Як імітувати сонячне світло у темних приміщеннях

Люди, які працюють у сучасних умовах, відчувають дефіцит сонячного світла і отримують надлишок штучного освітлення. Але технології не стоять дома. Сьогодні з'являються незвичайні світильники, які допомагають вирішити проблему. А деякі ентузіасти успішно моделюють природне сонячне світло у домашніх умовах. Про ці незвичайні системи освітлення і йтиметься.

Світильники із змінною колірною температурою (біодинамічні).

У 2017 році було відкрито молекулярні механізми, що управляють циркадними ритмами. Виявляється, колірна температура джерел світла впливає біоритми людини.

У шкільному курсі біології вивчаються колбочки та палички — світлочутливі клітини ока. Вони містяться зорові пігменти родопсин і йодопсин, реєструють надходить світло. Нервові імпульси передаються в мозок, і людина розрізняє кольори, форму та рух об'єктів. Однак є ще один дуже важливий фотопігмент – меланопсин. Він відповідає за регулювання циркадних ритмів, зокрема за режим сну та неспання.

Меланопсин реагує на вуличне освітлення, посилаючи в мозок інформацію про те, який час на подвір'ї. Але традиційне штучне освітлення з постійною колірною температурою мало впливає на меланопсин, і циркадні сигнали в мозок не надходять. Через це порушується сон, знижується концентрація уваги, підвищується стомлюваність.

Відповіддю ці проблеми стала концепція антропоцентричного освітлення (Human Centric Lighting, HCL). Виникла ідея створення світлових приладів, у яких колірна температура та інтенсивність світла змінюються протягом дня, заповнюючи нестачу природного освітлення.

Світлодіоди ідеально підходять для реалізації цієї ідеї. У них широкий діапазон колірних температур та спектрів. Можна одержувати складні спектри, комбінуючи світлодіоди кількох типів. А змінюючи струм, легко регулювати світловий потік.

У Росії в 2021 навіть стартував масштабний проект - «Світло Арктики». Тюменський медичний університет розпочав розробку системи біодинамічного освітлення, що імітує природне світло. «Розумне освітлення» має прийти, перш за все, до будинків та офісів мешканців Крайньої Півночі.

Але вчені на цьому не зупиняються. І намагаються зробити світильники, які створюють ілюзію справжнього синього неба. Це непросте завдання. За мільйони років еволюції мозок навчився чітко відрізняти сяйво сонця від світла багаття, тобто лампочки.

Світильники, що моделюють небо.

На допомогу приходить фізика. Як відомо, сонячне світло складається з усіх кольорів веселки. В атмосфері промені сонця потрапляють на молекули повітря, а також дрібні краплі води, крижинки та порошинки розміром набагато менше мікрона. Ці неоднорідності середовища змінюють напрямок поширення світлових хвиль, і світло розсіюється у всіх напрямках. Таке явище називається розсіюванням Релея.

Найсильніше розсіюється синя частина спектра. Тому небо здається блакитним, хоч би в який бік ми дивилися. Це блакитне розсіяне світло виходить завдяки атмосфері. Якщо глянути на небо з Місяця, то через відсутність атмосфери воно здаватиметься чорним — таким самим, як на Землі вночі.

Постає питання, чому небо блакитне, а не фіолетове? Справа в тому, що інтенсивність фіолетового випромінювання в сонячному діапазоні нижче. Крім того, наш зір у кілька сотень разів менш сприйнятливий до фіолетового світла порівняно з блакитним.

Крім релеївського розсіювання, потрібно враховувати і ще дещо. У сонця промені паралельні, а в лампи – ні. Якщо наблизити руку до лампи, тінь від руки побільшає. А при сонячному висвітленні розмір тіні залишається незмінним.

Таким чином, щоб створити ілюзію сонячного освітлення, потрібне джерело, що випромінює паралельні промені світла, і матеріал із властивістю релеївського розсіювання.

Здається, найкраще імітувати природне сонячне світло виходить італійська компанія CoeLux Srl. Її системи освітлення точно відтворюють не тільки блакитне небо, а й яскраве сонце. Причому небо та сонце сприймаються як об'єкти на нескінченно далекій відстані. У патентах (а їх у компанії понад 150) пояснюються тонкощі реалізації цієї технології. Система дуже складна, а вартість світильника можна порівняти з вартістю преміального автомобіля.

Система освітлення CoeLux Srl включає три основні компоненти.

— Яскравий світлодіодний прожектор із спектральними характеристиками сонячного світла.

— Складна оптична система, яка спрямовує світлові промені так, що спостерігачеві здається, що небо та сонце знаходяться нескінченно високо.

— Наноматеріал, який відповідає за релеївське розсіювання світла.

