Barva světla svítidel a viditelnost při návrhu venkovního osvětlení

Barva světla svítidel a viditelnost při návrhu venkovního osvětlení Ian Lewin, Ph.D., FIES, L.C. Lighting Sciences Inc. An Advanced Lighting Technologies Company

7830 East Evans Road Scottsdale, Arizona, USA Telephone: 480-991-9260 Fax: 480-991-0375 Zpracováno podle přednášky, přednesené na 1999 Conference of the Institution of Lighting Engineers, Portsmouth, England.

Úvod Venkovní osvětlení má několik úkolů: hraje roli při prevenci kriminality, zlepšování nočního prostředí a poskytování zvýšené bezpečnosti. Základní otázkou dobré viditelnosti je především zvýšení bezpečnosti. zabezpečení. Zvýšená bezpečnost je dána lepší viditelností a pro noční jízdy je bezpečnější, pokud motorista vidí dobře. Údaje z USA uvádějí přibližně 40 000 smrtelných silničních nehod ročně. Na 100 000 ujetých mil v nočních hodinách na neosvětlených vozovkách je počet nehod třikrát větší, než při provozu za denního světla. I když s tím částečně souvisí alkohol a únava, je hlavním faktorem snížený vizuální výkon řidiče za nočních podmínek. Statistiky pro ostatní země jsou zřejmě podobné. Zatímco viditelnost je obecně přijímána jako žádoucí v oblasti bezpečnosti a zabezpečení, definovat viditelnost a přesnou povahu vztahů není snadné. Tyto otázky jsou složité, protože lidský vizuální systém a jeho odezvy jsou složité. Zaručení požadované viditelnosti v noci je omezeno řadou technických a ekonomických faktorů. Tyto faktory je třeba zkoumat, chápat a uplatňovat při praktickém návrhu venkovního osvětlení. Tak mohou být vyvinuty metody umožňující zvýšení bezpečnosti a zabezpečení. Společnost Illuminating Engineering Society of North America učinila značný pokrok v definování faktorů, ovlivňujících viditelnost v noci. Nový doporučený postup IESNA / ANSI pro osvětlování vozovek, publikace RP8, definuje metodu pro navrhování osvětlení vozovek se zřetelem na dobrou viditelnost, spíše než pouze na množství světla, které osvětlovací systém poskytuje.1,2 To je vhodný začátek. Nicméně je třeba zvážit další důležitý vliv: spektrální rozložení světelného zdroje se ukázalo jako důležitý faktor pro viditelnost za venkovních světelných podmínek. S tímto vědomím a s využitím dostupných informací se může umožnit zvýšení bezpečnosti a zabezpečení, aniž by to vyžadovalo vyšší úrovně osvětlení nebo vyšší výkon.

Spektrální charakteristiky světelného zdroje Obecně se předpokládá u všech výrobců svítidel i u očních lékařů, že všechny lumeny se podílí stejně na viditelnosti. Při zkoumání se nicméně toto ukáže jako omyl. Metody definování a měření lumenů se datují do roku 1920, kdy byla zavedena křivka CIE V(). (V-lambda je křivka citlivosti oka, která se týká vizuální odezvy na příslušné vlnové délce světelného zdroje). Avšak vize vědců, známá pro většinu dvacátého století, že způsob, jakým ve skutečnosti oko reaguje na barvu, je závislý na světelných podmínkách. Za určitých podmínek může oko vnímat dopady světla s vysokou světelnou úrovní z daného zdroje světla. Za různých podmínek může může oko vnímat dopad světla jako mnohem větší nebo mnohem nižší úroveň.Svítidla jsou však hodnocena podle lumenů, jako by citlivost oka na světlo konkrétního svítidla byla vždy stejná.

Problém je dále složitý tím, že bychom měli při výpočtu zahrnout všechna světelná množství lumenů podle vlastností svítidla. Patří sem intenzita osvětlení v luxech, svítivost v kandelách, odražené světlo tj. jas v cd/m2. Viz poznámka na okraj. Vzhledem k tomu, že oko má reakci závislou na velikosti vlnové délky světla a za odlišných podmínek, správné posouzení výsledných lumenů svítidla by mělo být založeno na podmínkách a na tom, jaký světelný zdroj je použit. Kromě toho záleží jakého typu je použité svítidlo a na dalších mnoha podmínkách, skutečně použitelných lumenech a na podmínkách použití. Jak jsou určeny lumeny svítidla? V teorii i praxi potřebujeme znát spektrální rozložení (SPD) světelného zdroje a odezvu oka. Světlo je definováno jako energie, vyhodnocená lidským okem. Takže světlo není definováno pouze jako energie, stejně jako u jiných forem záření. Pro „zjednodušení“ v roce 1935 International Commission on Illumination (CIE) přijala Obrázek 1. Křivka V() – plná čára - pro fotopické vidění standardní křivku odezvy oka, V(), která definuje spektrální a křivka V'() – čárkovaně – pro skotopické vidění. citlivost pro typickou osobu za „fotopických“ podmínek, obrázek 1, plná čára."Fotopické" odkazuje na vysokou úroveň osvětlení typického denního světla a vnitřní osvětlení. Všimněte si také, že křivka V() je použitelná pouze v centru malé centrální oblasti oka.3, 4 Chceme-li zjistit lumeny svítidla, musíme pro každou vlnovou délku viditelného spektravýkonnásobit hodnotouV() pro ekvivalentní vlnovou délku. Součet těchto součinů dává výsledný hledaný výstup v lumenech. To můžeme vyjádřit jako: Lamp Lumens = K ΣLamp Power () . V() .   K je konstanta pro přepočet jednotek. Obrázek 2 znázorňuje graf spektra žárovky a na té samé vlnové délce i křivku citlivosti oka. Jak můžeme vidět, světelný výkon žárovky je malý v modré části spektra; obrázek 1 také ukazuje, že fotopická citlivost oka na modré světlo je nízká. Modrý výstup (výkon) svítidla nicméně produkuje něco málo lumenů. Červený výstup (výkon) svítidla je vysoký, ale citlivost oka je na něm nízká. Červený výstup proto dodává jen mírné množství lumenů. Žlutý výstup žárovky je mírné velikosti, ale fotopická citlivost oka pro světlo žluté barvy je vysoká. Žlutý výstup světelného zdroje tak generuje mnoho použitelných lumenů. To vysvětluje fakt, že žárovka dává mírně nažloutlé světlo, i když ve skutečnosti je hlavní výkon v červené oblasti.

