IES Paper no. 50
Zvýšení světelné účinnosti pro návrh venkovního osvětlení Ian Lewin, Ph.D., FIES, L.C. Lighting Sciences Inc. 7830 East Evans Road Scottsdale, Arizona 85260 Telephone: 480-991-9260 Fax: 480-991-0375 Úvod Snad jedním z nejvíce fascinujících a nejdůležitějších témat řešených v posledních letech v našem průmyslu je vliv rozložení spektra svítidla na viditelnost. Do nedávna byl obecně přijímám názor, že prakticky ve všech případech aplikace umělého osvětlení lze při výpočtu úrovně osvětlení ignorovat vliv spektrálního rozložení zdroje světla. IESNA a CIE doporučují pro výpočet úrovně osvětlení neuvažovat vliv barvy světla zdroje. Při realizaci výpočtu úrovně osvětlení pro konkrétní situace jsou výsledky dány použitím křivky svítivosti uváděné výrobcem. Vypočtené hodnoty v kandelách, luxech nebo kandelách na m2 nejsou závislé na tom, zda je světelný zdroj zdrojem bílého namodralého světla, růžového světla nebo žlutého světla. Pokud studujeme literaturu CIE a IES, zjistíme, že vědci si jsou již delší dobu vědomi toho, že barva světla generovaného světelným zdrojem je velmi důležitá: Světelné zdroje s rozdílným spektrálním rozložením mají dramaticky odlišné vnímání jasu, i když jejich svítivosti (měřené tradičními přístroji) jsou identické. CIE report č. 41, publikovaný v roce 1978, "Light as a True Visual Quantity", uvádí příklad, kdy plocha osvětlená rtuťovou výbojkou může mít skutečný jas osvětlení dvojnásobný ve srovnání se sodíkovou výbojkou se stejnou svítivostí.1 Pokud jde o vidění za zhoršených světelných úrovní, CIE report také uvádí "pokud budeme používat běžný přístroj pro měření osvětlení, namodralé světlo bude jasnější a účinnější pro vidění, zatímco nažloutlé a načervenalé světlo budou nadhodnoceny“. IES uznává, že existuje potenciální účinek spektrálního rozložení výkonu10. Almanach Národní rady pro výzkum v Kanadě v roce 1977, v IES Journal paper, posuzoval nedostatky našeho stávajícího systému fotometrie.14 I když byla konstatována jeho komparativní jednoduchost, dodává komentář "pohodlný, ale nesprávný systém není výhodný.“ Výzkumy a publikace, které naznačují, že je důležité uvažovat spektrální rozložení, byly k dispozici po mnoho let. Je to nicméně teprve nedávno, že při osvětlení v průmyslu se začaly brát na vědomí tyto efekty, a vznikl seriózní zájem řešit tyto problémy. Je také třeba si uvědomit, že mohou existovat značné výhody, které plynou z korekce našich dosavadních postupů.
1
Definice světla Z důvodů, které jsou pravděpodobně historické, je světlo definováno a hodnoceno z hlediska vizuálního vnímání, které způsobuje.1,2 To je přinejmenším cílem naší definice světla. Ze všech fyzikální vlastností je světlo jedinečné v tom, že jeho definice obsahuje lidskou reakci. To je tak trochu, jako definovat kilogram (nebo libru) tím, jak těžký se objekt jeví. Představte si obtíže, pokud by hmotnost byla stanovována tímto způsobem, ale při definování světla jsme odpovídající potíže zavedli. Základní definice světla, jak je popsáno v CIE a jak se běžně používá, je velmi jednoduchá a lze ji shrnout takto: Lumeny = Power (). V() K je konstanta používaná pro přepočet jednotek. V() je mezinárodní standard CIE reprezentující křivku spektrální citlivosti lidského oka za určitých podmínek.2 Postup určování světelného toku svítidla je redukován na měření jeho výkonu ve stanovených malých intervalech ( viditelných vlnových délek světla, násobenému pro každou vlnovou délku příslušnou hodnotou spektrální citlivosti oka V(). Výsledný světelný tok je dán jako součet těchto součinů. Bohužel, tento postup představuje hrubé zjednodušení lidského vidění. Křivka spektrální citlivosti lidského oka V() byla stanovena pro světlo dopadající na střed žluté skvrny sítnice (centrální jamka, fovea) pro centrální pole vidění 2(+ 1) a pro relativně vysoké (fotopické) světelné úrovně. Jestliže se sleduje vizuální vjem mimo osu vidění a nízké úrovně osvětlení, nelze funkci V() aplikovat. Pro takové podmínky je proto základní definice lumenu zavádějící v nejlepším, a neplatná v nejhorším případě. Pokud je světlo hodnocené z hlediska schopnosti produkovat vizuální vjem, ale metoda nebo funkce pro výpočet množství světla je nepoužitelná pro aktuální okolnosti, pak hodnota lumenů toku takto vypočtená je chybná. Samozřejmě, můžeme říci, že tomu tak není, protože podle definice je V() funkce pro výpočet lumenů, která je mezinárodní akceptována.2 Proto, pokud V() je používána, tedy podle definice, hodnota lumenů takto vypočtená musí být správná. Pak musíme ale přiznat, že pro podmínky, jako je vidění mimo osu a nízká úroveň osvětlení, ve skutečnosti nehodnotíme správně světlo, pokud jde o jeho vizuální vjem. Tato obtížná situace je potvrzena CIE, který poskytuje značné podrobnosti o nedostatcích křivky V() a shrnuje podmínky, za kterých je její použití je nevhodné.1, 3 Další funkce, V'(), je standardizovaná a je užitečná pro popis spektrální odezvy oka za nízkých světelných úrovní (skotopických podmínek). Poskytuje tak metodu výpočtu skotopických lumenů. Bohužel, za nočního osvětlení je úroveň osvětlení jen zřídka, pokud vůbec někdy, dostatečně nízká, aby se jednalo o skotopické vidění. Vozovky a bezpečnostní osvětlení jsou téměř vždy osvětleny v oblasti mezopického vidění, v oblasti mezi fotopickým a skotopickým.4 CIE neprokázala mezopickou reakci pro oko, i když toto téma je hodnoceno již dlouho.3 Zdá se, že i většina průmyslového osvětlení je vyhodnocována za podmínek, které jsou nesprávné. Tak bude podceňován skutečný výkon některých světelných zdrojů, přičemž to může být více než je odhadováno, a to možná do značné míry. 2
