Искусственные источники света

Сегодня мы поговорим об искусственных источниках освещения. Их придумали люди, для того чтобы освещать пространства, где солнца нет либо когда оно ушло. Для того чтобы понять, какие характеристики важны для искусственных источников освещения, необходимо рассмотреть спектр Солнца. Солнце представляет собой сильно раскаленное тело, которое испускает сплошной спектр в широком спектральном диапазоне. При этом в основном его энергия идет на тепло, нагрев. Только часть спектрального диапазона, которую видит наш глаз, используется для освещения. Этот диапазон ограничен определенной длиной волны от голубого, фиолетового до красного, получается от 400 до 700 нанометров. Именно этот спектральный диапазон интересует людей, когда говорят об источниках искусственного освещения. Этот показатель связан с кривой чувствительности глаза, у которой максимум находится в зеленом диапазоне, а края - от 400 до 700 нанометров.

Вспомним строение глаза: в нем есть колбочки и палочки. Колбочки трех видов и ответственны за определение того или иного цвета. Их максимум находится в голубом, зеленом и красном диапазонах. Если на них попадает голубой, зеленый, красный свет даже с узкой длиной волны, но одинаковой интенсивности, этот свет воспринимается нами как белый. Поэтому человека легко обмануть: достаточно взять три узких спектра голубого, зеленого и красного диапазона, и глаз будет воспринимать это как белый. Это широко используется в дисплеях, когда у нас именно из этих трех цветов создается вся палитра и в итоге белое изображение. Но для источников освещения это не всегда хорошо. Когда-то считалось, что действительно можно так обманывать глаз и использовать три цвета для создания белого света. Но сейчас есть понимание, что это не очень хорошо.

Изначально люди использовали очень простые источники света. Началось все с костра, лучинки, свечи: в них светится раскаленный углерод, который испускает свет в достаточно широком диапазоне. Но такие источники освещения были неудобными. Они выделяли больше тепла, чем света. На смену им пришли газовые фонари, керосиновые лампы, где тоже использовался процесс горения. Позже были изобретены дуговые лампы - это лампы, в которых при пропускании электрического тока происходит разряд. Такие лампы нашли свое широкое применение в XX веке, и до сих пор какие-то из них используются в качестве очень мощных источников света. В качестве материалов, которые в них используются, изначально был углерод, позже его заменили на тугоплавкие металлы. Была изобретена лампа накаливания, которая до сих пор используется. У нее спектр света очень широкий в видимом диапазоне и с большим вкладом инфракрасного диапазона, то есть она сильно греется. Из-за этого большая часть энергии переходит в тепло и эффективность такой лампы невысока.

В качестве более эффективных ламп сейчас широко применяются лампы люминесцентные. Они также относятся к газоразрядным. У них между электродами в разреженной атмосфере возникает ток, и газы светятся. Наиболее популярные из них - это ртутные лампы. В их состав входят пары ртути, которые испускают свет в основном в ультрафиолете, 254 нанометра, но есть еще более длинноволновые полосы. В начале XX века стали использовать неорганические люминофоры, которые окружают газоразрядную лампу и преобразуют ультрафиолетовый свет в спектр видимого диапазона. В целом наш глаз это воспринимает как спектр видимого диапазона. Люминесцентные лампы, которые представляют собой газоразрядные лампы с парами ртути, широко распространены во всех учреждениях еще с середины XX века. Реально спектр таких ламп не близок к солнечному.

Для определения того, насколько спектр того или иного источника излучения близок к солнечному, используют параметр индекса цветопередачи (colour rendering index, CRI). Он показывает, насколько интегрально спектр вашего источника перекрывается спектром Солнца. Чем больше он перекрывается, тем ближе он к 100%. Если снять спектр дневного света, то его индекс цветопередачи будет больше 95%, примерно 97-98%. Индекс цветопередачи обычных люминесцентных ламп порядка 70%. Это определяется подбором тех люминофоров, которые преобразуют ультрафиолетовый спектр свечения ртути. Есть более дорогие лампы с большим индексом цветопередачи, в них используется больше люминофоров. Люминофоры в данном случае - это неорганические люминофоры.

Сейчас все больше говорят о том, что нужно использовать более энергоэффективные лампы, поэтому на смену люминесцентным лампам пришли лампы светодиодные - light-emitting diode (LED). Это полупроводниковые приборы, основанные на прямозонных полупроводниках. Как правило, используются полупроводники либо A3B5, либо A2B4, такие как арсенид галлия, фосфид индия или селенид цинка. С точки зрения экологии это не самые приятные элементы, но преимуществом таких светодиодных ламп является то, что они очень энергоэффективны благодаря тому, что у них почти вся энергия идет на то, что высвечиваются фотоны видимого диапазона. То есть они существенно меньше греются, чем обычные лампы накаливания. Основаны такие лампы на том, что берется синий светодиод и на него помещаются люминофоры, которые используются для ртутных ламп. Они преобразуют свет из синего в желтый. Когда мы меняем соотношение между синим и желтым, мы можем получать лампы с теплым свечением, где больше желтого, либо с холодным, где больше синего. Таким образом можно подбирать достаточно высокий индекс цветопередачи. Но все равно он не является идеальным, хотя все зависит от выбора люминофора. Если подобрать специальный люминофор, то можно получить спектр, близкий к солнечному.

Сейчас на смену неорганическим светодиодам приходят органические светодиоды. В отличие от неорганических полупроводников, они используют органические полупроводники. Их преимущество в том, что у них спектр света более широкий. За счет этого проще получить спектр, близкий к солнечному. Основное отличие органических светодиодов от неорганических и других источников освещения, которые использовались до этого, заключается в том, что это не точечный источник, а распределенный, то есть светится вся плоскость. Обычно у нас светится какая-то точка или очень ограниченное пространство, а потом мы используем рассеиватель, который дает более приятный свет. В органических светодиодах этого нет: светится вся плоскость, потому что там можно получать переход полупроводника прямо на всей плоскости вашего осветительного прибора.

Органические светодиоды - это, пожалуй, наиболее сложный из источников искусственного освещения, изобретенных к сегодняшнему дню. Они состоят из многих слоев, полупроводниковых и проводниковых, которые обеспечивают активную инжекцию заряда, эффективную люминесценцию, распространение света. В них используется прозрачный электрод, иначе вся поверхность не будет светиться. Одна из поверхностей диода должна быть прозрачной, тогда весь свет выходит на поверхность. К их преимуществу можно отнести то, что они могут быть сделаны любой формы, могут быть гибкие. Недостатки органических светодиодов заключаются в том, что они очень чувствительны к кислороду и влаге воздуха, то есть их нужно защищать. На самом деле этого недостатка не лишены и другие источники освещения. Та же лампа накаливания окружена колбой, в которой находится инертный газ. Лучшим инкапсулятором является стекло. Если запаять в стекле светодиод, эта система будет работать.

Этими технологиями сейчас активно везде занимаются. Первые продукты уже появляются. Эта технология используется в современных дисплеях и, надеюсь, скоро будет доступна для всех, когда решатся определенные проблемы, связанные со стабильностью и со стоимостью веществ, которые используются для разработки. Из таких органических светодиодов могут быть сделаны потолки, стены, большие, крупные панели, которые будут светиться светом, близким к солнечному.