Mezopické videnie – čo to je a čo to prinesie pre prax?

Cieľom tohoto článku je uviesť čitateľov do problematiky mezopického videnia. Je to problematika, ktorá stále intenzívne zamestnáva svetelnotechnické pracoviská vedeckovýskumných inštitúcií na celom svete. Skúma sa fyziologická podstata mezopického videnia a hľadajú sa vhodné metódy na jeho využitie v praxi. Súčasný stav problematiky a návrhy aplikačných postupov pri navrhovaní a meraní osvetlenia budú postupne predstavené v sérii ďalších článkov.

1. Úvod

Viacerí sa ešte pamätajú na dobu, keď biele svetlo ortuťových výbojok postupne začalo striedať žlté svetlo „sodíkoviek“. Takéto osvetlenie potom pretrvalo niekoľko desaťročí. Po roku 2000 sa vo verejnom osvetlení opäť dostalo k slovu biele svetlo – najprv z kompaktných žiariviek, neskôr z konštrukčne významne zmodernizovaných halogenidových výbojok a v súčasnosti už takmer niet inej alternatívy ako svetelných LED zdrojov. Tie produkujú biele svetlo rôznej (náhradnej) teploty chromatickosti (teplébiele, studené biele).

V praxi sa pri porovnávaní rôznych riešení často operuje s merným výkonom svetelných zdrojov, ktorý vyjadruje mieru účinnosti premeny elektrickej energie na svetlo a udáva sa v lúmenoch na watt (lm/W). Porovnáva sa merný výkon rôznych svetelných zdrojov medzi sebou a diskutuje sa o tom, ktorý z nich je účinnejší. Je však takéto porovnávanie korektné? Pri určovaní merného výkonu sa vychádza z katalógových údajov svetelného toku, ktoré platia pre podmienky denného (fotopického) videnia. Po zotmení je zrak nastavený ináč, pracuje v inom režime a v podstate to znamená, že svetelný tok má inú hodnotu. Nie je jednoduché ju stanoviť – závisí od konkrétnych podmienok a tiež od spektrálnej skladby svetla vyžarovaného svetelnými zdrojmi. Preto napríklad dva svetelné zdroje s rovnakým merným výkonom pri fotopickom videní, ale s rozdielnou farbou svetla budú mať v podmienkach verejného osvetlenia rôzny merný výkon.

Podobne je to aj pri určovaní parametrov osvetlenia pozemných komunikácií. Pri výpočte sa vychádza zo svietivosti svietidla (v určitom smere) pre fotopické videnie. Čo však v prípade, ak v podmienkach verejného osvetlenia budú skutočné hodnoty jasu alebo osvetlenosti odlišné? Ako ich porovnať s požadovanými hodnotami? A sú potom vlastne hraničné hodnoty nastavené správne?

Odpovedať na tieto otázky nie je jednoduché. Odpovede budú autori hľadať v tomto a v nasledujúcich článkoch venovaných problematike mezopického videnia.

Obr. 1. Rozloženie tyčiniek a čapíkov na sietnici oka

2. Čo je to mezopické videnie?

Kým sa dostaneme k aplikáciám, musíme si ujasniť, v čom spočíva podstata mezopického videnia z fyziologického hľadiska.

Ľudské oko je na sprostredkovanie videnia vybavené receptormi, ktoré sa nachádzajú na sietnici, kam dopadá obraz z okolitého sveta. Na sietnici sú dva druhy svetlocitlivých receptorov (obr. 1). Čapíky sprostredkúvajú denné, fotopické videnie, kým tyčinky sprostredkúvajú nočné, tzv. skotopické videnie. Čapíky sú troch druhov a umožňujú vnímať farby. Nočné videnie pomocou tyčiniek je len čiernobiele. Jeden druh receptora nedokáže zabezpečiť videnie za intenzívneho jasného slnečného svetla a súčasne pri slabom nočnom svite hviezd. Oko sa na jasové podmienky dokáže prispôsobiť (adaptovať), čo nejaký čas môže trvať. Jas, na ktorý sa oko adaptuje, sa nazýva adaptačný jas. V závislosti od adaptačného jasu oko prepína medzi funkciou čapíkov a tyčiniek, a tak sa rozlišujú druhy videnia podľa tab. 1.

