Barva světla ve veřejném osvětlení – Část 1 Současný stav a terénní výzkumy

Nástup polovodičových světelných zdrojů (LED) do oblasti všeobecného osvětlování je provázen řadou nových otázek a témat. Jedním z nich je vliv spektrálních vlastností světla na zrakový vjem člověka v podmínkách veřejného osvětlení. Následující příspěvek, který se touto problematikou zabývá, je rozdělen do dvou částí. První část se zabývá popisem spektrálních vlastností světelných zdrojů a výsledky terénních výzkumů zaměřených na tuto problematiku. Druhá část bude věnována teoretickému popisu vlivu spektrálních vlastností světla na zrakový vjem při různých parametrech prostředí a odlišných adaptačních podmínkách.

Spektrální vlastnosti světelných zdrojů

V současných normách pro veřejné osvětlení se pro kvantitativní hodnocení osvětlení používá jas a osvětlenost a pro kvalitativní hodnocení rovnoměrnost osvětlení a zábrana oslnění. Spektrální vlastnosti nejsou, až na několik národních výjimek (Itálie, Velká Británie, Austrálie), zohledňovány. Nicméně výsledky řady výzkumů ukazují, že spektrální složení světla má vliv nejen na kvalitu vjemu prostředí, ale také na zrakový výkon, a tím i na bezpečnost provozu. Úplné informace o spektrálních vlastnostech světla dává průběh spektrálního rozložení zářivého toku. Na obr. 1 jsou uvedeny spektrální průběhy zářivého toku pro vysokotlakou sodíkovou výbojku a světelnou diodu chladně bílou (5 700 K) a teple bílou (3 000 K). Tento způsob vyjádření je však pro běžné využití v praxi příliš složitý. Proto se popis spektrálních vlastností zjednodušuje použitím dvou parametrů, teploty chromatičnosti a indexu podání barev. Teplota chromatičnosti T_c (K) charakterizuje barevný tón světla vyzařovaného světelným zdrojem (chromatičnost), tedy spektrální vlastnosti přímé složky světelného toku detekované zrakem. V praxi se běžně rozlišují tři stupně: teple bílý (T_c < 3 300 K), neutrálně bílý (3 300 K < T_c < 5 300 K) a chladně bílý (T_c > 5 300 K) barevný tón světla. Druhým parametrem je index podání barev R_a (–), který udává, jak věrně lze rozlišovat barvy povrchů (kolorita) ve světle daného světelného zdroje v porovnání se situací s normalizovaným světlem, při kterém je vjem barev povrchů věrný (např. denní světlo). Zjednodušeně řečeno popisuje kvalitativní vlastnosti odražené složky světelného toku od okolních povrchů detekované zrakem. Jeho velikost se pohybuje v rozsahu od 0 do 100.

Obr. 1. Spektrální průběh zářivého toku vysokotlaké sodíkové výbojky (HST) a světelných diod (LED 3 000 K, LED 5 700 K)

Při R_a = 0 nelze barvy rozlišit, při R_a = 100 je vjem barev věrný. V posledním desetiletí desetiletí byl zaveden další parametr související se spektrálními vlastnosti, a to činitel S/P, který udává poměr světelného toku zdroje při skotopických (nočních) a fotopických (denních) podmínkách vidění. Existují i další parametry, např. GAI (Gamut Area Index), SQC (Color Quality Scale), FSI (Full Spectrum Index) a FSCI (Full Spectrum Color Index). Tyto parametry se používají při vyhodnocování experimentů, ale v běžné praxi nejsou v současné době využívány.

V minulosti byly hlavními kritérii při výběru světelných zdrojů pro veřejné osvětlení jejich měrný výkon η (lm/W), tedy účinnost přeměny elektrické energie na světelnou, doba života t (h) a pořizovací cena C_z (Kč). Tato kritéria již od 70. let minulého století bezkonkurenčně splňovaly vysokotlaké sodíkové výbojky.

Optimální kombinace uvedených parametrů je u těchto zdrojů dosahováno při méně kvalitních, ale pro veřejné osvětlení „ještě přijatelných“ spektrálních vlastnostech, a to při teplotě chromatičnosti T_cp ~ 2 000 K a indexu podání barev R_a ~ 25. Spektrální vlastnosti lze u tohoto světelného zdroje zlepšovat (např. změnou tlaku uvnitř výbojové trubice), ale za cenu výrazného snížení měrného výkonu.