Důležitou otázkou je, co udělat k nápravě této situace? Samozřejmě (fotopické) lumeny jsou dobře zavedeny v každé literatuře o osvětlení. Rozhodně v brzké době nevymizí. Skutečně jsou velmi užitečné pro vyhodnocení množství světla, ale měly by být použity pouze pro podmínky, na které se vztahuje jejich definice. Co je nyní potřebné - metoda pro rozšíření principů fotometrie a definice velikosti osvětlení pro jiné podmínky osvětlení, kde se mají výpočty provádět. Tento dokument navrhuje metody k dosažení tohoto cíle, určené pro posouzení příslušnými výbory. Ostatní výzkumy Výše uvedený zásadní problém není žádná nová informace. Jak již bylo uvedeno, je již dlouho známo, že křivka citlivosti oka V() je nepoužitelná pro nízké úrovně světla, pokud je hodnocen pohled mimo osu vidění. Informace tuto situaci dramatizuje, protože výzkum dokázal, že se tato situace vyskytuje často v praxi. Výzkum ukázal, že změny ve vizuálním vjemu na základě odlišné spektrální distribuce mohou být mnohem větší, než vysvětluje tradiční teorie. Jak se úroveň osvětlení snižuje z fotopické na skotopickou, nastane dobře známý Purkyňův jev – vrchol spektrální citlivosti oka se posune od žluté na modro-zelenou barvu, viz obrázek 1. Křivka fotopické odezvy je obecně vztažena na reprezentativní výběr receptorů – čípků, které jsou soustředěny především na ose oka a jsou aktivní pro vysoké úrovně osvětlení. Skotopická křivka znázorňuje odezvu tyčinek vztaženou převážně mimo osu vidění a pro nízké úrovně osvětlení. Obrázek 1. Fotopická V() a skotopická V'() citlivost oka, se srovnáním pro spektrální čáry 436 a 589 nm.
Pro ilustraci je to znázorněno pro vlnové délky 436 nm a 589 nm na obrázku 1. 436 nm odpovídá nejsilnější emisi rtuťové výbojky a silné čáře halogenidové výbojky, zatímco 589 nm je oblast maxima pro sodíkovou výbojku. Citlivost tyčinek na rtuťovou výbojku je ve skutečnosti mnohem větší, než znázorňuje křivka V(). Naopak, tyčinková citlivost pro sodíkovou výbojku je jen zlomek toho, co znázorňuje křivka V(). Je-li tyčinkové vidění ignorováno při vyhodnocování lumenů pro tyto vlnové délky, budou takto stanovené lumeny pro tyčinkové vidění určeny s hrubou chybou. Tato úloha je však běžná pro noční vidění. 3
V mezopickém rozsahu, zhruba od 0,001 cd/m2 do 3 cd/m2 je citlivost rozlišení oka při vidění mimo osu mezi fotopickým a skotopickým viděním. Mezopická citlivost je zjištěna, I když není standardizována, pro různé úrovně mezopického osvětlení3. Jedná se však o nesmírně složitý problém, protože funkce jsou závislé na mnoha proměnných, včetně techniky použité k výzkumu a na způsobu odvození. Přesto jsou tyto funkce užitečné, ale mohou být použity pouze jako aproximace prvního řádu. CIE pokračuje ve snaze vytvořit komplexní model oka a jeho reakce v mezopickém rozsahu. (CIE výbor 1-37). Částí této práce byl vývoj pojmu "ekvivalentní lumenů," jehož cílem je hodnocení na základě předložených zdrojů, zkoumaných za mezopických podmínek. Výzkum vedoucí k tomuto pojetí používá experimenty především s technikami jasu mezi různými světelnými zdroji. Použitím zjištěné funkce, odpovídající příslušným lumenům zdroje, by mohly být stanoveny jejich hodnoty ze spektrálního rozložení výkonu světelného zdroje pro každou úroveň jasu, včetně mezopického rozsahu, avšak pouze pro odpovídající jas. Adrian vypočítal ekvivalentní lumeny pro několik typů světelných zdrojů pomocí této funkce, lépe než ve křivce V(l).5 Není divu, že množství lumenů vypočtené podle této metody se liší od "normálních" lumenů za mezopických podmínek (jasy méně než 3 cd/m2). Vzhledem k tomu se produkce těchto ekvivalentních lumenů zmenší pro žluté zdroje, zatímco bílé zdroje, nebo ty zdroje, které více silně podávají modrou a zelenou, budou vykazovat zvýšenou produkci ekvivalentních lumenů. Například v nízkých mezopických hladinách jasu, výstup halogenidových výbojek s bílým světlem dává zhruba dvojnásobný počet ekvivalentních lumenů proti vysokotlaké sodíkové výbojce (ve srovnání s „normálními“ lumeny). Je však třeba zdůraznit, že tyto výsledky jsou založeny hlavně na experimentech, zahrnujících centrální vidění i vidění mimo osu oka. Junjian He a jeho kolegové také řeší problém mezopické funkce.6 Nicméně, jejich práce která řeší vidění v ose oka i mimo osu nezahrnuje odpovídající jas. Jejich práce je zaměřena spíše na stanovení reakční doby pro různé světelné zdroje s různým jasem. Jsou to tedy funkce, které jsou reprezentativní pro vizuální výkon, ne odpovídající jas, a mají proto větší význam pro úlohy řízení vozidel. Lewis zkoumal spektrální efekty pomocí různých metod, zabýval se i vizuálním testováním výkonu pozorovatele zkoumáním jeho reakční doby.7, 8 Pozorovatelé identifikovali potenciální nebezpečí, vyskytující se mírně mimo osu vidění, čímž simulovali jízdní podmínky za použití komerčně dostupných zdrojů světla. Některé z Lewisových výsledků jsou znázorněny na obrázku 2. Měření bylo prováděno při hladině 1 cd/m2. Pro tyto konkrétní podmínky a za použití vysokotlaké sodíkové výbojky, je reakční doba pozorovatele přibližně 800 milisekund. K dosažení stejné reakční doby při použití halogenidového zdroje křivky ukazují, že je nezbytná hladina 0,17 cd/m2. Poměr účinností těchto dvou zdrojů je tedy 6:1 pro tyto konkrétní experimentální podmínky. (1,0/0,17). To je mnohem více, než předpovídaly empirické analýzy Adriana, nebo podobná analýza dat, která zjistil He.
