N´asleduj´ıc´ı jevy souvisej´ı s tzv. pulznˇe ˇs´ıˇrkovou modulac´ı (PWM). Ta se vyuˇz´ıv´a pro stm´ıv´an´ı LED, kdy doch´az´ı k ´umysln´e pulzaci proch´azej´ıc´ıho proudu. Stˇr´ıdaj´ı se tak ´useky, kdy LED sv´ıt´ı a kdy ne. Ty jsou ale velmi mal´e, obvykle do 10 ms a vyuˇz´ıv´a se tak setrvaˇcnost lidsk´eho oka, kter´e nen´ı schopno tyto rychl´e zmˇeny za-registrovat. T´ımto zp˚usobem lze stm´ıvat LED nap´ajen´e jak napˇet’ov´ym, tak i prou-dov´ym zdrojem. [2] D´ale se m˚uˇzeme setkat s pojmem stˇr´ıda (ˇci v angliˇctinˇe
”duty ratio“), coˇz je pomˇer ˇcasu, ve kter´em je svˇetlo zapnuto a celkov´e periody svˇeteln´eho toku, ud´av´a se v procentech.
Zrakov´y syst´em ˇclovˇeka m´a charakteristickou kˇrivku ˇcasov´e odezvy na svˇetlo.
Broca a Sulzer ve sv´ych v´yzkumech zjistili, ˇze pokud na lidsk´e oko p˚usob´ı kr´atk´y z´ablesk svˇetla o urˇcit´em jasu, jev´ı se nˇekolikr´at intenzivnˇejˇs´ım, neˇz jak´y ve skuteˇcnosti je. Kr´atk´e pulsy svˇetla se tedy lidsk´emu oku jev´ı jasnˇejˇs´ı neˇz delˇs´ı pulsy svˇetla. Tento efekt byl podle sv´ych objevitel˚u nazv´an jako Broca-Sulzer efekt a byl jimi objeven jiˇz v roce 1902. [30]
Talbot-Plateau˚uv z´akon ˇr´ık´a, ˇze intenzita svˇetla, jehoˇz pr˚ubˇeh svˇeteln´eho toku se periodicky mˇen´ı, se lidsk´emu oku jev´ı totoˇznˇe jako intenzita svˇetla o konstantn´ım pr˚ubˇehu svˇeteln´eho toku rovna stˇredn´ı hodnotˇe intenzity svˇetla s periodick´ym pr˚ubˇ e-hem. Plat´ı pro pˇr´ıpady, kdy je hodnota frekvence zdroje svˇetla vˇetˇs´ı neˇz CFF. Tento z´akon byl vysloven na z´akladˇe experiment˚u v 19. a v poˇc´atc´ıch 20 stol., kdy byly generov´any svˇeteln´e pulzy. V t´e dobˇe ale jeˇstˇe nebyly prostˇredky pro to, aby byla generovan´a stˇr´ıda dostateˇcnˇe n´ızk´a a tedy i ˇcasov´y ´usek mezi vypnut´ım a zapnut´ım svˇeteln´eho zdroje dostateˇcnˇe kr´atk´y. Toho se doc´ılilo aˇz v posledn´ıch nejnovˇejˇs´ıch v´yzkumech. [30] [32]
S v´yˇse uveden´ymi jevy souvis´ı jeˇstˇe tzv. Br¨ucke-Bartley˚uv efekt. Pokud je frekvence pulz˚u svˇetla niˇzˇs´ı neˇz CFF a d´ale se postupnˇe sniˇzuje, efektivn´ı jas se zvyˇsuje. Nejen, ˇze jas dos´ahne stejn´eho jasu jak´y by mˇel nepˇreruˇsovan´y svˇeteln´y tok, ale dokonce ho pˇresahuje a maxima dos´ahne pˇri frekvenci od 8 do 10 Hz. [32]