Obrázek 2. Typické výkonové rozložení pro žárovku.

Proč je křivka V() nepoužitelná? Po dlouhou dobu se uvažovalo, že funkce V() je přesná a aplikovatelná pro podmínky vidění a že lumeny svítidla jsou přesné. Pokud se ale světelné podmínky změní, nebude funkce V() už použitelná; zjištěné lumeny nebudou odpovídat efektivnímu světelnému výkonu svítidla. Vysoké úrovně osvětlení, za podmínek, kde jasy jsou obecně vyšší než 3 cd/m², jsou označovány jako „fotopické“ úrovně. Křivka V() platí pro tyto podmínky. Je-li však hladina osvětlení velmi nízká, řekněme pod 0,001 cd/m², jsou podmínky osvětlení popsány jako „skotopické.” To je typická úroveň osvětlení od svitu hvězd v noci. Mezi těmito dvěma úrovněmi leží oblast, nazývaná „mezopická”, která odpovídá soumraku a je to také často používaná úroveň pouličního osvětlení. Obrázek 3 znázorňuje tyto 3 úrovně. Obrázek 3. Rozsah osvětlenosti pro fotopické, mezopické a skotopické úrovně osvětlení. Za skotopických podmínek se vizuální odezva oka dramaticky mění – viz obrázek 1, čárkovaná křivka. Tento jev je znám přes 100 let a je nazýván „Purkyňův posuv“. Citlivost oka pro žlutou a červenou je silně redukována, zatímco citlivost k modré je velmi zvýšena. Je zřejmé, že byla-li produkce lumenů určena z fotopické křivky, ale skutečné světelné podmínky odpovídají skotopické úrovni, výstupní hodnota lumenů nebude přesně odpovídat účinnému, efektivnímu údaji osvětlení. Odezva oka neodpovídá náhlému posunu z fotopických do skotopických podmínek. Ke změně spektrální citlivosti dochází postupně při změně světelné úrovně v mezopickém (šero) rozsahu. Odezva oka v mezopické oblasti je někde mezi fotopickou a skotopickou.

Tyčinky a čípky Změn spektrální odezvy oka lze vysvětlit přítomností dvou typů receptorů v sítnici: tyčinek a čípků. Čípky jsou aktivní při vysoké úrovni světla a jsou velmi hustě umístěny v centrální části zorného pole oka. Když se podíváme přímo na objekt, využíváme pro vidění čípků. Spektrální citlivost čípků odpovídá fotopické křivce citlivosti V(). Tyčinky jsou odpovědné za lidské vidění při nízké úrovni osvětlení, a jsou rozmístěny převážně v okrajových částech zorného pole, dále od přímého směru pohledu (centrálního pohledu). Jak se snižuje světelná úroveň, klesá aktivita čípků, aktivita tyčinek stoupá a spektrální citlivost postupně přechází směrem do skotopických úrovní křivky. Během praktické úlohy řízení v noci jsou aktivní oba typy receptorů. Objekty v přímém pohledu jsou vyhodnocovány čípky. Objekty mimo centrální vidění jsou rozeznávány primárně tyčinkami. Takovými objekty v neosovém vidění (periferní vidění) mohou být třeba auto přijíždějící z vedlejší silnice nebo dítě, běžící směrem k vozovce.

Efektivní lumeny Můžeme použít termínu „efektivní lumeny“ s cílem vymezit modifikované lumeny výstupu světelného zdroje, s přihlédnutím k posunu barevné citlivosti oka na nízké úrovni světla. Chcete-li například najít efektivní lumeny žárovky jako zdroje světla, jak je znázorněno na obrázku 2 v skotopických úrovních, světelný výkon pro každou vlnovou délku násobíme skotopickou citlivostí oka (čárkovaná křivka na obrázku 1).Tyto hodnoty pak sečteme. Efektivní lumeny se budou ovšem lišit od konvenčních, fotopických nebo „surových“ lumenů.

3

Sodíkové výbojky

Obrázek 4. Spektrální rozložení výkonů typické vysokotlaké sodíkové výbojky (HPS).

Obrázek 4 ukazuje spektrální rozložení výkonů typické vysokotlaké sodíkové výbojky (HPS) a pod ní pro tytéž vlnové délky křivku citlivosti oka. Důvody pro vysokou svítivost vysokotlaké sodíkové výbojky HPS jsou okamžitě zřejmé. Maximální energetický výkon leží ve žluté oblasti, kde je citlivost oka velmi vysoká. Vzhledem k tomu, že lumen je definován jako množství světla tak, jak ho vnímá oko za fotopických podmínek (plná křivka), HPS výbojky mají vysokou svítivost. Není to tedy tak, že sodíková výbojka produkuje vysoký výkon světelné energie, ale spíše to, že vrchol její energie je blízko maximální fotopické citlivosti oka.