4
Obrázek 2. Data o reakčních dobách pro realistickou úlohu podle Lewise. Bullough a Rea provedli experimenty, které používají trenažéru, kde byl pozorovateli řešen úkol reakce pro vidění mimo osu.9 Procenta nepřijatých vjemů byla zaznamenána. Ty ukázaly, že halogenidová výbojka jako světelný zdroj může mít účinnost 30 krát větší, než vysokotlaká sodíková výbojka, při srovnání založeném na stejných fotopických hladinách osvětlení .9 Tento výsledek byl zjištěn pro necentrální vidění a hladinu jasu 0,1 cd/m2. Je zřejmé, že závěry jsou značně rozdílné. Empirická data získaná na základě jasu dle mezopické křivky odezvy oka, které používá Adrian, nevysvětlují velký rozdíl vjemů u modrého / zeleného zdroje podle údajů Lewise, Bullougha a jejich kolegů. Kromě toho existují rozdíly ve výsledcích Lewise a Bullougha. Věc se zdá být mnohem komplexnější, než by bylo očekáváno. Vysvětlení pro tyto zjevné rozdíly se zdá být dvojí. Za prvé, techniky používané ke stanovení všech různých funkcí citlivosti oka popsané ve zprávě CIE jsou založeny buď na nějaké vhodné hladině jasu nebo fotometrii při blikání „flicker photometry“.3 Experimenty Lewise a Bullougha a jejich spolupracovníků jsou však založeny na skutečných měřeních realistického vnímání. Problém je v tom: Shodný jas není dobrý prediktor viditelnosti a vizuálního výkonu. Empirické studie jsou založené na údajích, které byly odvozeny ze srovnávací metody jasu „brightness matching”, proto by neměl být rozdíl v praktických úkolech, vyplývající z rozdílů ve spektrálním rozložení světelného zdroje. Adrian zkoumal korelaci pro jeho vypočtená data s experimentálními daty od Lewise.5 Zjistil, že obě skupiny údajů jsou obecně podobné, ale korelace velikosti efektu nebyla prokázána. Srovnání je diskutován v dodatku A. Autorovým názorem je, že data a funkce shrnuté v reportu CIE3 jsou důležitým ukazatelem jako podklady, ale v praktických situacích, zahrnujících vizuální výkon při necentrálním pohledu, mohou 5
být značně podceněna velikost spektrálních vlivů. Rozdíly experimentálních výsledků Lewise a Bullougha mohou mít i další vysvětlení: Velikost spektrálního efektu na zrakový vjem velmi závisí na povaze úkolu. To je dáno více faktory: Pokud je vizuální úloha pro centrální vidění, kde je vjem zprostředkován čípky, rozdíly ve vizuálním vjemu pro různé úrovně osvětlení lze vysvětlit „normálními” fotopickými lumeny. Při nízké úrovni osvětlení může stupeň odchylky do necentrálního vidění ovlivnit vizuální vjem. Nejen že je podíl hustoty tyčinek a čípků zvětšován při odchylce od centrálního vidění, ale klesá i prostorové rozlišení. Vizuální výkon a účinky spojené se spektrálním rozložením jsou tedy částečně závislé na umístění úkolu. Jestliže se úloha týká necentrálního vidění, a to při nízké úrovni osvětlení, je snadné ji řešit, snad protože je vysoký kontrast a není vizuální nepořádek, a při vidění je vysoký poměr „signál/šum“. Zlepšení vizuálního výkonu v důsledku příznivější spektrální rozložení proto může být pouze menší, tj. úloha je již dobře viditelná bez ohledu na to jaké je aktuální spektrální rozložení světla. Naopak úkol může být obtížný při osvětlení v okolí prahové hodnoty vidění, kdy zlepšení vizuálního vjemu je velké, když se spektrální rozložení změní z převážně žluté na modrou /zelenou nebo čistě bílou. Rozeznání pohybu nebo změny podmínek je nejvíce usnadněno tyčinkami, ležícími v oblasti necentrálního pohledu. Úkoly týkající se rozpoznání pohybu nebo změn lépe využijí spektrální složení světla vhodné pro tyčinky, na rozdíl od statických a ustálených stavů. Z těchto i dalších důvodů bychom neměli očekávat, že žádné dva různé soubory experimentálních podmínek nepovedou k podobným výsledkům o tom, jak je výkon úlohy ovlivněn spektrem svítidla. Tyto vlivy jsou významné a je jich mnoho. Vzhledem k tomu za specifických podmínek experimentu mohou spektrální vlivy zapříčinit téměř shodné, nebo naopak značně odlišné výsledky. Aplikace údajů pro návrh osvětlení Je zřejmé, že neexistuje jediné číslo, které lze použít pro určení počtu lumenů svítidla, nebo jiná veličina, které by řádně popsaly všechny různé účinky svítidla a vlivy spektrálního rozložení jeho světla. Co se zdá být potřebné je faktor, nebo řada faktorů, který umožňuje, aby tyto účinky mohly být vzaty v úvahu během procesu návrhu v rozumné a praktické míře. Musíme mít techniku, která není příliš zatěžující, což je pochopitelné, a která je relativně snadné pro projektanta, aby ji zahrnul do statických výpočtů. Pokud tak neučiníme, nebude použita. (Dostupnost publikovaných výzkumů na toto téma za 20 let, aniž by bylo použito v nějaké významné míře, jak se zdá, potvrzuje tuto úvahu.) Autor navrhuje využití „Lumen Effectiveness Multipliers”, LEM – efektivních lumenů. Hodnota LEM může být určena postupy, jak je dále uvedeno, a může být použita velmi jednoduchým způsobem. LEM je faktorem, který umožňuje převést "normální" fotopické, pro svítidlo publikované lumeny, na „efektivní lumeny“ pro konkrétní světelný návrh. Efektivní lumeny budou lépe reprezentovat nějakou smysluplnou míru vizuálních podmínek. 6
