prof. Ing. Jiří Habel., DrSc., Ing. Petr Žák, Ph.D., ČVUT Praha, FEL
Úvod
V běžném životě zrak člověka obvykle pracuje v podmínkách denního (fotopického) vidění. To je spojeno zejména s činností čípků, fotoreceptorů, umožňujících barevné vidění, které jsou umístěny převážně v centrální části sítnice (žlutá skvrna). Názory na spodní mez adaptačního jasu, od které již probíhá proces denního vidění, nejsou dosud mezinárodně sjednoceny [1]. Nejčastěji se uvažuje, že podmínky denního vidění jsou splněny při hladinách jasu přibližně od 3 cd•m–2. V současnosti se světelnětechnické výpočty a rovněž fotometrická měření provádějí téměř výhradně pro podmínky denního vidění.
Druhým krajním případem činnosti zraku člověka je noční (skotopické) vidění. To je spojeno převážně s činností výrazně citlivějších fotoreceptorů, tj. tyčinek, které jsou rozmístěny zvláště v okolí žluté skvrny a v dalších krajních oblastech sítnice. Noční vidění je většinou spojováno s velmi nízkými adaptačními jasy; převážně se uvádí, že jde o jasy nižší než asi několik setin, či dokonce jen tisícin cd•m–2 [1]. Z hlediska hodnocení osvětlovacích soustav v praxi tedy skotopické vidění nemá význam.
Ovšem práce zraku člověka v oblasti mezi denním a nočním viděním, kdy se zrakový orgán musí přizpůsobit jasům, které se nacházejí mezi oběma zmíněnými krajními případy, je v praxi obvyklá. Lze se s ní setkat např. v osvětlovacích soustavách venkovních komunikací nebo v soustavách nouzového osvětlení. Oblast mezi denním a nočním viděním se nazývá oblast mezopického vidění, v níž se v té či oné míře uplatňují oba typy fotoreceptorů.
Citlivost zraku člověka k záření různých vlnových délek závisí na parametrech světelného mikroklimatu vytvořeného v osvětlovaném prostoru, a je tedy určována jasem, kterému se zrak pozorovatele přizpůsobuje, tzn. Adaptačním jasem. Běžně se světelnětechnické parametry světelných zdrojů, svítidel a osvětlovacích soustav fotometricky ověřují přístroji, jejichž poměrná spektrální citlivost se shoduje s dohodnutým průběhem poměrné spektrální citlivosti tzv. normálního fotometrického pozorovatele v podmínkách denního (fotopického) vidění. Vzniká otázka, do jaké míry se mohou zmíněné parametry zdrojů, svítidel a soustav
změnit v případě, že budou měřeny přístroji, jejichž poměrná spektrální citlivost by byla přizpůsobena průběhu poměrné spektrální citlivosti zraku skutečného pozorovatele adaptovaného na určitý, relativně nízký jas, v mezopické oblasti vidění. V současné době zatím neexistuje ani v rámci Mezinárodní komise pro osvětlování CIE jednotný přístup k řešení otázek světelnětechnických výpočtů a měření v oblasti mezopického vidění. V předloženém článku se proto autoři pokusí čtenářům uvedenou problematiku alespoň přiblížit.
Fotopické, mezopické a skotopické vidění
Vzhledem k individuálnímu charakteru citlivosti lidského zraku a nezbytnosti sjednotit světelnětechnické výpočty definovala Mezinárodní komise pro osvětlování (CIE) tzv. normálního fotometrického pozorovatele. Případ fotopického vidění zmíněného pozorovatele charakterizuje křivka poměrné spektrální citlivosti V(λ) a skotopického vidění křivka V´(λ), které jsou znázorněny na obr. 1.
Pro další výklad problematiky mezopického vidění je důležité připomenout, že pro oblast světelné techniky je v soustavě SI základní jednotkou 1 kandela, která popisuje svítivost zdroje světla. Z této jednotky jsou odvozeny ostatní světelnětechnické veličiny. Podle usnesení 16. generální konference Míry a váhy z roku 1979 je jedna kandela rovna svítivosti zdroje, který vyzařuje v určitém směru monochromatické záření o frekvenci 540·1012 Hz, přičemž zářivost zdroje v tomto směru je 1/683 W·sr–1 (wattů na steradián).