Všimněte si, že jen velmi málo energie výbojky je dodáváno dochází při kratších vlnových délkách než je vrchol křivky citlivosti oka. Proto jsou efektivní lumeny pro skotopické podmínky (čárkovaná křivka) výrazně omezené. Sodíková výbojka HPS produkuje velmi málo modré a zelené světlo, a proto i její účinnost při nízké úrovně světla je podstatně snížena. Efekt pro nízkotlakou sodíkovou výbojku (LPS) je ještě více dramatický, jak je vidět z obrázku 5. Prakticky všechna energetické produkce je ve žluté oblasti, takže dodává velmi vysoký fotopický světelný výstup. Pro nízké úrovně osvětlení však není téměř žádný světelný výkon při vlnových délkách tam, kde je oko nejcitlivější. Nízkotlaká sodíková výbojka LPS má tak dramaticky sníženou účinnost pro nízké úrovně osvětlení.

Obrázek 5. Spektrální rozložení výkonů typické nízkotlaké sodíkové výbojky (LPS).

4

Metalhalidové výbojky Obrázek 6 ukazuje rozložení energie u typické metalhalidové výbojky. Všimněte si, že existují výrazné vrcholy v modré, zelené a žluté oblasti. Všimněte si také, že existuje značná „kontinuita“ energetické produkce na všech vlnových délkách, kromě uvedených špiček. Když se energie výstupní křivky metalhalogenidové výbojky vynásobí hodnotami pro fotopickou křivku citlivosti, dostáváme opět vysokou svítivost (i když ne tak vysokou jako u vysokotlaké sodíkové výbojky HPS). Při použití přerušované křivky pro skotopických podmínky bude Obrázek 6. Spektrální rozložení výkonu pro typickou metalhalidovou vidět, že vrcholy v energetickém maximu výbojku. výstupu u metalhalidových výbojek leží v oblasti vysoké citlivosti oka pro nízké úrovně světla. Navíc,poměrně silná kontinuita modré a zelené energie i čáry s maximální svítivostí spadají do skotopické oblasti citlivosti oka. Výsledkem je nárůst efektivní lumenů metalhalidové výbojky při snižování úrovně osvětlení a posun do oblasti vysoké citlivosti oka v modro-zelené oblasti (viz obrázek 6). V souhrnu: za mezopických světelných podmínek, žluté zdroje mají sníženou účinnost, zatímco modro zelené zdroje účinnost zvýšily.

Praktické experimenty Výše uvedené teorie nám říká, že pokud se úroveň osvětlení snižuje od fotopické, přes mezopickou do skotopických podmínek, účinnost žlutého zdroje klesá, zatímco u modrozelených zdrojů se zvyšuje. Může to být skutečně prokázáno v praxi? Bylo realizováno několik výzkumných projektů s lidskými subjekty, aby se zjistilo, jsou tyto efekty jsou skutečné a prokazatelné. Výsledky různých výzkumných pracovníků jsou v obecné shodě. Práce Dr. Alana Lewise, děkana Michigan College of photometry, ukazuje účinky velice jasně. 5 Se svými kolegy prováděl experimenty se světelnými zdroji, používajícími rtuťové, metalhalogenidové, vysokotlaké a nízkotlaké sodíkové výbojky. Jako referenční základ byla použita žárovka. Testy byly provedeny v rozsahu úrovní osvětlení od fotopické přes mezopickou až do skotopické úrovně. V první sérii testů byl měřen „práh kontrastu“ oka za různých podmínek. Zásadním požadavkem pro lidské vidění je schopnost vidět kontrast, který je stanoven rozdílem v jasu mezi objektem a jeho pozadím. Když se sníží práh kontrastu, znamená to, že oko je schopné rozlišit menší kontrasty. Tak nižší práh kontrastu znamená lepší viditelnost, pokud další faktory budou stejné.

5

Obrázek 7 ukazuje výsledky subjektů vystavených mřížkovému kontrastnímu osvětlení, kde stupeň kontrastu mezi mřížkovými čarami se měnil. Na mřížkové osvětlení byly použity různé světelné zdroje. Výsledky ukazují, že pro jas 3 cd/m² a méně je rozdíl ve výsledcích pro různé světelné zdroje. U metalhalidových výbojek je schopnost detekovat nízké kontrasty podstatně lepší než u sodíkových výbojek. Při dalších experimentech byla měřena reakční doba. V jednom případě byly předměty ve stejné orientaci s čarami mřížky, horizontálně nebo vertikálně, pro široký rozsah světelných úrovní. V jiném testu vizuální úlohy byla zkoumána průsvitná fotografie ženy Obrázek 7. Práh kontrastu zjištěný pro různé světelné zdroje. stojící na okraji vozovky, v přítomnosti stromů a oplocení. V některých případech byla obrácena čelem do vozovky, popřípadě krok před řidičem, zatímco v jiných případech byla ve stejné pozici, ale odvrácená tváří od vozovky. Subjekty měly identifikovat, kdy byla obrácena čelem k nim, přičemž čas potřebný pro identifikaci byl zaznamenáván. Obrázek 8 ukazuje výsledky pro různé světelné zdroje. Prozkoumáním obrázku 8 zjistíme, že pro úroveň osvětlení vozovky pod 3 cd/m2 existuje značný rozdíl mezi různými světelnými zdroji. Na úrovni 0,1 cd/m2 je reakční doba pro vysokotlaké a nízkotlaké sodíkové výbojky zhruba o 50% delší než u metalhalidových výbojek. To jasně ukazuje, že spektrální vlastnosti světelného zdroje mají vliv na viditelnost, a že to není jenom teorie. Praktické vizuální experimenty ukazují, že účinky jsou skutečné a významné. Obrázek 8. Reakční doba měřená za různých světelných podmínek

Důležité otázky Vzhledem k tomu, že projektanti při návrhu venkovního osvětlení v minulosti spektrální rozložení ignorovali, je tato informace poněkud zarážející. Nicméně, vzhledem k tomu, co bylo známo o spektrální odezvě oka po mnoho let, bychom možná neměli být překvapeni.4 Se zřetelem na toto téma je zřejmé, že se musíme zabývat těmito klíčovými otázkami: Jsou světelné podmínky existující zpravidla v noci dostatečně nízké, aby měla být použita mezopická citlivost oka? Pokud mezopické podmínky platí, je posun citlivosti k modro-zelené citlivost platný univerzálně na všechno, co oko vidí?