Efektivní Lumeny = Fototopické Lumeny × Lumen Effectiveness Multiplier, LEM Jakýkoli výpočet, založený na určení počtu lumenů svítidla bude obsahovat vybrané hodnoty LEM, kterými se zvýší nebo sníží výpočtové lumeny. Uplatňování LEM je podobné například použití činitele snížení (udržovací činitel, light loss factor). 10 Jakmile byla vybrána hodnota LEM, postup výpočtu zůstává jednoduchý a srozumitelný. Různé jiné faktory, poměry, indexy, ... byly navrhovány dalšími autory.5, 7, 8, 13 Pro srovnání, LEM má výhodu v jednoduchém použití při metodice návrhu způsobem, který bude snadno srozumitelný pro projektanty osvětlení. Jsou důležité dva body: 1. Není jediná hodnota LEM. Musí být vybrána na základě platných podmínek, jak je popsáno dále. Pro centrální pohled její hodnota bude 1,0, zatímco pro některé úlohy pro periferní vidění může být její hodnota velká. 2. LEM je relativní hodnota. Křivka V() a jiné podobné funkce pro vidění jsou relativní. To odstraňuje značné složitosti a účinky mnoha vizuálních faktorů, které by bylo třeba zvážit, pokud by byly použity absolutní hodnoty. LEM je jednoduše definována a používá se jako poměr účinnosti mezi dvěma spektrálními rozloženími, pro zvolené podmínky. Můžeme vyjádřit: LEM=
Vizuální účinnost světelného zdroje Vizuální účinnost standardního světelného zdroje
Vyjádření pomocí poměru, jako je toto, kde jsou výsledné efekty ve srovnání se standardním zdrojem světla, je zcela běžné. Například při použití indexu barevného podání CRI je použito stejného principu.10 S CRI, může být zvolen standardní zdroj světla se žárovkami nebo denního světla. U CRI je zvolen standardní zdroj světla se žárovkou nebo denní světlo. Budoucí uplatnění LEM, pokud bude přijato, bude pravděpodobně především u venkovního osvětlení, pravděpodobně zpočátku u pouličního osvětlení. Zdaleka nejčastějším zdrojem v takových aplikacích je vysokotlaká sodíková výbojka HPS. Navrhuje se proto založit LEM na HPS jako standardu. LEM=
Vizuální účinnost světelného zdroje Vizuální účinnost vysokotlaké sodíkové výbojky
Při definování LEM tímto způsobem se jeho použití stává ještě jednodušší. Pro projekty osvětlení s využitím vysokotlaké sodíkové výbojky LEM = 1,0, a není nutné použít ve výpočtech žádný faktor. Předpokládejme, že pro určité zdroje světla, možná bílé nebo modro-zelené, bylo prokázáno výzkumem, že mají o 50% vyšší účinnost (podle platných podmínek) než HPS. Pak pro tyto podmínky, LEM = 1,50. Projektant může do výpočtů začlenit faktor 1,50. Je třeba poznamenat, že výběr HPS jako referenčního standardu je libovolný, ale zdá se logický na specifikace pro typické venkovní osvětlení. Pro ostatní aplikace, pokud v budoucnu zjistíme, že je žádoucí používání LEM, například při osvětlování vnitřních prostor, kde se mohou vyskytnout 7
odlišné druhy spektrálních efektů je metodika popsána. 14,15,16,17 Pak může být vhodný jiný referenční standard. S ohledem na tuto skutečnost, bychom možná měli označovat výše diskutovaný faktor jako LEM1, a používat v budoucnosti rozlišení indexem pro možné další faktory LEM. To je obdobné CIE při používání svítidel A, B, C atd. pro různé standardy barevného podání. Ošemetným problémem je ovšem volba vhodné hodnoty LEM. Závisí totiž na tom, týká-li se úloha přímého nebo periferního vidění, na tom, jaká je příslušná hladina osvětlení a na tom, jaké povahy je vizuální úloha, společně s dalšími faktory. Jakmile je však hodnota zvolena, je použití faktoru velmi jednoduché a řídí se procedurou, známou velmi dobře všem projektantům. Zvolení hodnoty LEM Jak bylo diskutováno již dříve, efekt změny spektrálního rozložení svítidla závisí na mnoha parametrech. K tomu ještě volby pro tyto parametry zahrnují několik odlišných fundamentálních přístupů pro určení aktuální hodnoty LEM. Můžeme použít například:
Mezopické funkce založené primárně na velikosti jasu (CIE, Adrian)3,5 Mezopické funkce založené na vizuálním vjemu dat (He)6
Data z vizuálních experimentů používajících komerčních světelných zdrojů. (Lewis, Bullough a Rea)7,8,9
Použití mezopické citlivostní funkce založené na odpovídajícím jasu “Mezopické lumeny" zdroje lze vypočítat integrací, stejně jako jsou vypočítávány fotopické lumeny, ale při použití mezopické funkce místo V(). Vše, co je k tomu potřeba, je spektrální rozložení a jednoduchý počítačový program. Poměrem mezopických k fotopickým lumenům pro daný zdroj světla a pro standardní světelný zdroj můžeme vyjádřit hodnotu LEM: LEM=
Mezopické lumeny zdroje Jmenovité lumeny HPS × Jmenovité lumeny zdroje Mezopické lumeny HPS
kde HPS = referenční zdroj s vysokotlakou sodíkovou výbojkou Hodnoty LEM pro konkrétní světelný zdroj pro různé úrovně osvětlení mohou být získány z tabulek pro projektanty, poskytnutých výrobcem. Hodnota LEM je ovšem odvozena v závislosti na zvolené funkci mezopické odezvy která se používá místo funkce V(). Řada těchto funkcí byla odvozena různými výzkumnými pracovníky. Některé z nich byly popsány CIE, a většina poskytuje vzorec pro mezopickou odezvu, která je založena na nějaké kombinaci funkcí fotopické a skotopické reakce.3 Pozdější práce předpokládá zpřesnění těchto funkcí.12 Charakter funkce závisí na podmínkách zkoušek, použitých různými výzkumnými pracovníky; žádná z nalezených funkcí však nebyla zatím 8