Zmíněný kmitočet ve standardním ovzduší (20 °C; 50% vlhkost, tlak 1 013,2472 hPa, index lomu N = 1,000279668) odpovídá základní vlnové délce
λm = 555,016 ≈ 555 nm.
Konstanta 683 cd·sr·W
–1 představovala v roce 1979 nejlepší odhad maxima Km světelné účinnosti pro fotopické vidění, který zachovával předchozí úrovně fotopické kandely a dnes je konstantou, jež spojuje fyzikální fotometrii a optickou radiometrii.
Podstatné je, že při uvedené základní vlnové délce λm = 555 nm je spektrální citlivost lidského zraku pro fotopické i skotopické vidění shodná a platí:
K(555) = K´(555) = 683 lm/W (1)
Z toho vyplývá, že ve zmíněných stavech vidění (fotopickém i skotopickém) lze pracovat se světelnými toky udávanými v lumenech. Světelný tok, který odpovídá zářivému toku při základní vlnové délce λm = 555 nm je pro:
fotopické vidění: Φv(555) = K(555)Φe(555) = KmV(555)Φe(555) (lm) (2)
Φ´v(555) = K´(555)Φe(555) = K´mV´(555)Φe(555) (lm) (3)
přičemž platí Φv(555) = Φ´v(555)
Funkce V(λ) a V´(λ) poměrné spektrální citlivosti zraku, definované v normě ISO/CIE [2], doplňují definici kandely z roku 1979 tak, že logicky dotvářejí systém fyzikální fotometrie. Na základě toho jsou definovány spektrální světelné účinnosti záření pro:
fotopické vidění:
K(λ) = KmV(λ) = Φv/Φe (lm/W) (4)
skotopické vidění:
K´(λ) = K´mV´(λ) = Φ´v/Φe (lm/W) (5)
kde Km a K´m označují maximální hodnoty spektrálních průběhů veličin K(λ) a K´(λ), pro které platí: Km = K(555 nm), K´m = K´(507 nm). Z křivek V(λ) a V´(λ) nakreslených na obr. 1 lze pro vlnovou délku 555 nm číst hodnoty poměrné světelné účinnosti záření pro:
fotopické vidění V(555) = 1
skotopické vidění V´(555) = 0,40176
Maxima průběhů absolutních hodnot světelných účinností záření je pak možné v souladu se vztahy (1), (4) a (5) stanovit z výrazů pro:
fotopické vidění:
Km = 683/V(555) = 683/1 = 683 lm/W (6)
skotopické vidění:
K´m = 683/V´(555) = 683/0,40176 = 1 700 lm/W (7)
Uváží-li se, že mezopické vidění představuje v zásadě kombinaci denního a nočního vidění, je logické vycházet i v oblasti mezopického vidění z podmínky, kterou vyjadřuje vztah (1). Pak lze konstatovat, že všechny spektrální průběhy citlivostí zraku zjištěné pro různé adaptační jasy v oblasti fotopického, mezopického i skotopického vidění vykazují při záření základní vlnové délky λm = 555 nm stejné hodnoty citlivosti. Rovnice (1) se rozšíří i pro hodnoty světelných účinností záření K´´(555) v mezopické oblasti vidění, takže má tvar:
K(555) = K´(555) = K´´(555) = 683 lm/W (8)
V důsledku toho je možné pracovat se světelnými toky udávanými v lumenech nejen v oblasti denního a nočního vidění, ale také v oblasti mezopického vidění.
Obdobným postupem jako v případě fotopického a skotopického vidění lze stanovit poměrné spektrální světelné účinnosti V´´(555), jejich absolutní hodnoty K´´(λ) a jim odpovídající maxima K´´m pro různé adaptační jasy La také v oblasti mezopického vidění. Například pro uvažované adaptační jasy:
La = 0,1·cd·m–2: K´´m = 683/V(555) = 683/0,9035 = 756 lm/W (λ´´m = 532 nm)
La = 1 cd·m
–2: K´´m = 683/
V(555) = 683/0,9825 = 695 lm/W (
λ´´
m = 545 nm)
Pro ilustraci jsou spektrální průběhy absolutních hodnot světelných účinností záření (resp. spektrálních citlivostí zraku) pro fotopické i skotopické vidění a pro dva vybrané adaptační jasy (0,1 cd·m–2 a 1 cd·m–2) z oblasti mezopického vidění znázorněny na obr. 2.