Proto byla respektována nižší kvalita spektrálních vlastností jako daň za nízké provozní náklady. Koncem minulého století začala být věnována větší pozornost vlivu spektrálních vlastností světla ve veřejném osvětlení. Výsledky výzkumů ukázaly, že tyto vlastnosti ovlivňují jak kvalitu zrakového  jemu, tak zrakový výkon. To podpořilo snahy o využití světelných zdrojů s kvalitnějšími spektrálními vlastnostmi (halogenidové výbojky s keramickým hořákem, bezelektrodové výbojové zdroje apod.).

Nicméně provozní i investiční náklady u těchto zdrojů značně převyšovaly náklady u vysokotlakých sodíkových výbojek, a proto se výrazně nerozšířily. Situace se začala výrazně měnit okolo roku 2008 s nástupem světelných diod do oblasti veřejného osvětlení. Spektrální vlastnosti světelných diod se vyznačují značným rozsahem. Teplota chromatičnosti se pohybuje přibližně od 2 400 do 10 000 K a index podání barev přibližně od 60 do 98. V současné době volba obou parametrů přímo souvisí s měrným výkonem.

Čím vyšší je teplota chromatičnosti, tím vyšší je měrný výkon, a čím nižší je index podání barev, tím vyšší je měrný výkon. Z tohoto důvody byla první svítidla pro veřejné osvětlení osazena světelnými diodami s chladně bílou barvou světla a nízkým indexem podání barev, aby byly v počátcích svého vývoje schopny co nejdříve konkurovat vysokotlakým sodíkovým výbojkám. V rámci rychlého vývoje překonaly měrné výkony světelných diod s teplotami chromatičnosti 4 000 i 3 000 K a s indexem podání barev R_a = 70 měrné výkony sodíkových výbojek. Původní prognózy předpokládaly, že po  dokončení vývoje světelných diod zůstane podstatný rozdíl v měrném výkonu mezi chladně bílými (η ~ 240 lm/W) a teple bílými (η ~ 150 lm/W) typy světelných diod (LED). Nové prognózy (obr. 2) vývoje měrného výkonu LED ale ukazují, že volba barevného tónu světla ani indexu podání barev by neměly mít významný vliv na měrný výkon [1]. Zmíněná variabilita parametrů světelných diod navozuje otázku, jaké spektrální vlastnosti světla jsou vhodné pro veřejné osvětlení?

Obr. 2. Předpokládaný vývoj měrného výkonu světelných diod (typ p-c LED, 350 mA)

Terénní výzkumy

V průběhu posledního desetiletí se uskutečnilo mnoho teoretických i praktických výzkumů různé úrovně a zaměření, které hodnotily vliv spektrálních vlastností světla ve veřejném osvětlení. V rámci jednoho z terénních výzkumů, při kterých byly subjektivně posuzovány spektrální vlastnosti různých světelných zdrojů používaných ve veřejném osvětlení, byl zaveden termín „bílé světlo“. Jeho zavedením ale došlo k výraznému posunu a deformaci v chápání spektrálních vlastností světelných zdrojů. Pojem „bílé světlo“ není jasně definován, a jeho význam tak zůstává na interpretaci lidí, kteří se s tímto termínem setkají a pracují.

Sám název „bílé světlo“ evokuje představu světla bílých až chladně bílých barevných tónů a tato představa je podpořena tím, že při výzkumech byly světelné zdroje s tzv. bílým světlem postaveny jako protiklad k nažloutlému světlu vysokotlakých sodíkových výbojek. Při subjektivním posuzování spektrálních vlastností osvětlení ale mají význam všechny parametry vyjadřující tyto vlastnosti (T_c, R_a, S/P atd.).

V názvu bílé světlo je však obsažen pouze parametr, který je nejsnáze vysvětlitelný a vizuálně nejlépe interpretovatelný, tedy barevný tón světla. Tento parametr chacharakterizuje barevné vlastnosti vyzařovaného světla, ale nepostihuje věrnost vjemu barev povrchů osvětlených tímto světlem (Ra). Oba parametry jsou přitom na sobě teoreticky nezávislé. Světelné zdroje s vysokou teplotou chromatičnosti mohou mít nízký i vysoký index podání barev a stejně světelné zdroje s nízkou teplotou chromatičnosti mohou mít nízký i vysoký index podání barev. Jaká kombinace těchto dvou parametrů tedy odpovídá termínu „bílé světlo“? Výsledky výzkumu v oblasti „bílého světla“ jsou zobrazeny na obr. 3. Z uvedených výsledků lze vyvodit, že lidé v průzkumu preferovali teplejší barevné tóny světla. To je zřejmé při porovnání světelných zdrojů se shodnými indexy podání barev a rozdílnou teplotou chromatičnosti jako v případě světelných zdrojů 1 a 5 nebo světelných zdrojů 2 a 6. Současně je patrná preference světelných zdrojů s vyšším indexem podání barev u podobných barevných tónů světla jako v případě světelných zdrojů 1 a 2 a světelných zdrojů 5 a 6. Zajímavá je preference světelných zdrojů s teple bílým tónem před zdroji s neutrálně bílým tónem i za cenu výrazně nižšího indexu podání barev, která je zřejmá v případě světelných zdrojů 4 a 5.