zjištěna jako zcela přijatelná. Zdá se však, že mnohem lepší bude použít samotného skotopického vidění tam, kde je důležité necentrální vidění. (Viz příloha B). Všechny jsou založeny na velikosti jasu a zahrnují úkoly centrálního vidění, které mohou být použity v některých případech necentrálního vidění. Jak je popsáno v příloze A, korelace mezi touto metodou a technikou vizuálního vjemu zahrnující úlohy pro necentrální pole pohledu není dobrá. To je tak, jak by se dalo očekávat. Shoda jasu nemusí být nutně dobrou indicií pro vizuální vjem. Výkon je spojen s mnoha dalšími faktory, a změny ve výkonu v důsledku různých spektrálních rozložení mohou být mnohem větší, než vyplývá z mezopické reakční funkce založené na jasu.7, 8, 9 Použití mezopické citlivostní funkce založené na vizuálním vjemu Mezopická citlivostní funkce, kterou vyvinul He a kol., netrpí tím problémem, že by byla založena na měření jasu.6 Jedná se o opravdové zjišťování vizuálního vjemu. Experimenty zahrnovaly detekci a reakci v úkolu jak na přímé ose pohledu, tak mimo tuto osu. Zatímco výsledky, zjištěné He, napovídají, že křivka V() je uspokojivá pro úkoly s necentrálním viděním, existuje rozsáhlá množina důkazů prokazujících, že úkoly s necentrálním viděním jsou velmi důležité za nočního osvětlení, zejména při řízení vozidel. Příloha B poskytuje stručné informace o souvislosti detekce při úkolu s necentrálním viděním s bezpečností jízdy. Řízení vozidel zahrnuje jistou kombinaci centrálního a necentrálního vidění. V současné době není jisté, jaká je relativní důležitost obou druhů úkolů. Další důkazy mohou indikovat, že mezopická funkce pro necentrální vidění, kterou zjistil He, je vizuálním mechanismem, výrazně přispívajícím ke snižování nehodovosti v nočních podmínkách. He-ovy funkce mohou být použity stejným způsobem, jaký je popsán u jasové metodiky pro zjištění hodnoty LEM pro jakékoli spektrální rozložení. To je hlavní výhodou této vyvinuté formy a jí zjištěných dat. Použití výsledků výzkumu na komerčně dodávaných svítidlech Obrázek 2 ilustruje jednoznačně souvislost mezi reakční dobou a velikostí osvětlení pro různé světelná zdroje; u každého zdroje je to jiné. Je-li použito jako standardu vysokotlaké sodíkové výbojky (HPS), jak je vyjádřeno již v uvedeném výpočtu (obrázek 2), výsledné vypočítané hodnoty (6,0 v příkladu), mohou být využity jako multiplikační koeficient zvýšení efektivnosti lumenů. Údaje, jak je znázorňuje obrázek 2, mohou být dále zjednodušeny převedením do tabelární formy. Projektant, který zná jím navrženou hladinu osvětlení, může získat patřičné koeficienty LEM z takovéto tabulky a uplatnit je při svých výpočtech. Tato metoda ovšem přináší jisté potíže: vizuální vjem se mění podle spektrálního rozložení, závislého však na podmínkách, při kterých byl experiment pro shromáždění dat prováděn. Světelný vjem se bude měnit podle podstaty úkolu a kontrastu s pozadím, lokalizace úkolu, relativního pohybu úkolu a pozorovatele a dalšími faktory, ovlivňujícími úkol. (poznámka: stejný problém se ovšem vyskytuje u He-ovy mezopické funkce). Jestliže budou příslušným výborem stanoveny standardní podmínky, a tyto podmínky budou podobné těm, které byly použity při výzkumu,7,8,9 bude možné použít metodiky výpočtu pomocí 9
LEM pro různé světelné úrovně. To je obtížný, nikoli však nepřekonatelný úkol, který se podobá těm, které nedávno řešil IESNA Roadway Lighting Committee při stanovování standardního úkolu pro viditelnost malých cílů.11 Je ještě další problém: Zkoumaná data pro úkoly nočního vidění byla získávána pro sériové světelné zdroje, které byly v dané době komerčně dostupné.7,8 Neexistuje však v současné době metoda pro přepočet vyzkoumaných výsledků pro odlišné spektrální rozložení které bude v budoucnu dostupné. To je stinná stránka, která může být překonána při použití dříve popsaných metod, bude-li použito mezopické funkce oka k vyhodnocení jakéhokoli zdroje světla, pokud by bylo známo jeho výkonové spektrální rozložení. Souhrn metod výpočtu LEM Shrnutím rozdílných metod určení hodnoty LEM můžeme konstatovat, že : 1. Jasová data a mezopické funkce odvozené z těchto údajů produkují velmi konzervativní hodnoty LEM, ve srovnání s některými publikovanými údaji vnímání necentrálního pohledu. To je způsobeno faktory, jako je začlenění vlivu centrálního pohledu a vyloučením detekce pohybu. Na základě dat o jasu pro zdroje bílého světla dostáváme hodnotu LEM přibližně 2, na rozdíl od hodnoty až 30 získané při testech vizuálního vjemu.5,7,8,9 2. Vyhovující mezopické funkce založené na jasu byly vyvinuty a rozsáhle hodnoceny. I když není dosud žádný mezinárodní standard, docela dobrou dohoda byla nalezena mezi výzkumnými pracovníky bylo dosaženo docela dobré shody.3,12 3. Mezopické funkce takto vyvinuté jsou obvykle pro kombinaci zorného pole - centrálního a necentrálního pohledu. Není známo, jak dobře to simuluje úkoly pro venkovní osvětlení. Důkazy nasvědčují tomu, že mnoho nehod mohlo být způsobeno objekty, původně zjištěnými v periferní oblasti vidění. Proto odpovídající jasová mezopická funkce může značně podceňovat účinky spektrálního rozložení v praktické jízdní situaci. 