Na z´akladˇe tˇechto poznatk˚u vyplynula myˇslenka, ˇze pokud by byl zdroj svˇetla ˇr´ızen pulzn´ı modulac´ı, zv´yˇsila by se jak efektivn´ı sv´ıtivost, tak i efektivn´ı ´uˇcinnost zdroje. V nejnovˇejˇs´ıch v´yzkumech byly pouˇzity modr´e, zelen´e a ˇcerven´e LED v pulz-n´ım reˇzimu a potvrdily pˇr´ıtomnost Broca-Sulzer efektu, nikoliv vˇsak Talbot-Plateova efektu a to z d˚uvodu, ˇze na rozd´ıl od ran´ych pokus˚u bylo v tomto pˇr´ıpadˇe pracov´ano s pr˚ubˇehem svˇeteln´eho toku s ide´aln´ı ˇctvercovou vlnou. V´ysledkem je zjiˇstˇen´ı, ˇze pro 5% stˇr´ıdu pˇri 60 Hz je ´uˇcinnost svˇeteln´eho zdroje vyˇsˇs´ı neˇz pro stejnosmˇern´y reˇzim. Tento efekt byl n´aslednˇe podle sv´ych objevitel˚u nazv´an Jinno-Motomura efekt. Totoˇzn´y t´ym ve sv´em dalˇs´ım experimentu doˇsel k z´avˇeru, ˇze pulzn´ı reˇzim LED m´a za v´ysledek t´eˇz i menˇs´ı spotˇrebu energie. [30] [31]
6 Svˇ etlo a jeho vliv na pozornost
V ot´azce vlivu svˇetla na udrˇzen´ı pozornosti maj´ı v´yznamnou roli modr´e LED a obecnˇe modr´a sloˇzka svˇeteln´eho spektra. Kromˇe zm´ınˇen´ych vliv˚u v kap. 5.3 m´a modr´e svˇetlo z LED nezanedbateln´y v´yznam pro us´ın´an´ı a kvalitu sp´anku, coˇz se t´yk´a hlavnˇe veˇcern´ıho sv´ıcen´ı. M˚uˇze doj´ıt k naruˇsen´ı tzv. cirkadi´ann´ıho rytmu, coˇz je pˇribliˇznˇe dvacetiˇctyˇrhodinov´y cyklus, ve kter´em se stˇr´ıd´a ve dne aktivn´ı f´aze a v noci klidov´a f´aze. S t´ımto cyklem je spojen mj. hormon melatonin, jehoˇz pro-dukce je ovlivˇnov´ana svˇetlem, k jeho vyluˇcov´an´ı nejv´ıce doch´az´ı za tmy, je tedy d˚uleˇzit´y pro sp´anek. Paprsky svˇetla, jeˇz dopadaj´ı na s´ıtnici, jsou indikov´any foto-receptory. Tˇemi jsou kromˇe zn´am´ych tyˇcinek a ˇc´ıpk˚u jeˇstˇe tzv. ˇcidla cirkadi´ann´ıho syst´emu, tj. tˇret´ı druh fotoreceptor˚u, kter´y je soustˇredˇen do modr´e oblasti vidi-teln´eho spektra. Pokud se tedy vystav´ıme nepˇrimˇeˇren´emu mnoˇzstv´ı svˇetla z LED zdroje, dojde k potlaˇcen´ı tvorby melatoninu a n´asledn´ym probl´em˚um se sp´ankem.
Kromˇe toho modr´a sloˇzka svˇetla LED podporuje uvolˇnov´an´ı serotoninu (d˚usledkem m˚uˇze b´yt i zm´ırnˇen´ı deprese a ´uzkostn´ych stav˚u) a u ˇclovˇeka tak nastartuje aktivitu, bdˇelost a soustˇredˇenost. Vystaven´ı se modr´emu svˇetlu tedy nen´ı na ˇskodu sp´ıˇse po r´anu, kdy je takov´yto druh nabuzen´ı ˇz´adouc´ı. [10] [11]
Oprosti ostatn´ım barv´am svˇetla se modr´e svˇetlo v atmosf´eˇre rozptyluje nejv´ıce.