6

Pokud posílení účinků, způsobených modro-zelenou barvou světla zdrojů ovlivní pouze některé úkoly, k čemu jsou a jak se vztahují k nehodám?  praktických důvodů, jaká je velikost těchto účinků? Jsou malé, nebo velmi významné? Jaké jsou efektivní lumeny pro hodnocení dostupných zdrojů světla pro aktuální venkovní světelné podmínky?

Jsou typické noční úrovně osvětlení mezopické? Obvykle se předpokládá, že když jas překročí 3 cd/m², jsou podmínky jsou fotopické; ale málokdy je jas vozovky tak vysoké jako je hodnota 3 cd/m². Návrhy provedené podle mezinárodních norem mohou mít úrovně osvětlení v obecném rozsahu 0,3 až 2,0 cd/m². Proto by se měly uvažovat mezopické podmínky pro typické hladiny osvětlení vozovek. Ve Spojených státech amerických je doporučená průměrná svítivost pro významné obchodní cesty je 1,2 cd/m². 1 Pro místní obytné ulice je průměrná úroveň 0,3 cd/m². Průzkum skutečných jasů vozovek provedených v Albany a Troy, New York, USA, ukázal hodnoty v rozmezí 0,74 až 0,013 cd/m². Je tedy zřejmé, že úroveň vozovky osvětlení spadá do rozmezí pro jasy, které jsou klasifikovány jako mezopické. Mezopické vizuálních efekty by proto měly být pro správný návrh vzaty v úvahu. Dalším faktorem, je třeba se zabývat: nebezpečí pro řidiče jsou často situována mimo hlavní silnici. Vozidlo se může blížit po spoře osvětlené straně silnice. Zvíře může pobíhat na vozovce v podstatě v neosvětlené oblasti. Existují důkazy, které naznačují, že mnoho nehod je způsobeno tímto způsobem. (V USA, jeleni, kteří skočí z tmavých oblastí na silnici, jsou hlavní příčinou vážných kolizí). Svítidla určená pro osvětlení vozovky typicky zaměřují světlo na silnici samotnou, a okolní oblasti mohou být osvětlené pouze rozptylem světla. Vně úrovně vozovky osvětlení může klesnout na 10% nebo méně než je jas vozovky. I tam, kde se zavádí poměr „surround ratio“ SR, je zajištěno určité osvětlení podle mezinárodních standardů, které se však vztahuje pouze na pás "na okraji hrany" jízdy jízdního pruhu. Veřejné osvětlení v okolních oblastech může být v úrovních 0,1 cd/m² nebo méně, u nich však velký vliv spektrálních účinků nebyl dosud prokázán.4,5,6,7,8,9,10,11

Vztahuje se citlivost na modro-zelenou na celou scénu? Lidské oko je mimořádně složité. Jak již bylo uvedeno, že jsou dvě hlavní formy receptorů, tyčinky a čípky. Stručně řečeno, čípky zprostředkovávají viditlenost za fotopických podmínek, a jejich spektrální citlivost je základem pro fotopickou křivku světelné účinnosti oka V(), která se používá k určení lumenů svítidla. Tato křivka se ale vztahuje pouze na střed 2º zorného pole, ale je používána téměř všeobecně, jako by byla použitelná na celou scénu. Čípky jsou soustředěny v části sítnice odpovídající tomuto centru zorného pole, na střed žluté skvrny, neboli "fovea". Hustota čípků klesá postupně se vzdáleností od žluté skvrny (fovea). Při skotopických úrovních světla jsou čípky téměř zcela nefunkční. Tyčinky poskytují vidění za skotopických podmínek. Spektrální citlivosti tyčinek odpovídá skotopická světelná účinnost, funkce V'(). Se zvětšováním vzdálenosti od „fovea“ se na sítnici zvyšuje koncentrace tyčinek. Za mezopických světelných podmínek jsou jak tyčinky tak čípky aktivní. Při centrálním, neboli foveálním vidění dominují čípky. Pro periferní vidění dominují tyčinky. Vidění mimo centrální zorné pole používá jak tyčinek tak čípků. Zlepšení viditelnosti pomocí modro-zelené barvy zdrojů světla je zanedbatelné pro osový, centrální pohled, ale je velmi významné jen pro necentrální pohled (tj. mimo velmi úzký pohled 2° v centrální oblasti) a pro periferní detekci. Rozsah spektrální účinků je proto je závislý na umístění úlohy pro její detekci.