Tab. 1. Druhy videnia v závislosti od adaptačného jasu

Vo svetelnej technike sa používa fotometrický systém veličín a jednotiek. Potreba takéhoto systému vyplýva zo špecifických vlastností ľudského oka ako receptora. Svetlo je vo svojej podstate elektromagnetickým žiarením, ale z celého širokého spektra žiarenia predstavuje iba úzku oblasť vymedzenú vlnovými dĺžkami 360 a 780 nm. Oko nevníma jednotlivé vlnové dĺžky rovnako dobre – najcitlivejšie je na zelenožltú farbu, ale červenú a modrú oblasť spektra vníma horšie (obr. 2). Ak je treba umelým osvetlením vytvoriť dobré podmienky videnia, čo je základnou úlohou osvetľovacích zariadení, je nutné zohľadniť vlastnosti a citlivosť ľudského oka.

Obr. 2. Spektrálna citlivosť ľudského oka pre fotopické V(λ) a skotopické V’( λ) videnie

Základnou fotometrickou veličinou je svetelný tok Φ (lm). Je známe z teórie, že sa definuje na základe žiarivého toku Φe (W) so zohľadnením spektrálnej citlivosti ľudského oka V (λ), ktorého priebeh je na obr. 2. Na prepočet sa použije nasledujúci vzťah:

kde

Takto sa spektrálna hustota žiarivého toku preintegruje pre jednotlivé vlnové dĺžky cez pomernú spektrálnu citlivosť ľudského oka, ktorá dosahuje maximálnu hodnotu V(λ) = 1 pri vlnovej dĺžke 555 nm, jej krivka má približne tvar gaussovskej funkcie a klesá k nulovým hodnotám pre vlnové dĺžky menšie ako 360 nm a väčšie ako 780 nm. Tým je vymedzená spektrálna oblasť videnia – mimo rozsahu uvedených vlnových dĺžok žiarenie nesprostredkúva zrakové procesy. Vzťah (1) sa ešte normuje prostredníctvom maximálnej fotometrickej účinnosti optického žiarenia K_m, ktorá určuje teoretické maximum merného výkonu akéhokoľvek svetelného zdroja. Vzťah 1 a hodnoty uvedené vyššie platia pre podmienky fotopického videnia. Na výpočet svetelného toku zo žiarivého toku pri skotopickom videní platí obdoba vzťahu 1. Maximálna fotometrická účinnosť optického žiarenia pri skotopickom videní je K’_m = 1 700 lm·W^–1 a dosahuje sa pri vlnovej dĺžke λ = 507 nm, kde má maximum krivka spektrálnej citlivosti ľudského oka pre skotopické videnie V‘(λ) (pozri obr. 2).

3. S/P pomer svetelných zdrojov

Treba si uvedomiť, že svetelný tok nie je vlastný svetelnému zdroju. Je to veličina, ktorá vychádza z vlastností zraku a musí rešpektovať podmienky videnia. Vo svetelnej technike si odborníci zvykli na to, že svetelný tok je údaj, ktorý možno nájsť v katalógu. Podobne to platí aj pre iné veličiny odvodené zo svetelného toku, napr. pre krivky svietivosti svietidiel uvádzané vo výmennom súborovom formáte Eulumdat, IES a pod. Sú to menovité hodnoty, ktoré platia za stanovených podmienok, okrem iného aj za podmienky fotopického videnia, keďže boli získané meraním pomocou fotónky korigovanej na spektrálnu citlivosť V (λ). V niektorých prípadoch exteriérového osvetlenia, predovšetkým vo verejnom osvetlení, sa ale uplatňujú podmienky mezopického videnia a svetelný tok udávaný v katalógu NEPLATÍ!

V súčasnosti ešte nie sú dopracované metódy pre aplikáciu mezopického videnia, objavil sa však parameter, ktorý bude mať pri aplikácii v praxi dôležitú úlohu – S/P pomer svetelného zdroja. Ide o pomer medzi skotopickým a fotopickým svetelným tokom (S/P = Scotopic/Photopic). S/P pomer sa už pomerne bežne uvádza v technických údajoch svetelných zdrojov alebo svietidiel s nevymeniteľnými svetelnými zdrojmi. Orientačné hodnoty S/P pomeru pre rôzne typy svetelných zdrojov udáva tab. 2. Percentuálne rozdiely medzi efektívnym a fotopickým jasom pri mimoosovom mezopickom videní pre svetelné zdroje s rôznym S/P sú uvedené v tab. 3.