Pr´avˇe toto rozpt´ylen´ı svˇetla m˚uˇze pro ˇclovˇeka pˇredstavovat urˇcit´y druh ruˇsen´ı. Jiˇz v´ıme, jak´ym zp˚usobem lze z´ıskat b´ıl´e LED svˇetlo, tedy napˇr. kombinac´ı modr´eho ˇcipu a luminoforu. Modr´e svˇetlo je tak zˇc´asti pˇremˇenˇeno luminoforem na r˚uzn´e odst´ıny ˇzlut´e, ale zˇc´asti je j´ım propouˇstˇeno. Ruˇsen´ı se tak m˚uˇze t´ykat napˇr. veˇrejn´eho osvˇetlen´ı na b´azi LED. U nˇej je tedy doporuˇcov´ana sp´ıˇse n´ızk´a teplota chromatiˇcnosti, cca okolo 2 600 K. [18] O barevn´e teplotˇe svˇetla v´ıce v kap. 2.3.
Jedn´ım z obecn´ych fakt˚u o melatoninu bylo tvrzen´ı, ˇze jeho hladina se v orga-nismu nemˇen´ı v reakci na svˇetlo o intenzitˇe menˇs´ı neˇz 1 500 aˇz 2 000 lx. Australsk´y badatel Iain McIntyre vˇsak zjistil, ˇze pokud je ˇclovˇek vystaven v´ıce jak hodinu i mal´emu mnoˇzstv´ı svˇetla, 200 aˇz 600 lx, hladina melatoninu se sn´ıˇz´ı. Melatonin tak´e v tˇele vychyt´av´a rakovinn´e buˇnky, proto je i z tohoto d˚uvodu jeho funkce d˚uleˇzit´a. [12]
Pokud bychom vzali v ´uvahu ´uzkop´asmov´a z´aˇren´ı o dominantn´ıch vlnov´ych d´elk´ach 460 a 555 nm (vlnov´a d´elka pro modrou barvu a vlnov´a d´elka, na kterou je lidsk´e oko nejcitlivˇejˇs´ı, odpov´ıd´a zelen´e barvˇe), zjistili bychom, ˇze jejich ´uˇcinek na sn´ıˇzen´ı hladiny melatoninu je zpoˇc´atku pˇribliˇznˇe stejn´y. Po cca 1,5 h ´uˇcinek zelen´eho svˇetla zcela vymiz´ı, zat´ımco u modr´eho svˇetla pˇretrv´a. [18]
Existuj´ı t´eˇz zaˇr´ızen´ı na mˇeˇren´ı spr´avn´e d´avky svˇetla. Jedn´a se o tzv. cirkadi´ann´ı dozimetry, kter´e lze nosit podobnˇe jako br´yle. Jejich souˇc´ast´ı jsou dvˇe fotodiody, kter´e slouˇz´ı jako detektory. V r´amci terapie svˇetlem byly zkonstruov´any sluneˇcn´ı simul´atory, kter´e slouˇz´ı pro osvˇetlov´an´ı oˇc´ı a tv´aˇre. Mezi nˇe patˇr´ı tzv. light visory, ˇcepice se ˇst´ıtkem, ve kter´em je zabudov´ana LED a osvˇetluje oˇci. Jejich ´uˇcelem je zejm´ena rychlejˇs´ı navozen´ı pocitu bdˇelosti po r´anu. [18]
7 Praktick´ a ˇ c´ ast
C´ılem v´yzkumn´e ˇc´asti je pomoc´ı mˇeˇric´ıho zaˇr´ızen´ı namˇeˇrit v urˇcit´em kr´atk´em ˇcasov´em ´useku pr˚ubˇeh napˇet´ı ve vybran´ych LED ˇz´arovk´ach, n´aslednˇe prov´est zpra-cov´an´ı z´ıskan´ych dat v Matlabu, navrhnout filtry a spoˇc´ıtat FI a FP. Z´amˇerem n´avrhu filtr˚u je doc´ılen´ı bliˇzˇs´ı anal´yzy flickeru d´ıky zahrnut´ı frekvenˇcn´ı z´avislosti do v´ypoˇctu. Op´ır´a se o z´ıskan´e ´udaje o rozsahu frekvenc´ı viditeln´eho a neviditeln´eho flickeru. Jelikoˇz z kap. 5.1.1 vypl´yv´a, ˇze viditeln´y flicker, kter´y m´a v´yznamnˇejˇs´ı fyzi-ologick´y dopad, dosahuje aˇz do frekvence 70 Hz a neviditeln´y pˇribliˇznˇe do frekvence 200 Hz, ´uˇcelem filtr˚u tak bude ze z´ıskan´eho sign´alu ponechat pouze frekvence menˇs´ı neˇz jsou uveden´e hraniˇcn´ı hodnoty.