7

Necentrální úlohy a bezpečnost řízení Jestliže úlohy s centrálním viděním nejsou ovlivněny spektrálním rozložením světelného zdroje, úlohy pro necentrální pohled, mimo osu vidění, jsou velmi ovlivněny; je tedy důležité se ptát, zda periferní vidění je důležité při řízení vozidla. Pokud detekce při úloze mimoosového vidění má významný vliv na bezpečnost, pak tyto spektrální efekty jsou také významné. Velmi praktický smysl mimoosového vidění lze snadno prokázat. Představte si, že jedete v noci, ale máte černé trubky před každým okem, obrázek 9. Trubky přesouváme spolu s pohledem očí, vždy ve směru pohledu. Předpokládejme, že každá trubka je o průměru 1,75“ (průměr lepenkové trubice v USA je průměr standardní role toaletního papíru!). Předpokládejme pak, že každá trubka je 50 cm dlouhá. Takové trubice v přední části každého oka omezí zorné pole pozorovatele na úhel 2°. Nikdo z nás by nebyl ochoten řídit v noci a mít tyto černé trubky před očima. Chcete-li tak učinit, kdyby to bylo možné, zcela by se vyloučilo periferní vidění, což vytváří velmi nebezpečnou situaci, neboť by řidič byl připraven o mnoho základních vizuálních informací. Obrázek 9. Demonstrace zorného pole centrálního pohledu. Tento příklad dokazuje, že je intuitivně zřejmé, že periferní vidění je rozhodující pro řízení. Vezměme si obrázek 10, fotografii spoře osvětlené noční rezidenční scény. Kolik z této scény bude mít řidič v centru zorného pole (při centrálním, foveálním vidění)? Kruh vyznačuje tuto zónu o šíři 2°. Je zřejmé, že i když je to důležitá oblast, představuje velmi malou část toho, co oko vidí. Ve skutečnosti, velké množství informací dosahuje oko při mimoosovém vidění, mimo 2° kruh. Zatímco fotografie nemůže skutečně zastupovat viditelnost, je zajímavé, že jiné vozidlo přijíždějící z postranní ulice se chystá vyjet přímo před řidičem. Potenciální havárie je před námi, a jasná viditelnosti je zásadní.

Obrázek 10. Ilustrace centrálního pohledu a necentrálního – periferního pohledu.

Je jasný argument, že v případě nebezpečí, kdy se blíží řidič z boku, řidič přímo jeho viditelnost nezíská při centrálním pohledu (foveálním zobrazení). Kritickým bodem je však to, že velmi často počáteční detekce nastane při mimoosovém vidění, a pak bude teprve využito centrálního, foveálního vidění. 12 Je to včasné odhalení, která je rozhodující pro předcházení nehodám. Schopnost řidiče odhalit a reagovat na objekt pohybující se do cesty vozidla byla prokázána s tím, že je to záležitostí především funkce periferního vidění. 10 Také, schopnost udržovat pozici v pruhu silnice nebo odhadovat vzdálenosti od obrubníku se také ukázalo být téměř výhradně založené na periferním vidění. 13, 14 Existuje mnoho důkazů na podporu skutečnosti, že počty nehod jsou spojeny s periferními účinky vidění. Zejména je mimoosové, periferní vidění vysoce citlivé pro detekci měnících se podmínek.

8

Pohyb objektu je detekován „makrocelulárním“ kanálem lidského zrakového systému, u kterého dominuje reakce tyčinek, tj, mimoosové vidění. V nedávné pilotní studii, se subjekty podílely na videoprojekci hry, kde bylo auto „řízeno“ na různých drahách. 15 Počítač sledoval čas řízení každé dráhy a počty havárií. Testované úrovně osvětlení byly 0,1 a 1 cd/m². Testování bylo provedeno s použitím videa s promítaným obrazem přes modrý filtr, a také přes červený filtr. Na 0,1 cd/m2 se počet nehod na kilometr snižuje o 7% pro modré světlo ve srovnání s červeným světlem, zatímco rychlost řízení se dokonce zvýšila. To naznačuje, že je důležité vidění v periferní oblasti, protože je ovládáno tyčinkami, které mají vysokou citlivost pro modrozelenou barvu. I dalším výzkumem je prokízáno, že existuje jasný důkaz na podporu rozumného předpokladu, že mimoosové, periferní vidění je rozhodující pro řízení vozidel. Stejně jasně vyplývá, že spektrální účinky světelného zdroje jsou také významné, jelikož silně ovlivňují schopnost provádět necentrální úkoly při nízké úrovni osvětlení. V této věci profesor Mark Rea z Rensselaer Polytechnic Institute napsal „tam, kde je důležitý vizuální tok pro provedení úlohy, použití spektrálního rozložení světelného výkonu přiřazené k příslušné mezopické spektrální citlivosti povede k lepším výsledkům úlohy, než pro spektrum, které je více-méně vyrovnané“.

Jak velké jsou mezopické efekty? Jsou jasné a přesvědčivé důkazy o tom, že spektrální účinky mohou mít značný dopad na noční jízdu. Navíc, tyto účinky jsou nejvýznamnější v podmínkách, kdy viditelnost může být ta nejhorší, při slabém světelné úrovni, v situaci při necentrálním, periferním vidění, které svou povahou představují nejtěžší podmínky pro odhalení nebezpečí. Nyní se můžeme ptát, co se týče praktických světelných zdrojů, jak velké jsou tyto účinky. Při srovnání metalhalidových výbojek se sodíkovými výbojkami bychom měli vědět, jaký koeficient by měl být aplikován při korekci lumenů těchto zdrojů tak, aby byly zajištěny stejné vizuální podmínky? Bohužel neexistuje jednoznačná odpověď. Jakýkoliv násobící koeficient bude záviset na umístění daného úkolu, povaze úkolu a úroveň osvětlení v oblasti zájmu, kromě dalších faktorů. Existuje tedy řada modifikátorů lumenů, které jsou závislé na úhlu pohledu podmínek. Naštěstí, výzkum dává k dispozici umožnit širokou kvantifikaci dopadů, které, pokud jsou používány konzervativně, by měly poskytovat přiměřené a obhajitelné závěry. Po vyhodnocení výsledků realistické úlohy Dr. Lewise, obr. 11, můžeme vytvořit závěry o účinnosti různých druhů světelných zdrojů za podmínek testu. Pro zakreslenou svislou zelenou přímku pro 1 cd/m2 a pro vysokotlakou sodíkovou výbojku zjistíme velikost reakční doby cca 800 ms. Pro stejnou reakční dobu však zjistíme, že pro metalhalidovou výbojku stačí jen 0,17 cd/m2. To znamená, že za těchto zkušebních podmínek, 0,17 cd/m² u halogenidové výbojky světla dává stejných 800 ms reakční doby, jako 1,0 cd/m² u vysokotlaké sodíkové výbojky. Takže halogenidové výbojky jsou za těchto podmínek 6 krát (1,0 děleno 0,17) účinnější než vysokotlaké sodíkové výbojky.

