Barva světla ve veřejném osvětlení – Část 2. Vliv prostředí a adaptačních podmínek na zrakový vjem

Zrakový vjem člověka je z pohledu spektrálních vlastností světla ovlivňován třemi základními komponenty, kterými jsou zdroj světla (spektrální složení zářivého toku), prostředí (světelnětechnické vlastnosti povrchů pozorovaných předmětů) a zrakový orgán (spektrální citlivost oka). Výsledný vizuální vjem je ovlivněn vzájemnou interakcí těchto tří komponentů.

Zdroj světla

Světlo je médium, které člověku zprostředkovává informace o okolním prostředí. Přirozeným přírodním zdrojem světla je slunce. Pro to, aby mohl člověk vykonávat své činnosti a aktivity i v době bez denního světla, vyvinuli lidé umělé světelné zdroje, které se od přírodního světla liší zejména intenzitou a spektrálním složením. Fyzikálně je světlo popisováno jako elektromagnetické záření, které přenáší energii ve formě elektromagnetických vln nebo fotonů. Základní částí elektromagnetického záření je jedna vlna, která přenáší určité kvantum energie (foton) a charakterizována je vlnovou délkou λ (nm). Elektromagnetické záření vyzařované zdrojem světla (např. sluncem) však neobsahuje jen jednu vlnu, ale velké množství vln. Mají-li vlny stejnou vlnovou délku, takové záření je nazýváno monochromatické a budí přesně daný barevný počitek. Jestliže záření obsahuje více vlnových délek, je nazýváno zářením složeným. V případě, že optické záření obsahuje všechny vlnové délky, o vyzařovaném světle se hovoří jako o bílém světle. Vlnová povaha elektromagnetického záření umožňuje jeho grafické znázornění podle vlnové délky. Je-li záření uspořádáno podle vlnové délky, získá se spektrum elektromagnetického záření.

Spektrum elektromagnetického záření v rozsahu vlnových délek od 380 do 780 nm je schopno vyvolat zrakový počitek a je nazýváno viditelným zářením. Průběh spektrálního složení viditelného záření světelného zdroje je jeho nejúplnějším popisem. Spektrální (barevné) vlastnosti světelných zdrojů jsou označovány pojmem chromatičnost. Na obr. 1 je uvedeno spektrální složení zářivého toku vysokotlaké sodíkové výbojky (HST) a světelných diod (LED) s náhradní teplotou chromatičnosti 3 000 a 5 700 K.

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

Prostředí

V reálném světě zářivý tok vycházející ze zdroje do okolního prostoru prochází prostředím a dopadá na povrchy předmětů. Při průchodu i dopadu dochází k různým interakcím mezi zářením, prostředím a povrchy. Mezi tyto interakce patří odraz, lom, prostup, polarizace, ohyb, interference, rozptyl, pohlcení a rozklad. Pravděpodobně nejdůležitější interakcí z pohledu množství zprostředkovávaných vizuálních informací o okolním prostředí je odraz. Odraz je děj, při kterém se světelné paprsky dopadající na určitý povrch od tohoto povrchu odrážejí a při odrazu se chovají podle těchto zákonů:

• dopadající paprsek, odražený paprsek a normála k odraznému povrchu leží ve stejné rovině,
• úhel dopadu se rovná úhlu odrazu.

Podle charakteru povrchu materiálu může materiál vykazovat zrcadlový, smíšený nebo difuzní odraz. Zrcadlový odraz je zpravidla spektrálně nezávislý a spektrální složení odraženého záření je shodné se zářením dopadajícím. U difuzních povrchů je odraz obvykle spektrálně závislý a výsledné množství i spektrální složení odraženého zářivého toku závisejí na spektrálním složení dopadajícího zářivého toku a na spektrálním průběhu činitele odrazu povrchu. Ukázka průběhů spektrálních činitelů odrazu difuzních povrchů, které se v bílém světle jeví jako modré, žluté, zelené a červené, je uvedena na obr. 2.

 

Spektrální (barevné) vlastnosti povrchů jsou označovány pojmem kolorita.

Obr. 2. Spektrální průběh činitelů odrazu pro modrý, zelený, žlutý a červený povrch

Zrakový orgán

Spektrální citlivost lidského oka na zářivý tok je závislá na vlnové délce a její průběh se mění v závislosti na adaptačních podmínkách zraku (den, noc). Vzhledem k tomu, že spektrální citlivost zraku je u každého člověka jiná, byl s ohledem na jednotnost světelnětechnických měření a výpočtů v rámci mezinárodní komise pro osvětlování (CIE) přijat termín normální fotometrický pozorovatel s definovanou spektrální citlivostí zraku při denním (fotopickém) a nočním (skotopickém) vidění.

Fotopické vidění

Fotopické (denní) vidění je stav zrakového systému při jasech větších než přibližně 10 cd/m². Při těchto jasech se z fotoreceptorů uplatňují převážně čípky, které jsou soustředěny zejména v oblasti centrální jamky (fovea) a umožňují i barevné vidění. Při těchto podmínkách je citlivost lidského zraku popisována spektrální citlivostí V(λ) oka normálního fotometrického pozorovatele při fotopickém vidění (obr. 3).

3. Průběhy spektrálních citlivostí lidského zraku pro fotopické (denní), mezopické a skotopické (noční) vidění

Skotopické vidění

Skotopické (noční) vidění je stav zrakového systému při adaptačních jasech menších než 0,001 cd/m2. Při těchto jasech reagují na podněty pouze velká vjemová pole a z fotoreceptorů převážně tyčinky. Při tomto stavu zraku nelze rozlišovat barvy a jemné detaily. Při těchto podmínkách je citlivost lidského zraku popisována spektrální citlivostí V’(λ) oka normálního fotometrického pozorovatele při skotopickém vidění (obr. 4).