Do novějších terénních výzkumů [2], [3], [4], [5], [6], [7] byly zahrnuty i další světelné zdroje (indukční výbojky a světelné diody). V rámci těchto výzkumů bylo hodnoceno osvětlení v situaci s původními vysokotlakými sodíkovými výbojkami a v situacích se světelnými zdroji, které měly kvalitnější spektrální vlastnosti (halogenidové výbojky, kompaktní zářivky, indukční výbojky, světelné diody) při srovnatelných úrovních osvětlení.

Při změně z vysokotlakých sodíkových výbojek na světelné zdroje s kvalitnějšími spektrálními vlastnostmi bylo prostředí hodnoceno jako jasnější a bezpečnější a vzrostl pocit bezpečí i zrakové pohody. Při opačné změně ze zdrojů s kvalitními spektrálními vlastnostmi na vysokotlaké sodíkové výbojky se subjektivně zhoršilo celkové osvětlení prostoru a klesl pocit bezpečí, ale u zrakové pohody, v některých případech, změny nenastaly. Při podrobnější analýze výsledků těchto výzkumů bylo zjištěno, že poměr S/P ovlivňuje vjem celkové úrovně osvětlení (prostorová jasnost). S rostoucím poměrem S/P (S/P > 1,2) roste pocit bezpečí a zlepšuje se schopnost rozlišování překážek a chodců v periferních oblastech zorného pole. U nízkých hladin osvětleností se s rostoucím poměrem S/P  zmenšuje velikost překážky, kterou je člověk při shodné hladině osvětlení schopen rozlišit.

To je důležité hlavně z pohledu řidičů. V případě indexu podání barev bylo zjištěno, že je nejlepším ukazatelem pro vystižení přijatelnosti osvětlení. Tato přijatelnost byla hodnocena vzhledem kůže na rukou a schopností rozlišovat škálu barev (Ra > 70). V terénních výzkumech na komunikacích pro chodce byla velmi zřetelná preference teple bílých barevných tónů [2]. V některých případech byla teplota chromatičnosti 3 000 K hodnocena ještě jako chladná. Osvětlení s teplotou 2 700 K bylo z pohledu barevného tónu hodnoceno jako příjemné.

 

Obr. 3. Index celkové spokojenosti pozorovatelů při hodnocení barvy světla u soustav veřejného osvětlení se světelnými zdroji odlišných spektrálních vlastností
(rozsah indexu celkové spokojenosti: 0 – neutrální, 50 – spokojený)

 

Další hlediska prostředí

Vliv spektrální vlastnosti veřejného osvětlení byl zjišťován v rámci dalších výzkumů souvisejících s jinými aspekty zrakového vjemu nebo z oblastí, které s vlastním zrakovým vjemem nesouvisejí.