Obrázek 11. Stanovení efektivní úrovně pro metalhalidovou výbojku.

Jiní badatelé přinesli výsledky, které jsou méně dramatické. Další však ukázali ještě větší rozdíly. Zdá se proto, že účinky jsou závislé na tom, za jakých zkušebních podmínek jsou výsledky získány, protože je zde vliv mnoha proměnných. Profesor Werner Adrian analyzoval data z Lewisových výzkumů a základního výzkum dalších lidí o vlivu jasu na mezopickou odezvu.6 He logicky vyvozuje, že Lewisovy výsledky bylo možné očekávat, na základě známých vlastností mezopické vizuální citlivostní funkce. Výpočty založené na této funkci v obecné podobě korelují s lewisovými experimentálními výsledky, i když se zdá, že jejich plný dopad podceňují..

9

Dr. Mark Rea a jeho kolegové získali konzervativnější data při aplikaci na osvětlení parkoviště a studovali ekonomičnost výběru světelného zdroje.16 Pro systém dávající průměrný jas 0,1 cd/m² odhadují, že počet 400-wattových svítidel s vysokotlakou sodíkovou výbojkou HPS musí být o 50% vyšší než počet 400-wattových svítidel užívajících metalhalidových výbojek pro stejné vnímání jasu. He a jeho spolupracovníci prezentují výsledky pro reakční dobu pro případy, kdy se zkoumají vlivy pro mírně necentrální vidění.7 Výsledky ukazují, že například doba reakce pro vysokotlaké sodíkové výbojky HPS při úrovni osvětlení 0,1 cd/m² může být stejná při osvětlení pomocí metalhalidových výbojek při úrovni osvětlení 0,05cd/m². To znamená, že pro vysokotlaké sodíkové výbojky HPS je třeba dvojnásobné úrovně osvětlení, než pro osvětlení pomocí metalhalidových výbojek. Nejdramatičtější zveřejněná data jsou vzdálena od výsledků Dr. Lewise. Nezáleží však na tom, které výsledky výzkumu jsou posuzovány, nicméně je zřejmé, že jsou zde zjištěny významné faktory.

Jaké jsou efektivní lumeny pro praktické světelné zdroje? Co tyto výsledky výzkumu znamenají v praxi? Jak tato data může použít projektant? Na tyto otázky lze odpovědět tak, že musíme hodnotit osvětlení pomocí tzv. „efektivního lumenu“ a použít jej při výpočtech. Autor navrhuje využití „Lumen Effectiveness Multipliers”, LEM – efektivních lumenů. Hodnoty efektivních lumenů lze určit takto: Počet efektivních lumenů = Uváděný počet lumenů svítidla × LEM To je jednoduchý způsob pro návrh venkovního osvětlení, kde se počítá s efektivními lumeny.

Lumen Effectiveness Multipliers - LEM Viděli jsme, že výsledný počet lumenů svítidla se vypočítá vynásobením naměřené energie pro každou vlnovou délku fotopickou citlivostí oka pro tuto vlnovou délku, a násleným součtem těchto součinů. Stejným způsobem mohou být účinné lumeny počítány s použitím jiné citlivostní křivky oka, která je použitelná pro mezopické vidění. Problémem přitom však je, že existuje nespočet mesopických křivek vidění v závislosti na úrovni osvětlení a zkušebních podmínkách. Profesorem Adrianem udávané hodnoty jsou odvozeny z jasu dle testů používaných k určení takové doplňkové mezopické křivky pro danou podmínku. Tyto zkoušky nezahrnovaly reakční doby nebo detekci pohybu, to znamená, že testy nebyly založené na vizuální výkonnosti subjektů v reálném nebo simulovaném prostředí jízdy. Práce Dr. Lewise a Dr. Rea více napodobují realistické reakce, s jakými se řidič může setkat, tj. použití zkušebních metod, které hodnotí vizuální vjem. Pokud jsou grafy pro realistický vizuální k dispozici, můžeme multiplikátor LEM odvodit, jak je popsáno výše, pomocí obr. 11.

10

Empirická data udávaná Dr. Adrianem se zdají být velmi konzervativní, a to zejména ve srovnání s mnohem většími multiplikátory, vyvinutými Dr. Lewisem pomocí experimentů s reakční dobou. V této fázi vývoje, avšak podmíněně, je možná rozumné použít konzervativní hodnoty. Hodnoty LEM (Lumen Effectiveness Multiplier) uvedené v tabulce 1 jsou získány na základě hodnot, uváděných Dr. Adrianem. Jak výzkum pokračuje, a je více známo o úkolech při noční jízdě, tyto hodnoty mohou být revidovány a výsledky výzkumu založené na nových vizuální datech mohou tyto hodnoty změnit. Důkazy nasvědčují tomu, že v budoucnu bude odůvodněné použít možná podstatně větší multiplikátory u metalhalidových výbojek a že nižší hodnoty musí být použity u nízkotlakých sodíkových výbojek. Hodnoty LEM jsou zásadně srovnávací pro dva různé světelné zdroje a proto musí existovat základní případ pro srovnání. Vysokotlaká sodíková výbojka HPS je nejčastější moderní venkovní zdroj světla. Je obecně uznáváno, že osvětlení bude splňovat určité specifikace a splní záměr těchto specifikací, pokud je použito HPS. Je proto logické použít HPS jako náš srovnávací základ. Hodnoty LEM uvedené v tabulce 1 jsou multiplikátory, které zohledňují účinnost daného světelného zdroje ve srovnání s vysokotlakou sodíkovou výbojkou HPS pro stejné úrovně osvětlení. (Předpokládá se, že tyto jasové úrovně byly vypočteny normálním způsobem, s použitím fotopických lumenů).