Mezopické vidění

Mezopické vidění je stav zraku, který se nachází mezi fotopickým a skotopickým viděním. Při mezopickém vidění jsou aktivní oba typy fotoreceptorů, čípky i tyčinky. Tento adaptační stav zraku odpovídá adaptačním jasům v rozsahu přibližně od 0,001 do 10 cd/m². S klesajícím jasem v myopické oblasti u centrální jamky (fovea), která obsahuje pouze čípky, pomalu klesá absolutní citlivost bez výrazné změny spektrální citlivosti.

Odezva tyčinek umístěných po obvodu postupně převládá nad čípky, což má za následek posun spektrální citlivosti ke kratším vlnovým délkám a postupné zhoršení barevného vidění a rozlišování detailů. V situaci, kdy foveální vidění již není schopno reagovat na světelné podněty, je dosaženo kotopického stavu vidění. Pro popis mezopického vidění nestačí pouze jedna křivka světelného účinku záření popisující spektrální citlivost zraku, ale je třeba řada křivek, u kterých se s přechodem od fotopického ke skotopickému vidění mění jejich tvar i maximální hodnota (obr. 3).

Vliv prostředí

Množství odraženého zářivého toku od předmětu s danými spektrálními vlastnosti závisí na spektrálním složení dopadajícího záření. V tab. 1 jsou uvedeny integrální činitele odrazu pro povrchy s různou koloritou (obr. 2) a světelné zdroje s odlišnými spektrálními průběhy (obr. 1).

Z tab. 1 je zřejmý vliv kolority povrchu a spektrálního složení dopadajícího zářivého toku na velikost odraženého zářivého toku. Například při úvaze, že na modrý povrch dopadá zářivý tok od světelných zdrojů z tab. 3 stejné hodnoty a bude-li velikost odraženého zářivého toku světelné diody (LED) 5 700 K brána za 100 %, bude odražený zářivý tok u LED 3 000 K 62 % a u vysokotlaké sodíkové výbojky jen 29 %.

Tab. 1. Integrální činitele odrazu ρe zářivého toku povrchů s odlišnou koloritou pro různé světelné zdroje

Vliv prostředí a adaptačních podmínek

Ke stanovení vlivu spektrálních vlastností předmětů na zrakový vjem je třeba odražený zářivý tok zhodnotit spektrální citlivostí lidského oka. Ta se mění s adaptačním jasem (obr. 3). Na obr. 4 a obr. 5 jsou uvedeny průběhy integrálních činitelů odrazů vybraných barevných povrchů (obr. 2) osvětlených různými světelnými zdroji (obr. 1) v závislosti na adaptačním jasu. Spektrální citlivost lidského zraku v mezopické oblasti byla stanovena metodou MES2 [7].

Z uvedených výsledků je zřejmé, že integrální činitel odrazu povrchu s danou koloritou je závislý na typu světelného zdroje a na adaptačních podmínkách zraku. Po porovnání situace např. pro adaptační jas 1 cd/m², nejmenší rozdíly v integrálních činitelích odrazu pro různé světelné zdroje vykazuje žlutý povrch (obr. 5 nahoře). Činitel odrazu modrého (obr. 4 nahoře), resp. zeleného povrchu (obr. 4 dole), je při osvětlení LED 5 700 K v porovnání s vysokotlakou sodíkovou výbojkou přibližně pětinásobný, resp. čtyřnásobný. Naopak červený povrch (obr. 5 dole) vykazuje pro vysokotlakou sodíkovou výbojku téměř trojnásobný činitel odrazu v porovnání s LED 5 700 K. Z toho vyplývá, že při stejné osvětlenosti určitého barevného povrchu se množství odraženého světelného toku, resp. jasu, může významně lišit v závislosti na typu světelného zdroje. Tento výsledek u malých předmětů ovlivňuje jejich viditelnost, u velkých ploch může ovlivňovat adaptační úroveň zraku.

Obr. 4. Průběh integrálního činitele odrazu modrého (nahoře) a zeleného (dole) povrchu v závislosti na adaptačním jasu pro různé světelné zdroje

Závěr

Z uvedených výsledků je zřejmé, že spektrální vlastnosti ovlivňují zrakovou pohodu i zrakový výkon také ve veřejném osvětlení a že jejich zohlednění může nejen zajistit kvalitnější a přijatelnější vzhled veřejných prostorů měst a obcí, ale také přispět k bezpečnosti dopravy, osob i majetku a ke zvýšení pocitu bezpečí.

Literatura:
[1] VOLKER, S. et al.: The Effect of Spectral Power Distribution on Lighting for Urban and Pedestrian Area. CIE 2006/2014, ISBN 978-3-902842-33-6.
[2] MILLER, N. J. – KOLTAI, R. N. – McGOWAN, T. K.: Pedestrian Friendly Outdoor Lighting. U. S. DOE, 2013.
[3] Bílé světlo. Terénní výzkumný projekt Eltodo, a. s. a ČVUT FEL, Praha, 2013.
[4] 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.
[5] MORANTE, P.: Mesopic street lifting demonstration and evaluation. Final Report for Groton Utilities, Groton, Connecticut, Lighting Research Center, 2008.
[6] 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.
[7] HALONEN, L. et al.: Recommended System for Mesopic Photometry based on Visual Performance. CIE 191/2010, ISBN 978 3 901906 88 6.

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