Ще одне цікаве рішення пропонує китайська компанія Ewinlight. У Росії її продукція відома під назвою Ledwindow.

Ці світильники створюють ілюзію глибини — здається, що освітлення йде від далекого блакитного неба. По поверхні світильника рухаються хмари, спектр регулюється, керування здійснюється, зокрема, зі смартфона. Світильники Ledwindow набагато менші за габаритами, ніж вироби CoeLux, і значно дешевші.

Аналогічні рішення є у Mitsubishi Electric.Світильники Misola мають небесний відтінок, а з чотирьох граней світильника підсвічуються лише три, що створює враження природного освітлення. Кут падіння та спектр світла змінюються відповідно до руху сонця по небосхилу.

Коли за справу беруться гіки.

Ідея природного освітлення настільки приваблива, що деякі ентузіасти проводять експерименти в домашніх умовах.

Блогер Метт Перкс з YouTube-каналу DIY Perks отримав популярність за незвичайні вироби та винаходи. Він створив світильник на основі відбивача супутникової антени. Обклеїв його дзеркальною плівкою, а у фокус параболічного дзеркала помістив потужний 500-ватний світлодіод. Вийшов прожектор, що випускає паралельні промені світла.

Потім він виготовив щось на кшталт склопакета, а простір між склом заповнив мильним розчином. У такому розчині утворюються міцели - частинки з молекул мила, що створюють ефект релеєвського розсіювання. За цим імпровізованим вікном розмістився прожектор.

Результат вийшов приголомшливий. Потрібно бачити захоплення на його обличчі, коли він демонструє свій витвір!

У сучасному світі технології дедалі більше проникають у життя людини. Інновації стають основою нових інновацій. Світлодіодні світильники перестають бути простими утилітарними пристроями. Вони перетворюються на якісно нові, розумні джерела світла. Коли «біодинамічне освітлення» стане нормою життя, покаже час.

Лампи, що імітують сонячне світло

За багато століть еволюції людство пристосувалося до сонячного світла – він вважається природним. Але світловий день обмежений, тому без штучного висвітлення у багатьох випадках не обійтися.Однак у рукотворних світловипромінювачів розподіл енергії по довжинах хвиль не збігається із сонячним спектром.

Що таке лампи сонячного світла та чим корисні

Природне світло корисне для людського організму. Він найбільш безпечний для зору (очі найменше втомлюються) та фізіології (поліпшується самопочуття та працездатність) людини.

Крім того, існує сфера медицини – світлотерапія. Захворювання лікують, впливаючи на організм людини джерелом світла, із спектром, близьким до природного. У такий спосіб лікують шкірні захворювання або неврологічні розлади, а також впливають на проблемні ділянки шкіри у косметології. Лампа для проведення світлотерапії повинна випромінювати світло, близьке за спектром до сонячного.

Сонячне світло потрібне для рослин. Якщо світла недостатньо, уповільнюється фотосинтез, рослини погано розвиваються і можуть загинути.

Не менш важливим є спектр випромінювання для художників і дизайнерів. Чим ближче якість освітлення до природного, тим вірніше перенесення кольорів, тим ближче кольори картин, фото і т.п. до справжніх.

Види «сонячної» світлотехніки

Спектр сонячного випромінювання у видимій ділянці є досить рівномірним. Кольори від синього до червоного випромінюються приблизно з однаковою інтенсивністю, маючи неявний максимум у районі жовто-зеленої ділянки.

Спектр природного освітлення

Як джерела для штучного світла тривалий час застосовувалися лампи розжарювання. Їхній спектр досить близький до сонячного, але має «завал» у синьо-фіолетовому ділянці, і виражений максимум у червоному.

Спектр лампи розжарювання

Люмінесцентні лампи мають різко нерівномірний спектр із кількома викидами, та його спектр випромінювання далекий від сонячного.З появою світлодіодного освітлення з'явилася можливість випускати світловипромінювачі зі зсувом випромінювання в червоний чи синій бік (це зсув характеризується параметром «колірна температура»). Це дозволило вибирати переважну довжину хвиль у світловому випромінюванні.

Але такий підхід лише частково допомагає отримати необхідні властивості світла – різні лампи використовуються для різних завдань. Щоб отримати справжнє «домашнє сонце» із розподілом кольорів, максимально наближеним до природних, розробникам довелося докласти чимало зусиль. І вони справдилися.

Світлодіоди SunLike

Як світловипромінювач в освітлювальних приладах, що виконують роль штучного сонця, широко використовують світлодіоди SunLike (один з варіантів перекладу назви - «сонцеподібний»). Ці світловипромінюючі елементи побудовані за традиційним принципом. Кристал (напівпровідниковий перехід) випромінює фіолетове (із заходом в УФ-ділянку) світло, яке збуджує свічення люмінофора. Особливість LED SunLike у властивостях цього люмінофора.