Tabulka 1 Hodnoty LEM (Lumen Effectiveness Multipliers) Vztaženo k vysokotlaké sodíkové výbojce, HPS (Vysokotlaká sodíková výbojka (HPS) = 1,00) Jas (cd/m2)

0,001

0,01

0,1

1

3

10

Metalhalidová výbojka

2,25

2,11

1,82

1,35

1,13

1,00

Vysokotlaká sodíková výbojka

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

1,00

Nízkotlaká sodíková výbojka

0,47

0,51

0,78

0,82

0,95

1,00

Prohlédneme-li si tabulku 1, můžeme vidět, že pro vysoké úrovně osvětlení 10 cd/m2, vyšší než jsou běžné pro osvětlování vozovky, má LEM hodnotu 1,0 pro všechny světelné zdroje. To je jak by se dalo čekat, protože se nejedná o mezopické pomínky. Když jsou hodnoty osvětlení nižší, metalhalidová výbojka vykazuje hodnoty LEM vyšší než 1,0. Podle naší definice LEM pro vysokotlaké sodíkové výbojky zůstává na hodnotě 1,0. Například na úrovni jasu 0,1 cd/m² je hodnota LEM pro metalhalidovou výbojku LEM = 1,82. Takže metalhalidová výbojka je o 82% účinnější než vysokotlaká sodíková výbojka za podmínek, za nichž byla odvozena data. Nízkotlaká sodíková výbojka má ekvivalentní hodnotu LEM = 0,78, a je tedy o 22% méně efektivní než vysokotlaká sodíková výbojka, Pro nižší úrovně jasu se mění hodnoty LEM více. Obtížnost spočívá ve výběru hodnoty LEM k použití. Pokud se projektant zabývá přímo centrálním, osovými úlohami, nebo je zdrojem světla vysokotlaká sodíková výbojka, zvolená hodnota LEM by měla být 1,0. Pokud projektant řeší úkoly, kde je odchylka několik stupňů od centrálního pohledu a nebo je důležité periferní vidění, pak podle úrovně jasu, by měla být vybrána hodnota LEM pro příslušné zdroje světla podle tabulky 1. Při výběru úrovně jasu pomocí průměrného jasu na povrchu vozovky je pravděpodobně tabulka neplatná. Na okrajích periferní úlohy jas na okrajích má nižší hodnotu než na vozovce. Má-li vozovka průměrně 1 cd/m2 , pak periferní oblasti, osvětlené rozptylem světla mohou mít jas asi 0,1 cd/m². Ve skutečnosti tmavé plochy s velmi nízkou úrovní osvětlení jsou zahrnuty při určení LEM pro metalhalidovou výbojku. Je nutné hodně diskutovat, která úroveň jasu by měla být vybrána jako vhodná pro dané podmínky. Pokud by měly být použity údaje Dr. Lewise, měly by být hodnoty LEM pro metalhalidovou výbojku v tabulce 1 mnohem vyšší. Jeho práce prokázala, že při 0,1 cd/m2 ve srovnání s metalhalidovou výbojkou by mělo být třeba 8-krát více světelného výkonu pro vysokotlakou sodíkovou výbojku HPS nebo 15-krát více pro nízkotlakou sodíkovou výbojku LPS.5 Jak již bylo řečeno, dalo by se tomu věřit, protože Lewis zkoumal reálné úlohy, týkající se reakce, zatímco Adrianova práce je založena na odvození z odpovídajícího vnímaného jasu.

11

Závěr Je vidět, že je k dispozici velké množství cenných informací, z nichž většina může být používána v současnosti v praxi světelných návrhů. To neznamená, že informace a návrhy tak, jak jsou prezentovány, by měly být v každém případě ideální. Zde je třeba udělat ještě hodně další práce. V souhrnu můžeme vyvodit řadu závěrů: Noční vidění za podmínek osvětlení na vozovce je mezopické. Efekty jsou silné mimo oblast 2° centrálního pole. Necentrální, periferní vidění je rozhodující při řízení v nočních hodinách a souvisí s výskytem nehod. Lumeny udávané výrobci světelných zdrojů se nevztahují na mezopické podmínky. Zařazení vlivu pro tyto účinky může být řešeno pomocí multiplikátoru „Lumen Effectiveness Multipliers“ LEM jako opravy udávaných lumenů svítidla. Výsledky výzkumů pro metalhalidové výbojky silně souvisí s testovou situací. Pokud jednoduše srovnáváme při stejných úrovních jasu různé světelné zdroje, ukazuje se, že metalhalidová výbojka může být o 10 až 100% účinnější, než vysokotlaká sodíková výbojka HPS. Tam, kde se jedná o periferní detekci a reakci, může být metalhalidová výbojka 6-krát účinnější než vysokotlaká sodíková výbojka HPS (nebo dokonce i vícekrát). Nové výzkumy týkající se pohybu a detekce mohou ukazovat na stále větší vliv těchto efektů. Protože toto téma je složité, neměli bychom to brát jako důvod, aby se zabránilo těmto skutečnostem. Lidské životy jsou v sázce za jízdní situace v noci. Jako profesionálové musíme získat co nejvíce dalších informací a použít to, co už víme. Pravděpodobným Zvýšená bezpečnost je očekávaným výsledkem.