Tab. 2. Približné hodnoty S/P pomeru pre rôzne druhy svetelných zdrojov

Z tab. 2 je zrejmé, že sodíkové výbojky sú vo verejnom osvetlení značne prehodnotené, lebo ich fotopický svetelný tok je výrazne vyšší ako skotopický. Z tab. 3 je ďalej patrné, že pri bežných jasoch vo verejnom osvetlení 0,5 až 0,75 cd·m^–2 rozdiel predstavuje takmer 10 %. Naopak halogenidové výbojky alebo LED s bielym svetlom s vyššou teplotou chromatickosti majú približne dvakrát vyšší skotopický tok ako fotopický a v jasovej oblasti verejného osvetlenia to predstavuje rozdiel väčší ako 20 %. Vzájomný rozdiel sodíkových výbojok a LED alebo halogenidových výbojok môže potom byť až 30 %.

Tab. 3. Percentuálne rozdiely medzi efektívnym a fotopickým jasom pri mimoosovom mezopickom videní pre svetelné zdroje s rôznym S/P

4. Aplikácia mezopického videnia v osvetlení

So skotopickým videním sa vo svetelnej technike takmer nemožno stretnúť, lebo jasové úrovne sú také nízke, že nemajú uplatnenie pri osvetľovaní umelým svetlom. Preto je celá súčasná fotometria založená na fotopickom videní. Podmienky mezopického videnia sa v interiéroch predpokladajú len pre núdzové osvetlenie, v exteriéroch predovšetkým pre verejné osvetlenie, v určitých prípadoch pre osvetlenie vonkajších pracovísk. Osvetlenie vonkajších športovísk spadá vždy do podmienok fotopického videnia.

S mezopickým videním sa vo všeobecnosti spájajú dva závažné problémy:
1. podmienky (napr. spektrálna citlivosť oka) v tejto prechodnej oblasti závisia od konkrétnej úrovne adaptačného jasu,
2. podmienky závisia od polohy pozorovaného objektu v zornom poli.

Druhý problém súvisí s rozložením receptorov na sietnici (obr. 1). Kým v oblasti centra videnia – tzv. fovey, je najvyššia koncentrácia čapíkov a tyčinky sa tam takmer nevyskytujú, smerom k okrajom sietnice narastá koncentrácia tyčiniek a znižuje sa koncentrácia čapíkov. Preto je foveálne videnie vo veľkosti zorného poľa približne 5° vždy iba fotopické, bez ohľadu na adaptačný jas. Uvedená časť zorného poľa je ale veľmi malá a vo vonkajšom osvetlení je dôležité aj periférne mezopické videnie.

Núdzové osvetlenie
V interiérovom osvetlení je to zrejme jediná aplikačná oblasť pre mezopické videnie. Predpokladajme, že núdzové osvetlenie sa zapne po výpadku hlavného napájania a v momente klesne intenzita osvetlenia na podstatne nižšiu hodnotu, ako bola v normálnej prevádzke. Ešte väčší rozdiel vznikne vtedy, ak sa osoby nachádzali v susedných priestoroch s vyššou intenzitou osvetlenia (napr. v kancelárii s priemernou osvetlenosťou minimálne 500 lx). Evakuácia musí začať okamžite, zrak ale na adaptáciu potrebuje určitý čas. Tento čas môže byť porovnateľný s časom úniku. To znamená, že podmienky mezopického videnia budú počas úniku užívateľa premenlivé. Problém možno očakávať aj v tom, že pre núdzové osvetlenie sú predpísané požiadavky na osvetlenosť a podmienky videnia závisia od jasov, ktoré sa v interiéroch dajú len ťažko odhadnúť, keďže nie je exaktne známy činiteľ odrazu povrchov.

Osvetlenie vonkajších pracovísk
Ak je celý areál alebo väčší priestor osvetlený intenzívnejšie, s jasmi nad 5 cd·m^–2, a zrak pracovníkov je na takýto jas adaptovaný, videnie je fotopické. Mezopické videnie sa bude uplatňovať pri plošnom osvetlení na nižšie hladiny osvetlenia a pri miestnom osvetlení, keď je zrak adaptovaný na nižšie jasy. Osvetlenie vonkajších pracovísk je veľmi rozmanité a jednotlivé situácie sa budú musieť posudzovať osobitne.