7.1 Pouˇ zit´ a mˇ eˇ ric´ı technika
K mˇeˇren´ı vybran´ych typ˚u LED ˇz´arovek bylo pouˇzito zaˇr´ızen´ı pro fotometrick´e mˇeˇren´ı flickeru a osciloskop. Uspoˇr´ad´an´ı je zn´azornˇeno na n´asleduj´ıc´ım sch´ematu:
Obr´azek 7.1: Sch´ema zapojen´ı.
Mˇeˇric´ım zaˇr´ızen´ım je uzav´ırateln´y box, do kter´eho se zapoj´ı vybran´y typ
se nach´az´ı fotodioda (princip viz kap. 4.1.2), ta reaguje na osvˇetlen´ı ze ˇz´arovky zmˇenou sv´e voltamp´erov´e charakteristiky. Dalˇs´ı d˚uleˇzitou souˇc´ast´ı je logaritmick´y zesilovaˇc (v´ıce o zesilovaˇc´ıch viz kap. 4.2). Jeho obvod byl vyroben na zak´azku ve ˇctyˇrech exempl´aˇr´ıch, jeden z nich se nach´az´ı v tomto mˇeˇric´ım zaˇr´ızen´ı. V pˇriloˇzen´e dokumentaci je uvedena pˇrenosov´a funkce zesilovaˇce, teoreticky a prakticky. Obvod je nap´ajen 9V zdrojem pˇripojen´ym na v´ystupn´ıch pinech. V s´erii s n´ım je zapojen 100Ω rezistor, kter´y v´ystupn´ı proud pˇremˇen´ı na v´ystupn´ı napˇet´ı.
Obr´azek 7.2: Logaritmick´y zesilovaˇc [35].
V´ystupn´ı napˇet´ı je n´aslednˇe zaznamen´av´ano osciloskopem. Ten m´a dva 8-bitov´e vstupy - prvn´ı kan´al pro sign´al s DC sloˇzkou a druh´y kan´al pro sign´al s AC sloˇzkou. Sign´al s DC sloˇzkou m´a hrub´e rozliˇsen´ı, pro AC sloˇzku je rozliˇsen´ı vyˇsˇs´ı, avˇsak s nulovou stˇredn´ı hodnotou. Pro zv´yˇsen´ı pˇresnosti a z´ısk´an´ı p˚uvodn´ıho sign´alu lze k sign´alu AC pˇriˇc´ıst stˇredn´ı hodnotu DC sign´alu.
K tomu, abychom z´ıskali proud z fotodiody (kter´y potˇrebujeme pro dalˇs´ı v´ypoˇcty), mus´ıme pouˇz´ıt inverzn´ı funkci. Jelikoˇz funkci nelze z´ıskat analyticky, byla pro jej´ı v´ypoˇcet pouˇzita Newtonova iteraˇcn´ı metoda. Z kalibraˇcn´ıch mˇeˇren´ı byly z´ısk´any pˇr´ısluˇsn´e koeficienty. Samotn´a funkce mi byla pro aplikaci na namˇeˇren´a data poskytnuta ve formˇe skriptu v Matlabu spoleˇcnˇe s dokumentac´ı.
Obr´azek 7.3: Zapojen´ı.