4. Počet proměnných zapojených do vizuálního vjemu je vážnou nevýhodou pro přímé využití výsledků výzkumu vyvinutých takovýmito metodami. Přesto se jeví účelné, aby tyto metody po rozsáhlé kontrole příslušnými výbory tyto výbory zvážily, do jaké míry tyto údaje odpovídají praktickému nočnímu vidění. Každopádně je nutná další analýza, zejména pro úkoly nočního řízení. 5. Přímé hodnocení spektrálního rozložení nových světelných zdrojů vyžaduje použití funkce mezopické funkce rozlišení, založené buď na studii jasu nebo vizuálním vjemu. Zdá se tedy, že ve vztahu k mezopickému rozlišení je toho známo dost. Různé metody a soubory dat mohou být použity na vývoj hodnot LEM pro praktické využití. Každá z těchto metod má svoje výhody a nevýhody. Mezopické rozlišovací metody použijeme tehdy, chceme-li vyvíjet tabulky LEM pro jakékoli světelné zdroje. Takto určené hodnoty LEM bývají konzervativní. Nicméně, s ohledem na novost koncepce využití multiplikátorů LEM v projektování osvětlení, může být 10
považováno za vhodné v této době používat konzervativních hodnot. Názorný příklad, jak může vypadat tabulka hodnot LEM, je v tabulce 1, vypočtené z empirických dat dodaných profesorem W. Adrianem.5 Protože experimenty integrují centrální a necentrální pohled, můžeme je považovat za velmi konzervativní, pokud se prakticky aplikují, protože nehody bývají způsobeny především objekty v necentrálním pohledu. Práce He a kol.6 a další analýzy Heových funkcí, kterou provedl Rea,13 které mohou být použity obdobně dávají hodnoty, uvedené v tabulce 2. Tabulka 1 je tedy založena na primárně na funkci jasu, zatímco tabulka 2 je založena na výsledcích testů mezopické funkce vizuálního vjemu. Přímé srovnání těchto dvou tabulek je obtížné, neboť byly použity různé úrovně jasu. Neexistuje také žádná záruka, že Adrian, He a Rea používají stejné spektrum pro jednotlivé zdroje. Obecně však platí, že hodnoty LEM u halogenidových výbojek pro jasy mezi 0,1 a 3 cd/m2 mají tendenci být vyšší, pokud jsou používány mezopické funkce založené na jasu. Opačně je to na úrovni pod 0,1 cd/m2. Obecné formy údajů jsou však velmi podobné.
Tabulka 1 Hodnoty LEM (Lumen Effectiveness Multipliers) (Vysokotlaká sodíková výbojka (HPS) = 1,00) pro mezopickou funkci založenou na jasu 2 Jas (cd/m ) 0,001 0,01 0,1 1 Vysokotlaká sodíková 2,25 2,11 1,82 1,35 výbojka Rtuťová výbojka 1,48 1,43 1,38 1,22 Nízkotlaká sodíková výbojka 0,47 0,51 0,61 0,82 Vypočteno z empirických dat dodaných profesorem W. Adrianem (lit. 5)
3 1,13
10 1,00
1,09 0,95
1,00 1,00
Tabulka 2 Hodnoty LEM (Lumen Effectiveness Multipliers) (Vysokotlaká sodíková výbojka (HPS) = 1,00) pro mezopickou funkci založenou na reakční době Jas (cd/m2)
Skotopické
0,03
0,1
0,3
Fotopické
Metal-halidová výbojka
2,58
2,30
1,88
1,40
1,00
Vysokotlaká sodíková výbojka
1,00
1,00
1,00
1,00
1,00
Rtuťová výbojka
1,98
1,79
1,53
1,22
1,00
Nízkotlaká sodíková výbojka
0,35
0,46
0,64
0,83
1,00
Vypočteno z dat autorů He a kol. a Rea (lit. 13)
Vyšší úrovně osvětlení 11
Je vidět, že hodnoty LEM pro vysoké úrovně osvětlení (10 cd/m2 a více) jsou rovny 1,0 pro všechny zdroje, na základě údajů z výzkumu, použitých pro konstrukci tabulek.5,6,13 Nicméně, tato platnost může být sporná. Jiní badatelé zjistili, že ve skutečnosti je účinnost modrých/zelených obohacených zdrojů vyšší než na žlutou barvu bohatých zdrojů na podstatně vyšších úrovních osvětlení.14,15,16,17 Hodnocení spektrální účinků na světlo vyšší světelné úrovně, než se obvykle používají pro venkovní osvětlení, nejsou v rámci tohoto dokumentu provedena. Takovýto důkaz je však silný a neměl by být přehlížen. Závěr Na dané problematice je třeba dále pracovat, zejména v oblasti nočních vizuálních úloh, aby se zjistilo, jak velké - větší nebo menší multiplikátory by mohly a měly být vyvinuty pro účely reprezentace přídavných faktorů pro vizuální vjemy v úlohách s necentrálním viděním. Je nad rámec tohoto příspěvku doporučit skutečné hodnoty LEM, které by měly být použity pro různé světelné zdroje za různých podmínek. Nicméně, tento dokument poskytuje přehled metod a navrhl rámec pro hodnocení výbory IESNA, a uvádí i příklad tabulky hodnot. V zámoří, kde tato práce byla přezkoumána, spíše než tabulku LEM, bylo navrženo používat hodnotu LEM = 2,0 pro aplikace, když jsou bílé HID zdroje (High Intensity Dischagre lamps neboli „vysoce intenzívní výbojkové světelné zdroje“) použité pro návrh osvětlení vozovek. I když se to jeví jako zjednodušující, práce Lewise, Bullougha a jejich spolupracovníků naznačuje, že jiné, a možná mnohem vyšší hodnoty, mohou být v budoucnosti odůvodněny u některých typů úloh. Snad jsme přispěli otevřením dveří ke zvýšení noční bezpečnosti a ochrany vytvořením metodiky, aby projektant mohl započítávat pro světelný zdroj i spektrální efekty. Související přímý prospěch může být v úspoře energie v oblasti osvětlení. Úkolem této přehledové práce je tedy být potenciálně užitečnou. Poděkování Autor je velice zavázán profesoru Alanu Lewisovi, profesoru Werneru Adrianovi, profesoru Markovi Rea a panu Johnu Bulloughovi za neocenitelné informace poskytnuté při přípravě tohoto dokumentu.
