XXI amžiaus mokslininkai ieško... šviesos?
Kokio apšvietimo mums reikia? Visų pirma – kuo ryškesnio (šviesos niekada nebūna per daug) ir, savaime suprantama, energiškai našaus. Nepakeičiamas šviesos šaltinis yra natūrali dienos (saulės) šviesa, su kuria lyginame visus kitus dirbtinius apšvietimo šaltinius. Iš pastarųjų labiausiai paplitusios iki šiol buvo kaitinamosios lempos, pasižyminčios glodžiu spinduliuotės spektru, tačiau labai neefektyvios. Didžioji kaitinamosios lempos sunaudotos elektros energijos dalis yra verčiama akimi nematomais infraraudonaisiais spinduliais.
Vienas iš XXI amžiaus pažangos padarinių yra efektyvių puslaidininkinių šviestukų (šviesos diodų) panaudojimas bendrajam apšvietimui. Šiuolaikinės šviestukų gamybos technologijos leidžia sukurti šviestukus, skleidžiančius šviesą bet kurioje (paprastai siauroje) regimojo spektro srityje, o jų šviesinis našumas jau dabar viršija įprastųjų kaitinamųjų lempų daugiau negu 10 kartų. Panaudoję kelis tokius šviestukus, pavyzdžiui, raudoną, mėlyną ir žalią, viename įrenginyje galime sukelti baltos spalvos įspūdį. Apskaičiuoti, kokiomis proporcijomis reikia „sumaišyti“ įvairiaspalves komponentes, kad būtų išgauta balta šviesa, – gana paprastas uždavinys. Daug sudėtingesnis yra klausimas, ar gautasis šaltinis bus kokybiškas spalviniu požiūriu, palyginti su natūraliuoju. Kaip pagamintį optimalų šaltinį, veiksmingiausią ir kokybiškiausią? Ir ar išvis įmanoma įvertinti šaltinio spalvinę kokybę, jeigu tai subjektyvi jutiminė kategorija?
Šiuos teorinius ir praktinius klausimus nuo 2001 metų nagrinėja Vilniaus universiteto Taikomųjų mokslų instituto ir Matematikos ir informatikos fakulteto mokslininkų grupė, vadovaujama prof. A. Žukausko, bendradarbiaudama su Rensselaerio politechnikos instituto (JAV) šviesos tyrėjais. Vykdomas tyrimas – kompleksinis ir tapdalykinis. Per dešimtmetį paskelbta aibė publikacijų solidžiuose moksliniuose žurnaluose, pateiktos inovatyvių rezultatų patentinės paraiškos.
Ką atskleidė tyrimai?
Grįžkime prie šviesos šaltinių spalvinės kokybės. Vienas iš esminių kokybės rodiklių remiasi spalvine atgava, t. y. šaltinio gebėjimu tinkamai atkurti apšviestų objektų spalvas. Spalvinė atgava gali būti apibrėžiama skaitiškai vadinamuoju bendruoju spalvinės atgavos (toliau BSA) rodikliu, kurį pasiūlė Tarptautinė šviesos standartų organizacija CIE. Nustatant BSA rodiklį, įskaitomi aštuonių (arba 14) bandinių, apšviestų etaloniniu ir tiriamuoju šviesos šaltiniais, spalviniai poslinkiai. Etaloninio šaltinio, nesukeliančio spalvinių iškraipymų, spalvinės atgavos rodiklis lygus 100. Vertinamojo šviesos šaltinio rodiklio reikšmė, mažesnė negu 50, indikuoja stiprius apšviestų objektų spalvinius iškraipymus.
Tyrimų pradžioje Vilniaus universiteto mokslininkai, išsprendę sudėtingą daugiaspalvio šaltinio optimizavimo uždavinį, nustatė šviesinio veiksmingumo ir BSA kriterijų balanso sritį (Pareto ribą), kuri gali tarnauti efektyvių ir kokybiškų kietakūnių šviesos šaltinių kūrimo gairėmis.
Kaip žinome, nuo idėjų iki jų įgyvendinimo gali praeiti ilgas laikotarpas (prisiminkime Jules‘io Verne‘o fantastinių romanų įžvalgas). Mūsų tyrimų istorija kita. Taikomųjų mokslų instituto inžinieriai, ilgai nelaukę, nugalėję įvairius technologinius iššūkius, sukūrė elektroninį keturspalvių šviestukų šviesos šaltinio prototipą, kuris buvo panaudotas psichologiniams eksperimentams atlikti. Rezultatas – netikėtas. Pasirodė, kad šiuo šaltiniu apšviestos scenos spalvinio suvokimo anomalijos nevisiškai dera su šaltinio spinduliuotės banginio pasiskirstymo ypatumais. Taigi kilo naujas klausimas: ar minėtasis BSA rodiklis yra adekvati šaltinio spalvinės kokybės charakteristika? Ar iš tiesų pakanka tik aštuonių spalvinių bandinių nusakyti apšvietimo kokybę?
Mokslinėje spaudoje ir anksčiau buvo pasirodę svarstymų, kad kietakūnio apšvietimo spektras, kurį sudaro gana siauros spektrinės linijos, turi būti vertinamas kitaip negu remiantis BSA rodikliu (tą vėliau pripažino ir CIE komitetas). Tikėtina, kad, be spalvinės atgavos tikslumo, gali būti ir daugiau veiksnių, kurie daro įtaką šaltinio priimtinumui apšvietimui.