Problematika mezopického vidění
V běžných vnitřních prostorech s umělým osvětlením jsou adaptační jasy většinou vyšší než asi 10 cd·m–2, a proto se průběhy poměrné spektrální citlivosti jen relativně málo liší od křivky V(λ); to je dobře patrné z rozložení křivek na obr. 1. Výjimkou je případ nouzového osvětlení, kde jsou adaptační jasy výrazně nižší, např. 0,1 cd·m–2.
Co se týče venkovních prostorů s umělým osvětlením, jsou adaptační jasy nižší (např. 0,1 až 1 cd·m–2) než v běžných interiérech, neboť většinou nejde o prostory obklopené velkými světelně činnými plochami, které by podstatně ovlivňovaly hladiny adaptačního jasu. Proto se často zraková činnost ve venkovních prostorech odehrává v oblasti mezopického vidění. Typickým příkladem je vidění na uměle osvětlené komunikaci, kde mohou adaptační jasy být např. asi 0,3 cd·m–2.
V současné světelnětechnické praxi se počítá výhradně se světelnětechnickými veličinami odpovídajícími podmínkám fotopického vidění. Tato skutečnost však ve zmíněných případech venkovního a nouzového osvětlení způsobuje jisté odchylky mezi subjektivním vjemem pozorovatele a objektivními hodnotami fotometrických veličin. Velikost odchylek souvisí s adaptačními podmínkami i se spektrálním složením záření použitých světelných zdrojů.
Průběhy spektrální světelné účinnosti zraku pro různé adaptační jasy uvedené na obr. 2 umožňují převod energetických veličin záření na světelnětechnické veličiny. Je zřejmé, že pro různé úrovně adaptačních jasů pozorovatele se světelný tok odpovídající zářivému toku určitého světelného zdroje může významně lišit.
Vliv spektrálního složení záření světelných zdrojů na odchylku mezi subjektivním hodnocením situace pozorovatelem a výsledky objektivních fotometrických výpočtů či měření lze dokumentovat porovnáním hodnot světelných toků zdrojů pro různé adaptační jasy.
V případě teplotních světelných zdrojů jsou zmíněné odchylky relativně malé. Pro světelné zdroje s čárovým spektrem mohou však být až desetinásobné. Například pro adaptační jasy nižší než 0,1 cd·m–2 bude při stejných hodnotách fotopického jasu pozorovatel vnímat modré světlo desetkrát intenzivněji než světlo běžného teplotního zdroje.
Dalším názorným příkladem popsaného jevu jsou nízkotlaké sodíkové výbojky. Jejich zářivý tok je soustředěn v blízkosti vlnové délky 589 nm, tedy do oblasti, ve které je lidské oko při fotopickém vidění velmi citlivé. Proto hodnoty světelných veličin naměřené fotopickými přístroji budou v tomto případě vysoké. S poklesem hladin osvětlenosti do mezopické oblasti se citlivost oka na tento typ záření podstatně snižuje a výsledný dojem z osvětlení je výrazně temnější v porovnání s údaji fotopických přístrojů. Ještě větší odchylky se projeví při měření červeného světla, které se využívá např. k signalizaci v lodní a letecké dopravě. Pro ilustraci jsou v tab. 1 vypočítány světelné toky vybraných světelných zdrojů pro různé adaptační jasy zraku pozorovatele.
