Riassunto analitico
La normativa Europea ((EUP 2005/32/5) e successivamente quella Statunitense (EISA 2007) hanno bandito la produzione delle lampade ad incandescenza, seguita da una naturale introduzione sul mercato di quelle alogene, fluorescenti e in fine dalle sorgenti ottiche allo stato solido. Con l’avvento dei LED, in particolare i LED di potenza GaN, l’introduzione delle sorgenti ottiche allo stato solido nel mercato divenne sempre più forte. Il Dipartimento dell’energia ha predetto che i LED raggiungeranno nel 2026 il 64% del mercato dell’illuminazione, le previsioni del IMS Research dimostrano che dal 2009 per gli anni successivi le applicazioni che utilizzano i LED GaN cresceranno significativamente nell’illuminazione. Tuttavia, gli effetti complessivi dell’illuminazione a LED per la salute e la sicurezza visiva sono raramente menzionati o discussi al di fuori dei circoli accademici. Tra i molti parametri della luce che possono influenzare la visione sicura e confortevole, uno dei più interessanti è la fluttuazione periodica dell’ intensità luminosa (sfarfallio o flicker). È noto dalla letteratura come, riducendo il tremolio della luce, la qualità dell'illuminazione da un punto di vista visivo umano può essere incrementata. La norma EN 61000-4-15 che è stata adottata dalla IEEE come IEEE std 1453, dà specifiche funzionali e di design sul Flickermetro attuale e sull'analisi della tensione che alimenta una sorgente luminosa specificata. Tale strumento è basato su una sorgente di luce a incandescenza obsoleta al giorno d'oggi; con l'introduzione di sorgenti allo stato solido per l'illuminazione è obbligatoria una nuova regolamentazione. La risposta del sistema visivo umano alle nuove sorgenti ottiche può essere valutata mediante lo studio della riflesso pupillare dovuto allo stimolo luminoso, questo parametro potrebbe quantificare l' effetto di "disturbo" o fatica indotta dal sfarfallio. Un'analisi accurata delle dinamiche del diametro pupillare, potrebbe fornire informazioni quantitative adatte per lo sviluppo di una normativa attuale. Inoltre, attraverso il medesimo studio, può essere valutata l'influenza dello spettro emesso da queste sorgenti su particolari fotorecettori in relazione con i ritmi circadiani umani. Questo lavoro propone uno studio approfondito delle sorgenti ottiche allo stato solido ad alta luminosità e l'influenza della luce emessa da queste sorgenti sull'essere umano. Sono quindi riportati la fisica del GaN LED, i benefici, i principali problemi di efficienza e le soluzioni. In gran parte è trattata l'interazione tra la luce emessa e l'occhio umano. Un nuovo modello Simulink è stato sviluppato ed è in grado di simulare la dinamica del riflesso pupillare dovuto a uno stimolo luminoso policromatico con l'aiuto di un approccio sperimentale innovativo. Per convalidare il modello e confermarne la buona funzionalità, dopo aver scelto i parametri di configurazione appropriati per garantire la stabilità computazionale e soluzioni affidabili, l'uscita viene confrontata con i risultati ottenuti da un protocollo sperimentale applicato a volontari. E' presentata una versione migliorata del Flickermetro, che grazie ad un microcontrollore, permette di gestire tutte le caratteristiche dello stimolo flicker, per esempio l'ampiezza, il valor medio, la modulazione di frequenza e il colore, contemporaneamente lo strumento registra i movimenti della pupilla. Per confermare la corretta funzionalità del nuovo Flickermetro sviluppato sono state eseguite due diverse campagne di test preliminare sui volontari. La prima focalizzata sull'effetto della luce blu su particolari fotorecettori, la seconda con lo scopo di quantificare il "disturbo" indotta da stimolo flicker.
|
Abstract
The European normative (EUP 2005/32/5) and later in the US (EISA 2007) banned the production of the incandescent bulb lamps, followed by a natural introduction of halogen, fluorescent than finally solid state optical sources on the market. With the advent of the LED, in particular the GaN power LED, the introduction of this solid state sources in the marked became more and more strong. The Department Of Energy predict that LED’s reach in 2024 the 60% of the lighting market, the IMS Research roadmap show that from 2009 to next years the GaN LEDs applications will grow significantly in lighting application. However, the overall effects of LED lighting on health and safe vision are rarely mentioned or discussed outside of academic circles. Among the many light parameters that can affect the safe and comfortable vision, one of the most interesting is the periodic light intensity fluctuation (flicker). It is well known from the literature as, reducing the light flicker, the quality of lighting from a human visual perspective can be increase. The Standards EN 61000-4-15 which has been adopted by the IEEE as IEEE std 1453, gives functional and design specifications about the actual Flickermeter based on the analysis of the voltage supplying a specified light source. Such incandescent light source based instrument is obsolete nowadays; with the introduction of solid-state sources for illumination a new regulation and standardization is mandatory. The human visual system response to the new solid state optical sources can be evaluated through the study of the pupillary light reflex, this parameter could quantify the effect of “annoyance” or fatigue induced by the flicker. An accurate analysis of the dynamics of the pupillary diameter, could provide quantitative information suitable for the development of a modern legislation. Moreover, through the study of the papillary light reflex, the influence of the spectrum emitted from these sources on particular photoreceptors in relation with the human circadian rhythms can be investigated. This work propose a deep study of high brightness solid state optical sources and the influence of the light emitted by this sources on the human being. The study of GaN LED physics, the benefits, the main efficiency problems and solutions are reported. The interaction between the light emitted and the human eye is largely treated. A new Simulink model has been developed which is capable to simulate the polychromatic pupillary light reflex dynamics with the help of an innovative experimental approach. To validate the model and confirm the good functionality, after choosing the proper configuration parameters in order to ensure computational stability and reliable solutions, the output is compared with the results obtained from an experimental protocol applied to volunteers. An improved version of the Flickermeter is presented, thanks to a microcontroller, the new system allows controlling all the characteristics of the flicker stimulus, i.e. amplitude, mean value, modulation, frequency and color than at the same time to record the movements of the pupil. To confirm the correct functionality of the new Flickermeter developed, two different campaigns of preliminary test on volunteers were performed on different subjects. The first focused on the effect of the blue light on particular photoreceptors, the second with the aim to quantify the “annoyance” induced by flicker stimulus.
|