12
Seznam referencí 1. CIE Publication no. 41. "Light as a True Visual Quantity: Principles of Measurement." Commission Internationale de l' Eclairage, Vienna, Austria, 1978. 2. CIE Publication no. 18.2. "The Basis of Physical Photometry." Commission Internationale de l' Eclairage, Vienna, Austria, 1983. 3. CIE Publication no. 81. "Mesopic Photometry: History, Special Problems and Practical Solutions." Commission Internationale de l' Eclairage, Vienna, Austria, 1989. 4. Lewin, Ian. "Visibility Factors in Outdoor Lighting Design, part 2." The Lighting Journal, Early 2000. Institution of Lighting Engineers, Rugby, UK 5. Adrian, Werner. "The Influence of Spectral Power Distribution for Equal Visual Performance in Roadway Lighting Levels." Proceedings of the 4th International Lighting Research Symposium, Orlando, 1998. Lighting Research Office of the Electrical Producers' Research Institute. Pleasant Hill, California. 6. He, Junjian; Bierman, Andrew; Rea, Mark. "A System of Mesopic Photometry." International Journal of Lighting Research and Technology. Vol. 30, no. 4. Chartered Institution of Building Services Engineers, London, UK. 7. Lewis, Alan. "Equating Light Sources for Visual Performance at Low Luminances." JIES, Winter 1998. Illuminating Engineering Society of North America, New York 8. Lewis, Alan. "Visual Performance as a Function of Spectral Power Distribution of Light Sources at Luminances Used for General Outdoor Lighting." JIES, Winter 1999. Illuminating Engineering Society of North America, New York. 9. Bullough, John; Rea, Mark. "Simulated Driving Performance and Peripheral Detection at Mesopic Light Levels." To be published. 10. Handbook of the Illuminating Engineering Society, 9th Edition, 2000. Illuminating Engineering Society of North America, New York. 11. Roadway Lighting Committee of the Illuminating Engineering Society of North America. Recommended Practice for Roadway Lighting. RP8-2000. Illuminating Engineering Society of North America, New York. 12. Sagawa, K; Takeichi, K. "System of Mesopic Photometry for Evaluating Lights in Terms of Comparative Brightness Relationships." Journal of the Optical Society of America, 9A(8), 1240-1246, (1992). 13. Rea, Mark. "A Unified System of Photometry for Lighting Applications." Proceedings of the CIE Symposium: 75 years of CIE Photometry, Budapest, 1999. Commission Internationale de l' Eclairage, Vienna, Austria. 13
14. Alman, D. H. "Errors of the Standard Photometric System when Measuring the Brightness of General Illumination Light Sources." Journal of the IES, October 1977. Illuminating Engineering Society of North America, New York. 15. Berman, S. M. et al. "Photopic Luminance Does not Always Predict Perceived Room Brightness." Lighting Research and Technology, Vol. 22, 1990. Chartered Institution of Building Services Engineers, London, UK. 16. Berman, S. M. and Jewett, D. L. "Two-Dimensional Photometry for Interior Surround Lighting." Journal of the IES, Winter 1998. Illuminating Engineering Society of North America, New York. 17. Houser, K. "Toward a Non-additive Spectral Weighting Function for Brightness Perception." Proceedings of the CIE Symposium: 75 Years of CIE Photometry, Budapest, 1999. Commission Internationale de l' Eclairage, Vienna, Austria.