Tab. 1. Porovnání světelných toků různých typů světelných zdrojů při fotopickém, mezopickém a skotopickém vidění
| Vidění | Světelný zdroj |
| klasická žárovka
100 W | lineární zářivka
24 W/840 | halogenidová výbojka
150 W/830 | vysokotlaká sodíková výbojka 150 W |
| Světelný tok (lm) |
| fotopické | 1 380 | 1 750 | 14 500 | 16 700 |
| mezopické
(La= 1 cd·m–2) | 1 390 | 1 700 | 14 200 | 15 420 |
| mezopické
(La= 0,1 cd·m–2) | 1 510 | 1 660 | 13 940 | 13 010 |
| skotopické | 2 730 | 2 440 | 20 080 | 10 480 |
Složitost problematiky popisu vidění v mezopické oblasti navíc roste tím, že ve zmíněném světelném prostředí nemění jen citlivost zraku člověka k záření různých vlnových délek, ale i další aspekty vidění, např. rozsah zorného pole. Tyto další aspekty výrazně ovlivňují hodnocení zrakových úkolů pozorovatelem, např. reakční čas řidiče. Na obr. 3 a obr. 4 jsou znázorněny závislosti poměrného prahového kontrastu a reakční doby pozorovatele na jasu komunikace pro různé typy světelných zdrojů s odlišným spektrálním složením. Z obr. 4 je možné zjistit, že pro dosažení stejného reakčního času řidiče je při použití halogenidových výbojek zapotřebí šestkrát nižší jas než při použití vysokotlakých sodíkových výbojek.
Závěr
Hlavním důvodem chybějícího systému mezopické fotometrie je mimořádná složitost této problematiky. V souladu se standardní definicí světla podle CIE se vyžaduje, aby měřené veličiny byly svázány s procesem vidění. Z pohledu vidění musí být vyšší jas vztažen k účinnějšímu podnětu než jas nižší. V oblasti fotopického vidění je této vazby dosaženo integrací spektrálního průběhu zářivého toku podle funkce V(λ) a v oblasti skotopického vidění podle funkce V´(λ). Pro popis mezopického vidění však nestačí pouze jedna křivka spektrální světelné účinnosti, ale je zapotřebí celá sady křivek, u kterých se s klesající úrovní osvětlení od fotopického ke skotopickému vidění mění jejich tvar i maximální hodnota (obr. 2) [3], [4], [5].
V současné době se řešení problematiky mezopického vidění věnuje v rámci Mezinárodní komise pro osvětlovaní divize 1 (TC 1-58). Snahou této komise je nalézt způsob, jak mezopickou fotometrii zavést do světelnětechnické praxe. Paralelně probíhají práce na dalších projektech, které se zabývají touto problematikou. V rámci Evropské unie to byl např., v současné době již ukončený, projekt MOVE.
Popsaná studie je součástí výzkumného záměru MSM 6840770017 Rozvoj, spolehlivost a bezpečnost elektrotechnických systémů.
Recenze: doc. Ing. Jiří Plch, CSc.
Literatura:
[1] The IESNA Lighting Handbook. 9th Edition, IESNA, 2000.
[2] ISO 23539/CIE S010:2005 Photometry – The CIE system of physical photometry. 2005.
[3] WRIGHT, W. D.: Researches on Normal and Defective Colour Vision. London, Kimpton, 1946, s. 80–85.
[4] KINNEY, J. A. S.: Sensitivity of the eye to the spectral radiation at scotopic and mesopic intensity levels. J. Opt. Soc. Amer., 1955, č. 45, s. 507–514.
[5] KINNEY, J. A. S.: Comparison of scotopic, mesopic and photopic spectral sensitivity curves. J. Opt. Soc. Amer., 1958, č. 48 s. 185–190.
[6] PALMER, D. A.: Mesopic photometry with non-monochromatic lights. J. Opt. Soc. Amer., 1974, č. 64, s.1386.
Obr. 1. Křivky poměrné spektrální citlivosti zraku k záření různých vlnových délek (resp. Průběhy poměrných světelných účinností záření) pro fotopické (adaptační jas La = 100 cd•m–2), mezopické (adaptační jasy La= 1cd•m–2, 0,1 cd•m–2) a skotopické (adaptační jas La= 10–5 cd•m–2) vidění
Obr. 2. Průběhy absolutních hodnot světelných účinností záření pro fotopické, mezopické a skotopické vidění
Obr. 3. Závislost poměrného prahového kontrastu na jasu komunikace pro různé typy světelných zdrojů
Obr. 4. Závislost reakčního času pozorovatele na jasu komunikace pro různé typy světelných zdrojů
