым белым светодиодом или светодиодной матрицей дополнительно устанавливают светодиод или светодиодную матрицу со спектральной характеристикой в частотном диапазоне 490-510 нанометров.
Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата, который заключается в том, что за счет применения данной комбинированной технологии вырастает мощность излучения в диапазоне длин волн 470-500 нанометров (синий пик), поэтому при равных мощностных характеристиках светодиодного светильника одновременно снижается мощность излучения в диапазоне длин волн 490-510 нанометров. Таким образом, согласно спектрограмме достигается наиболее схожее излучение в видимой части спектра с естественным солнечным излучением и, тем самым, устраняются оба выраженных недостатков современных светодиодных светильников.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, на котором на фиг. 1-3 представлены спектрограммы стандартных светоизлучающих диодов, на фиг. 4-5 - спектрограммы бирюзового и синего светоизлучающих диодов, на фиг. 6 - итоговая спектрограмма светодиодного светильника, выполненного в соответствии с заявленным способом.
Заявленный нами способ реализуют следующим образом.
Снижение вредного воздействия на человека излучения полноспектрального светодиодного светильника осуществляют путем изменения показателей относительной интенсивности в спектральной характеристике излучения светильника в сторону создания биологически адекватного спектра белого излучения, близкого к вышеуказанным показателям естественного солнечного света. Эти изменения осуществляют за счет того, что в светодиодный светильник с базовым белым светодиодом или базовой светодиодной матрицей дополнительно устанавливают светодиод или светодиодную матрицу с частотными показателями их спектральных характеристик и показателями их интенсивности, которые при совместной их работе с базовым белым светодиодом или базовой светодиодной матрицей обеспечивают снижение пика интенсивности суммарного излучения светильника в диапазоне синего света и выравнивание интенсивности суммарного излучения светильника во всем диапазоне.
В светодиодный светильник с базовым белым светодиодом или светодиодной матрицей может быть дополнительно установлен светодиод или светодиодная матрица со спектральной характеристикой в частотном диапазоне 465-475 нанометров. В светодиодный светильник с базовым белым светодиодом или светодиодной матрицей может быть дополнительно установлен светодиод или светодиодную матрицу со спектральной характеристикой в частотном диапазоне 490-510 нанометров.
Возможность достижения поставленной перед изобретением задачи подтверждается следующими доводами.
Излучаемый светодиодом свет лежит в узком диапазоне спектра, т.е. светодиод изначально излучает практически монохроматический свет. В мире широко выпускаются белые светодиоды в комбинации светодиода с синим/фиолетовым свечением с нанесенным на него люминофором с желтым или оранжевым цветом люминесценции, возможно применение люминофоров другого цвета свечения. То есть, свечение характеризуется повышенной мощностью в синем спектре диапазона (440-460 нанометров) и спектре излучения люминофора (520-620 нанометров), а так же снижением мощности и значительным снижением мощности в диапазоне 460-520 нанометров.
Поэтому фактически основная мощность излучения приходится на узкий диапазон синего спектра и часть зеленого и красного диапазона, (далее про вред синего и т.п.)
Суть метода - объединение в одном светильнике стандартных белых светодиодов со светодиодами излучающими в спектре 490-510 нанометров с пиком 500 нанометров (бирюзовый) и светодиодами излучающими в спектре 464-475 нанометров с пиком 467 нанометров (синий).
При объединение диодов с разными характеристиками в одном светильнике происходит суммирование мощности излучения в каждой длине волны излучений белых светодиодов с излучением светодиодов излучающих в спектре 490-510 нанометров с пиком 500 нанометров (бирюзовый) и светодиодов излучающих в спектре 464-475 нанометров с пиком 467 нанометров (синий). За счет этого происходит перераспределение мощности и при одинаковой мощности светильника мощность узкоспектрального синего излучения уменьшится.
Заявленное устройство может быть реализовано с использованием известного оборудования, технических и технологических средств и предназначено для освещения офисных помещений, рабочих зон и зон отдыха, для применения в социальных учреждениях (школы, сады, прочее) и так далее.