• Astronomická pozorování v noci jsou narušována umělým světlem. Astronomové preferují zdroje s úzkým spektrem, které lze snadněji odfiltrovat (nízkotlaké sodíkové výbojky). V případě širokospektrálních zdrojů jsou z pohledu současných astronomických pozorování problematické typy obsahující krátkovlnnou část (modrou) viditelného záření.
• Biologický systém člověka je aktivován zářením s větším podílem v modré oblasti. V nočních hodinách by se měl biologický systém nacházet v klidové fázi. Proto jsou pro noční dobu příznivější světelné zdroje s menším podílem krátkovlnné (modré) části spektra, tedy s nižší teplotou chromatičnosti a s menším poměrem S/P.
• Oslnění od světelných zdrojů při myopických podmínkách vidění je vzhledem k posunu spektrální citlivosti lidského oka k menším vlnovým délkám větší u světelných zdrojů s větším podílem záření v modré oblasti.
• Věk pozorovatelů souvisí se změnami struktury oční čočky, které se projevuje její krystalizací vedoucí ke zvětšování rozptylu světla. Tento rozptyl má spektrální závislost a je větší v oblasti menších vlnových délek. Světelné zdroje s větším podílem v modré oblasti způsobují u starších pozorovatelů větší rozptyl světla, který se projevuje jako závojové oslnění.
• Přechod z interiéru do exteriéru působí přirozeněji, není-li příliš velký rozdíl mezi barevnými vlastnostmi světelných zdrojů použitých v obou prostředích. Vzhledem k tomu, že se ve většině bytů a obytných i rodinných domů používají žárovky, kompaktní zářivky a světelné diody s teple bílým barevným tónem (2 700 K), je přirozenější, je-li barevný tón světla ve venkovním osvětlení podobný.
• Vztah osvětlenosti a teploty chromatičnosti popisuje např. Kruithoffův diagram. Při nízkých hladinách osvětlenost jsou pro pozorovatele příjemnější teple bílé barevné tóny a naopak při vysokých hladinách jsou přijatelnější vyšší teploty chromatičnosti.

Závěr

Z uvedených výsledků výzkumů i popisu problematiky se ukazuje, že pro veřejné osvětlení vnímané primárně z pohledu chodců je přijatelnější použít světelné zdroje s teple bílým barevným tónem (T_cp < 3 000 K) a s vyšším indexem podání barev (R_a > 70). Výsledky výzkumů ukazují, že u světelných zdrojů s větším poměrem S/P (S/P > 1,2) se zlepšuje schopnost rozlišovat překážky a chodce v periferních oblastech zorného pole. Tento poměr přibližně odpovídá zdrojům s teplotou chromatičnosti T_cp < 3 000 K a s vyšším indexem podání barev. Z pohledu řidičů lze tedy k osvětlení důležitých páteřních komunikací využít světelné zdroje s vyšší teplotou chromatičnosti (4 000 K), které současně mohou vizuálně odlišit tyto komunikace od okolních pozemních komunikací a zlepšit tak orientaci v nočním městě.

S ohledem na výsledky terénních výzkumů a další hlediska související se spektrálními vlastnostmi světelných zdrojů je patrné, že použití světelných zdrojů s vysokými teplotami chromatičnosti (chladně bílý barevný tón) pro veřejné osvětlení se jeví jako nevhodné. Takové zdroje lze využít příležitostně k dosažení barevného kontrastu např. přechodů pro chodce. Výsledky zmíněných výzkumů se promítly do doporučení týkajících se spektrálních vlastností veřejného osvětlení v Praze, které jsou obsaženy v Manuálu tvorby veřejných prostranství, zpracovaného v roce 2014 Institutem plánování a rozvoje hl. m. Prahy [8].

Literatura:
[1] BARDSLEY, N. a kol.: Multi-Year Program Plan, Solid-State Lighting Research and Development, U. S. Department of Energy, 2014.
[2] VOLKER, S. et al.: The Effect of Spectral Power Distribution on Lighting for Urban and Pedestrian Area. CIE 2006/2014, 2014, ISBN 978-3-902842-33-6.
[3] MILLER, N. J. – KOLTAI, R. N. – MCGOWAN, T. K.: Pedestrian Friendly Outdoor Lighting. U. S. DOE, 2013.
[4] Bílé světlo. Terénní výzkumný projekt Eltodo, a. s., a ČVUT FEL, Praha, 2013.
[5] KNIGHT, C.: Field surveys investigating the effect of lamp spectrum on the perception of safety and comfort at night. Lighting Research & Technology, 2010, 42, 3, s. 313–330.
[6] MORANTE, P.: Mesopic street lifting demonstration and evaluation. Final Report for Groton Utilities, Groton, Connecticut, Lighting Research Center, 2008.
[7] AKASHI, Y. – REA, M. – BULLOUGH, J.: Driver decision making in response to pheripheral moving targets under mesopic light leves. Lighting Research & Technology, 2007, 39, 1, s. 53–67.
[8] MELKOVÁ, P. a kol.: Manuál tvorby veřejných prostranství hlavního města Prahy. IPR, Praha, 2014.

Článek vznikl za finanční podpory společnosti Etna, s. r. o. 

 

ETNA, s. r. o.
Mečislavova 2, 140 00 Praha 4

tel.: +420 257 320 595, +420 257 320 597
fax: +420 257 310 604
brána gsm: +420 724 912 091

e-mail: etna@etna.cz
www.etna.cz