Verejné osvetlenie
Vo verejnom osvetlení sú jasy v rozsahu 0,1 až 2,5 cd·m^–2, čo plne spadá do podmienok mezopického videnia. Predpoklad je, že zrak užívateľa pozemnej komunikácie (vodič, chodec a pod.) je adaptovaný na priemerný jas osvetleného povrchu komunikácie. Osvetlenie vozoviek je jednou z mála aplikácií, kde je návrhovým kritériom jas. Je známa alebo predpokladaná poloha pozorovateľa aj odrazné vlastnosti povrchu komunikácie. V súlade s požiadavkami normy návrhový jas pre najnižšiu triedu osvetlenia M1 je 0,3 cd·m^–2 a pre najvyššiu triedu M1 je 2,0 cd·m^–2.

Návrhový jas je teda známy, ale stále nie je známy jas adaptačný. Za adaptačný jas možno považovať výsledný jas získaný výpočtom – na samotný výpočet však už adaptačný jas je treba vedieť. Riešením je iteračný výpočet, kde za prvý odhad možno použiť práve návrhový jas. Treba si ale uvedomiť, že na adaptačný jas má vplyv rozloženie jasov v zornom poli a aj veľkosť a tvar zorného poľa, ktoré sa v podmienkach mezopického videnia môžu meniť. Tieto zákonitosti sú predmetom prebiehajúceho výskumu v oblasti mezopického videnia.

V tab. 4 sú uvedené relatívne rozdiely mezopického a fotopického jasu pre adaptačné jasy bežné vo verejnom osvetlení a pre rôzne druhy svetelných zdrojov, t. j. pre rôzne pomery S/P. Hrubo orámovaná časť tabuľky platí pre triedy osvetlenia komunikácií M1 až M6. Nižší jas sa uplatňuje pre triedy osvetlenia P, kde je návrhovým kritériom osvetlenosť, a preto sa nedá bližšie uviesť stupeň triedy osvetlenia. Na základe tab. 4 možno konštatovať, že mezopicky účinnejšie sú svetelné zdroje s vyšším S/P pomerom (teda so studenšou farbou svetla) pri nižších adaptačných jasoch a rozdiely sa stierajú pre adaptačný jas blízky k 5 cd·m^–2.

Tab. 4. Percentuálny rozdiel medzi mezopickým a fotopickým jasom pre svetelné zdroje s rôznym S/P pomerom a pre adaptačné jasy bežné vo verejnom osvetlení

Čo to znamená v praxi? Skúsme si orientačný prepočet pre triedu osvetlenia M5 (návrhový jas 0,5 cd·m^–2). Softvér pre návrh (výpočet) osvetlenia pracuje s údajmi pre fotopické videnie. Donedávna sa vo verejnom osvetlení používali sodíkové výbojky, ktorých mezopický svetelný tok je približne o 6 % nižší (koeficient 0,94) ako fotopický. Teraz na osvetlenie použime LED zdroje a pri zohľadnení S/P pomeru a predpokladaného adaptačného jasu zhodného s návrhovým jasom nech ich mezopický svetelný tok je vyšší o 16 % (koeficient 0,84). Na rovnaký zrakový výkon bude stačiť fotopický jas 0,5 cd·m^–2 × 0,94 × 0,84 = 0,4 cd·m^–2. Tento výpočet treba chápať len ako ilustratívny.

5. Negatívne javy z aplikácie mezopického osvetlenia v praxi

Hoci ešte metodika praktickej aplikácie fotometrie mezopického videnia je stále v procese tvorby, v praxi sa už vyskytli prípady, keď sa výhody vyplývajúce z mezopického videnia zneužívajú uvádzaním nepravdivých tvrdení – či už zámerne, alebo ako dôsledok nekompetentnosti.