12

Reference 1.

Recommended Practice for Roadway Lighting RP8-1998. Roadway Lighting Committee of the Illuminating Engineering Society of North America. IESNA, New York. Under public review by the American National Standards Institute, ANSI.

2.

Lewin, Ian. "On the Road Again." Lighting Design and Application. May 1996. Illuminating Engineering Society of North America, New York.

3.

IES Handbook, all editions. Illuminating Engineering Society of North America, IESNA, New York.

4.

"Light as a True Visual Quantity: Principles of Measurement." Commission Internationale de l'Eclairage, CIE publication no. 41, 1978. Vienna, Austria.

5.

Lewis, Alan, "Visual Performance as a Function of Spectral Power Distribution of Light Sources at Luminances Used for General Outdoor Lighting." Journal of the Illuminating Engineering Society of North America. Winter 1999, Vol. 28, no. 1. IESNA, New York

6.

Adrian, Werner. "A Method to Predict Visual Functions and Visual Performance in Mesopic Light Levels." Proceedings of the 4th International Lighting Research Symposium, Orlando, Florida. Lighting Research Office of the Electric Power Research Institute. May 1998

7.

He, Y.; Rea, M.; Bierman, A.; Bullough, J. "Evaluating Light Source Efficacy under Mesopic Conditions Using Reaction Times." Journal of the Illuminating Engineering Society, Winter 1997, Vol. 26, no. 1. IESNA, New York.

8.

Rea, M. "A Proposed System of Photometry in the Mesopic Region." Proceedings of the 4th International Lighting Research Symposium, Orlando, Florida. Lighting Research Office of the Electric Power Research Institute. May 1998.

9.

Bierman, A.; He, Y.; Rea, M. "Visual Reaction Times: Method for Measuring Small Differences." International Journal of Lighting Research and Technology, Vol. 30, no. 4, 1998. Chartered Institution of Building Services Engineers, London, UK

10.

Rea, Mark; Boyce, Peter. "Different Sources for Different Courses under Mesopic Lighting Levels." Proceedings of the 4th International Lighting Research Symposium, Orlando, Florida. Lighting Research Office of the Electric Power Research Institute. May 1998

11.

Rea, M.; Bierman, A.; McGowan, T.; and Havard, J. "A Field Test Comparing the effectiveness of Metal Halide and High Pressure Sodium Illuminants under Mesopic Conditions." Proceedings of the NPL-CIE-UK Conference, Visual Scales: Photometric and Colorimetric Scales. Teddington, UK, March 1997

12.

Rumar, K. "The Basic Driving Error: Late Detection." Ergonomics, 33, 1281-1290, 1990.

13.

Berthelon, C.; Mestre, D. "Curvilinear Approach to an Intersection and Visual Detection of Collision." Human Factors, 35, 521-534, 1993.

14.

Crowell, J. A.; Banks, M. S. "Perceiving Heading with Different Retinal Regions and Types of Optic Flow." Perception and Psychophysics, 53, 325-337, 1993.

15.

Simonson, K. "Mesopic Driving Simulator: Experimental Design." Lighting Research Center, Troy, New York 1998

16.

Rea, M. "The Color of Money: The Most Effective Light Source at Night." Presentation to the Annual Technical Conference of the Illuminating Engineering Society of North America. New Orleans. August 1999

White3.12-1-99

13

Poznámky na okraj Osvětlenost, jas a jednotky Jedna věc je jistá, pokud jsou projednávány otázky osvětlení: Bude zmatek v jednotkách. Nicméně, toto téma není příliš složité: Osvětlenost, intenzita osvětlení (Illuminance). Je to veličina udávající, kolik světelného toku dopadne na plochu; je to údaj pro tradiční návrhové metody a měření osvětlení. Jednotky osvětlenosti jsou: Footcandle (anglická) = 1 lumen na čtvereční stopu Lux (metrická) = 1 lumen na čtvereční metr Jas (Luminance). Je to světelné množství, odražené od plochy. Oči vidí toto odražené světlo a je to proto lepší údaj pr měření úrovně osvětlení, než osvětlenost. Většina osvětlovacích systémů vozovek, hlavně v Evropě, je navrhována na základě jasu. Jednotkou pro měření jasu je kandela na metr čtvereční (cd/m2) [tato jednotka je také známá jako nit v soustavě SI] Jednotka footcandle, kandela na čtvereční stopu, se většinou nepoužívá. Jaký je vztah mezi osvětleností (Illuminance) a jasem (Luminance)? Výše jasu na povrchu vozovky je závislá na světle dopadajícím na vozovku, tj. na jeho osvětlenosti, a na odrazivosti povrchu vozovky. Různé materiály vozovek mají různé odrazivosti. Tato odrazivost není stejná, světlo se odráží v některých směrech více než v jiných, protože na povrchu jsou různé stupně lesku. Protože je mnoho faktorů, které mají vliv na úroveň jasu vozovky, neexistuje žádný jednoduchý poměr mezi průměrnou svítivostí a průměrným osvětlením na vozovce. Osvětlení jedné footcandle (asi 10 luxů), obvykle může produkovat jas mezi 0,3 cd/m² a 0,8 cd/ m², v závislosti na geometrii osvětlení, typu svítidla, velikosti a tvaru osvětlené plochy, a na typu dlažby.

14