VU mokslininkai pasiūlė remtis klasikiniais modeliais, o ne išvestinėmis analitinėmis ir dažnai netiksliomis spalvinių transformacijų formulėmis. Pirmoji idėja – naudoti didelį skaičių, daugiau negu tūkstantį, spalvinių bandinių, užpildančių Munsello spalvų paletę. Antroji – atsižvelgti tik į tuos spalvinius iškraipymus, kuriuos galėtų pajusti „vidutinis stebėtojas“. (Žmogaus regos spalvinę skirtį dar 1942 metais nustatė amerikiečių mokslininkas Davidas MacAdamas, genialiu spalviniu eksperimentu atskleidęs, kad skirties kontūro forma spalvų erdvėje yra elipsės pavidalo, ir apskaičiavęs 25 elipsių dydžius.) Taigi spalvinio tikslumo kriterijų galėtume apibrėžti kaip spalvinių bandinių, kuriuos vidutinis stebėtojas matys neiškraipytus, palyginti su etaloniniu apšvietimu, procentinę dalį.
Kompiuterinis modeliavimas, naudojant statistiškai apibrėžtą spalvinio tikslumo kriterijų, atskleidė reikšmingą faktą, kad šviesos šaltinis, sudarytas iš penkių spalvų šviestukų sistemos su tinkamai parinktais šviestukų smailių bangos ilgiais, galėtų su dideliu tikslumu atgaminti visas Munsello paletės spalvas. Keturiais šviestukais įmanoma pasiekti, kad būtų iškraipoma ne daugiau kaip 10 proc. paletės spalvinių pavyzdžių. (Pagal BSA rodiklį, lygų 98, toks šaltinis jau turėtų būti laikomas idealiu!) Kitas labai svarbus rezultatas: aukšto spalvinio tikslumo šviesos šaltiniai privalo turėti tolimosios spektro srities raudonos spalvos komponentę. Ši išvada labai sudomino fosforų, naudojamų gretutinėje kietakūnio apšvietimo technologijoje – ultravioletinės spinduliuotės konversijos į regimąją šviesą, gamintojus.
Nuo ko priklauso šviesos šaltinio spalvinė kokybė?
Kitas neišspręstas klausimas, kuriam pastaruoju metu skiriama daug dėmesio – ar pakanka tik vieno rodiklio, apibrėžiančio šviesos šaltinio spalvinę kokybę? Kitaip tariant, ar spalvinis tikslumas yra svarbiausias šviesos kokybinis kriterijus? Įvairiuose šaltiniuose paskelbti psichologinių eksperimentų rezultatai atskleidė, kad apšvietimo „vartotojai“ teikia pirmenybę apšvietimo šaltiniams, kurie nebūtinai tiksliai atkuria spalvas, tačiau padidina apšviestų objektų spalvinį kontrastą, paprastai tariant, pagražina aplinką, suteikdami objektams sodresnes spalvas.
Vilniaus universiteto tyrėjai išplėtojo idėją, palankiai sutiktą mokslo bendruomenėje, kad trūkstamą papildomą šviesos šaltinio kokybinę charakteristiką, spalvinio sodrinimo faktorių, galima skaitiškai apibrėžti kaip dalį minėtos spalvinės paletės bandinių, kurių spalvos atgaminamos sodriau, negu apšvietus etaloniniu šaltiniu. Kompiuterinis eksperimentas leido nustatyti sodrinančiųjų šviesos šaltinių ypatumus. Buvo atskleista, kad, naudojant šviesos šaltinį su trimis siauro spektro spalvinėmis komponentėmis, kurių viena yra raudonojoje spektrinėje srityje, o kitos dvi žaliojoje ir mėlynojoje, net 80 proc. spalvinių bandinių gali būti sodrinami. O spalvinė komponentė geltonojoje srityje sukelia atvirkštinį efektą, t. y. blukina spalvas. Sodrinantieji šaltiniai gali būti plačiai taikomi įvairiose gyvenimo srityse, kuriose reikalingas specifinis vizualus įspūdis – eksponuojant meno kūrinius, vitrinoje patraukliai apšviečiant gaminius, operacinėje vizualiai išskiriant audinius ir pan.
Ateityje šviesos šaltinį valdys kompiuteris
Naudodami šviestukus galime sukonstruoti labai našų, tačiau iškraipantį spalvas apšvietimo šaltinį; šaltinį, kuris gana tiksliai atkuria spalvas, tačiau mažiau našų; šaltinį, kuris pagražina aplinką; šaltinį, kuris sumažina spalvinį kontrastą, ir t. t. O jeigu norime turėti visus juos vienoje vietoje? Šiuo metu vykdomame moksliniame projekte siekiama įgyvendinti inovatyvią mokslinę idėją – sukurti kompiuteriu valdomos spalvinės kokybės šviesos šaltinių technologiją.
Toks šaltinis leistų pagal vartotojo poreikius pereiti iš vieno apšvietimo režimo į kitą, pavyzdžiui, iš maksimalaus spalvinio tikslumo į didžiausio spalvų sodrinimo režimą. Kaip numatyta, įrenginys susidės iš keturių skirtingų spalvų šviestukų grupių, parinktų taip, kad tarp jų atsirastų dvi trispalvės sistemos, „maišančios“ skirtingų kokybinių savybių baltą šviesą. Tada, keisdami šių sistemų santykinį įnašą suminiame apšvietime, pasieksime glodų perėjimą tarp abiejų spalvinės kokybės režimų. Teoriškai tarsi viskas aišku, tačiau praktikoje teks įveikti įvairių kliūčių. Dar nėra žinoma, kaip tokį šaltinį įvertins vartotojai, ar teoriniai skaičiavimų įverčiai tiksliai atitiks vartotojų pirmenybines nuostatas.
Taigi iššūkiai dar nesibaigia, tačiau universiteto šviesos technologijų tyrėjai pasirengę juos įveikti.