14
Příloha A Data založená na jasu versus data založená na vizuálním vjemu Adrian vypočítal ekvivalentní jas Leq pro různých světelné zdroje a různé úrovně osvětlení.5 Leq vyjadřuje jas zdroje za mezopických podmínek, za použití funkce mezopické odezvy oka. účinnost byla prokázána tehdy, když poměr Leq/L, kde L je jas vypočtený za použití fotopické křivky odezvy. Jakmile je úroveň osvětlení snižována, účinnost roste pro světelné zdroje produkující bílé světlo nebo světlo s velkým obsahem modré barvy a klesá pro světelné zdroje s obsahem žluté barvy. Hodnoty Leq jsou založeny především na údajích z experimentů založených na jasu. Dalo by se prohlásit, že vypočtené hodnoty Leq uspokojivě vysvětlují rozdíly vizuálního vjemu, jak zjistil pro různé světelné zdroje Lewis.7,8 Při bližším zkoumání se zdá, že účinky zjištěné Lewisem nejsou o mnoho větší, než u hodnot předpokládaných mezopických funkcí. Údaje prezentované v tabulce 1 (viz ref. 5) ukazují dobrou shodu mezi hodnotami kontrastní citlivosti které zjistil Lewis a hodnotou Leq/L pro metal-halogenidové výbojky. Lze zřejmě učinit závěr, že hodnoty Leq mohou být použity jako základ pro srovnání potřebných lumenů, nutných k dosažení zaručené úrovně vizuálního vjemu, tabulka 4 v referenci 5. Avšak, použijeme-li toto srovnání pro nízkotlaké sodíkové výbojky, tabulka 2 v referenci 5, citlivost se hrubě liší od experimentálně zjištěných hodnot citlivosti na kontrast. Účinnost pro nízkotlaké sodíkové výbojky (LPS) pro 0,1 cd/m2 je 63%, zatímco kontrastní citlivost je jen 16%. Tabulka 4 v referenci 5 přitom používá účinnosti pro data lumenů pro ekvivalentní vizuální vjem. Obrázek 2 tohoto článku ukazuje data která zjistil Lewis pro realistickou reakční dobu.8 Z těchto dat můžeme vidět, že osvětlení s úrovní 1 cd/m2 dává za těchto experimentálních podmínek reakční dobu cca 800 ms pro vysokotlakou sodíkovou výbojku. Pro stejnou reakční dobu stačí u metal-halidové výbojky 0,17 cd/m2. Při tomto experimentu se ukazuje, že metal-halidová výbojka je 6-krát účinnější než vysokotlaká sodíková výbojka. Avšak v referenci 5, tabulka 4 je uvedeno, že relativní lumeny pro vysokotlakou sodíkovou výbojku HPS jsou 126 pro 1 cd/m2. Relativní lumeny pro metal-halidovou výbojku pro 0,17 cd/m2 jsou podle interpolace rovny 91 pro stejný vizuální vjem. To v souladu s údaji tabulky 4 reference 5 ukazuje, že poměr účinností metalhalidové výbojky versus vysokotlaká sodíková výbojka je pouze 126/91 = 1,38 a ne 6, jak uvádí Lewis. Data prezentovaná graficky na obrázku 17 v referenci 5 vykazují podobné trendy pro účinnost (levá souřadnice Y), a poměr rychlostí (pravá souřadnice Y). Ovšem, pokud bychom zvolili pro svislé souřadnice jiná měřítka, bylo by patrné, že není žádná korelace v absolutních velikostech výsledků zjištěných experimentálně (reference 5) a z vizuálního vjemu (reference 7). Vše co můžeme říci je, že podobné trendy existují.
15
Příloha B Přímé versus periferní vidění Dovolte nám vzít v úvahu některé faktory, podílející se na nočním řízení, a jak se mohou týkat LEM. Když se řidič dívá přímo dopředu, úkol představuje osové vidění a chování oka lze charakterizovat fotopickými podmínkami. Z toho pro zjednodušení situace, LEM = 1,0. Musíme si ale uvědomit, že nehody jsou obvykle způsobeny tehdy, když oko nerozpozná nebezpečí. To se s největší pravděpodobností stane, když je úkol obtížně vidět, jako v případě objektů, které se vyskytují v periferní oblasti, kde úroveň osvětlení je obvykle nižší, než na silnici samotné. To zdůrazňuje význam rozlišení jakýchkoli periferních jevů pro úkoly za nízké úrovně osvětlení, které jsou zpočátku vidět vně oblasti přímého vidění. Navíc je třeba brát zřetel na to, že na nehodě má podíl také relativní pohyb mezi vozidlem a objektem nebezpečí. Dva objekty se nemohou srazit, jestliže mezi nimi nedojde k relativnímu pohybu. Protože pole periferního vidění oka je zvláště citlivé na takovýto pohyb, zvýšení viditelnosti v periferní oblasti vidění bude mít velký vliv ne snížení nehodovosti. Studie vlivů spektra svítidel, aplikovatelná pro periferní mezopické vidění se proto přímo vztahuje k vnímání úkolů, které jsou hlavní příčinou nehod. Příkladem takovéhoto úkolu periferního vidění při nízké úrovni osvětlení je dítě, pohybující se v relativní tmě směrem k vozovce, nebo vozidlo vyjíždějící z boční ulice. Bullough a Rea uvádějí údaje kde spočítali hodnoty LEM pro 30 a více úloh periferního vidění! Bylo zjištěno, že řidič často obrací svůj přímý pohled do oblasti původně periferního vidění. Nezbytným předpokladem je však prvotní detekce potenciálního nebezpečí pomocí nepřímého vidění. V dosud publikované literatuře je poukazováno na to, že předcházení vzniku nehod závisí v hojné míře na periferním vidění.B1,B2,B3 Argument že přímé vidění není ovlivněno spektrálními efekty, a může být proto ignorováno, není praktickým výzkumem potvrzen. Představme si, že řidič má před každým okem lepenkovou trubku. Jestliže trubky mají průměr 4,4 cm (1,75”) a jsou dlouhé 127 cm (50”), můžeme říct, že řidič má k dispozici pouze osové – přímé – vidění a žádné vidění periferní, obrázek B1. Je zcela zřejmé, že řízení vozidla za takovýchto podmínek by způsobilo nebezpečnou, alarmující situaci. Vizuální vstup založený na poli periferního vidění při řízení je zásadně důležitý. Bohužel nemáme dosud úplné znalosti o relativní důležitosti úkolů necentrálního vidění oproti úkolům vidění přímého – osového – za nočních podmínek. Tento výzkum musí být teprve proveden.
16
Obrázek B1. Průhled trubkou pro simulaci centrálního pohledu na centrální jamku sítnice - fovea
Reference pro přílohu B
B1.
Rumar, K "The Basic Driving Error: Late Detection." Ergonomics, 33, 1281-1290, 1990.
B2.
Berthelon, C.; Mestre, D. "Curvilinear Approach to an Intersection and Visual Detection of Collision." Human Factors, 35, 521-534, 1993
B3.
Crowell, J.A.; Banks, M. S. "Perceiving Heading with Different Retinal Regions and Types of Optic Flow." Perception and Psychophysics, 53, 325-337, 1993.
17