Príkladom takéhoto konania je graf na obr. 3, ktorý vysvetľuje mezopické videnie ako prechod medzi krivkami spektrálnej citlivosti oka pre fotopické V(λ) a skotopické V‘(λ) videnie (na rozdiel od obr. 2 tieto krivky nie sú normované, preto majú rozdielne maximá). Tento graf bol zverejnený v katalógu výrobcu svietidla a na jeho webovej stránke. V skutočnosti ale prechod nie je skokom z jednej krivky na druhú – ale spojitý prechod medzi týmito krivkami! To znamená, že pre každý adaptačný jas platí pri mezopickom videní samostatná krivka; pri veľmi nízkych adaptačných jasoch sa blíži ku krivke V‘ (λ) (krivka vľavo na obr. 3), pri vysokých adaptačných jasoch nad 5 cd·m^–2 už postupne splýva s krivkou V(λ).

Obr. 3 Neodborné, nesprávne a zavádzajúce informácie o mezopickom videní (z obrázku bolo pre zachovanie diskrétnosti odstránené označenie výrobcu, 
zdroj: internet – print screen)

Iným príkladom je výňatok z katalógu na obr. 4, kde sú údaje o S/P pomere vyjadrené v lúmenoch, a navyše sú uvedené ako rozsah! Cieľom tejto tabuľky bolo ukázať, že pri mezopickom videní – a pri použití daného výrobku, je svetelný tok vyšší, ako majú konkurenčné svetelné zdroje. Na dokreslenie ešte treba uviesť, že výhodnejší svetelný tok pri mezopickom videní bol použitý pri zhotovovaniu návrhu osvetlenia (v programe Dialux) vnútorného športoviska, kde sa mezopické videnie vôbec neuplatňuje.

Obr. 4. Neodborné, nesprávne a zavádzajúce informácie o S/P pomere
(zdroj: internet – print screen)

6. Záver

Poznatky o mezopickom videní sú vo svetelnotechnickej praxi ešte málo známe a aplikačná metodika je ešte stále vo vývoji. To často vedie k chybným záverom a k uplatňovaniu neadekvátnych postupov a požiadaviek – či už je to nekritické porovnávanie účinnosti rôznych typov svetelných zdrojov, alebo priam bezprecedentné zavádzanie zákazníkov pri ponuke produktov a riešení. S aktuálnym stavom poznania v oblasti mezopickej fotometrie by sa mal oboznámiť každý svetelný technik, najmä tí, ktorí sa špecificky venujú oblasti verejného osvetlenia.

doc. Ing. Dionýz Gašparovský, PhD., Mgr. Roman Dubnička,
Fakulta elektrotechniky a informatiky STU v Bratislave
dionyz.gasparovsky@stuba.sk

Literatúra:
[1] SCHWARCZ, P. Applications of CIE recommended mesopic model for road lighting. In: SVĚTLO – LIGHT 2011. Ostrava: VŠB-TU Ostrava, 2011, s. 143–145. ISBN 978-80-248-2480-2.
[2] HALONEN, L. a M. PUOLAKKA. CIE and Mesopic Photometry. In: Proceedings of 27th Session of the CIE. Wien: CIE, 2011, 3–9. ISBN 978-3-901906-99-2.
[3] GAŠPAROVSKÝ, D. a R. DUBNIČKA. Mezopické videnie – čo to je a čo to prinesie pre prax? In: Slovalux 2015. Bratislava: SSTS, 2015, s. 32–40. ISBN 978-80-972014-7-0.
[4] GAŠPAROVSKÝ, D. a A. SMOLA. Problematika mezoptického videnia pri osvetľovaní vonkajších priestorov – kedy a prečo je biele svetlo účinnejšie? In: 35. konferencia elektrotechnikov Slovenska. Bratislava: Slovenský elektrotechnický zväz, 2011, s. 58–68.
[5] CIE 191:2010. Recommended System for Mesopic Photometry based on Visual Performance. Vienna: CIE, 2010.
[6] TNI CEN/TR 13201-1:2015. Osvetlenie pozemných komunikácií. Časť 1: Výber tried osvetlenia.
[7] STN EN 13201-2:2017. Osvetlenie pozemných komunikácií. Časť 2: Svetelnotechnické požiadavky.

---

Vyšlo v časopise Světlo č. 2/2018 na straně 47.
Tištěná verze – objednejte si předplatné: pro ČR zde, pro SR zde.
Elektronická verze vyšlých časopisů zde.