Порівняння спектра випромінювання LED SunLike (ліворуч), звичайного світлодіода (праворуч) та спектра сонячного випромінювання (штрихова лінія)

Звичайний LED має значно нерівномірний спектр. Особливо виділяється пік на межі синього та ультрафіолетового ділянок, викликаний випромінюванням ініціюючого кристала, а також провал в області переходу від синього до блакитного та різкий спад у жовтій області та переходу до червоної. Очевидна відмінність спектра випромінювання від природного.

У LED з різною колірною температурою спектр дещо відрізняється співвідношенням інтенсивності синього та червоного ділянок, але принципово розподіл енергії за частотою відповідає графіку, наведеному на малюнку.

У світлодіода SunLike синій пік значно згладжений, а у жовто-червоній ділянці спектр випромінювання більш рівномірний. Спад у червоній області при переході до ІЧ теж не такий різкий, як у звичайного світлодіода. У результаті вийшов діапазон, досить близький до сонячного світла, але без заходу в «жорстке» УФ-випромінювання (UVC, UFB) – засмагати під таким світлом не вийде, але і можливість опіків шкіри дуже низька. Так як світло близьке до природного, то і індекс кольору CRI (або Ra) дуже високий. За заявою виробника він дорівнює 97, що рекордно близько до максимально можливого CRI = 100.

Лампочки Remez

Приклад розробки лампи, що вдало імітує сонячне світло - світильники бренду Remez. Декларується, що це перші у світі лампи, що випромінюють спектр, близький до сонячного. На вигляд ця лампочка не відрізняється від звичайної світлодіодної, випускається з грушоподібною матовою колбою та з різними цоколями під поширені патрони. Основні параметри, заявлені виробником для найбільш широко застосовуваних світловипромінювачів, такі:

• цоколь - E27, E14;
• електрична потужність – 5..9 ват (аналог ламп розжарювання потужністю 30..60 ват);
• світловий потік – 300.585 лм;
• CRI – не менше 97;
• колірна температура – ​​3000 К та 5700 К;
• коефіцієнт пульсацій – трохи більше 1%.

Коштують такі лампи трохи більше, ніж світлодіодні випромінювачі, що стали вже звичайними.

Світлова потужність ламп Remez дещо нижча, ніж у поширених LED-лампочок. Такою є плата за рівномірність спектра.

Світильники

Лампи сонячного спектру можна встановити в різні світильники, що відрізняються за сферою застосування. Найпоширеніший спосіб - поставити світловипромінювачі в побутові освітлювальні пристрої (люстри, бра).

Для офісних приміщень, спортзалів, магазинів тощо.підійдуть світильники інших моделей. Їх зручно вбудовувати у підвісні стелі.

Для світлотерапії потрібні світильники іншого типу. Вони мають бути легкими та компактними.

Лампа для домашньої світлотерапії

Для вирощування рослин потрібні світильники іншої конструкції тощо. Глобально ж технічних обмежень використання світлодіодів SunLike і ламп Remez (та інших випромінювачів природного світла) немає.

Точніше, обмеження не виходять за межі експлуатаційних меж для звичайних світлодіодів та LED-ламп. Тому сфера застосування обмежується лише фантазією розробника.

Огляд ламп сонячного світла

На ринку світлотехнічного обладнання пропонується достатня кількість ламп для отримання світла близького до природного. Вони мають конструктивні особливості, що визначають оптимальну сферу застосування.

Alaska Northern Lights

Ця лампа відноситься до пристроїв для світлотерапії цінової категорії Преміум. Може використовуватися як у горизонтальному, так і вертикальному положенні.

Sunwell Hexagon

Для створення штучного сонця до приміщень для СПА підійде світильник Hexagon шведського бренду Sunwell. Освітлювальний пристрій призначений для освітлення приміщень площею від 20 кв.м із високою стелею (не менше 3 м). За таких умов створюється освітленість 15000–30000 люкс. Управління повністю автоматичне, користувач доступний для вибору 3 програми.

Nikken Kenkolight

Світильник Nikken Kenkolight – настільна лампа природного світла. Підійде для висвітлення навчального місця школяра, збереже його зір від утоми. Може використовуватися і як настінний світильник для невеликого приміщення.

Настільний світильник KenkoLight від Nikken

Еквівалентна потужність – 40 Вт, електрична потужність – 12 Вт.У комплекті – адаптер для підключення до побутової мережі, але може живитись та заряджати акумулятори від стандартного USB-порту.

На сьогоднішній день лампи природного світла ще не досягли оптимальних характеристик, що дозволяють витіснити звичайні світлодіодні випромінювачі з ринку світлотехнічного обладнання. Але і технології їх виробництва ще не досягли стелі.