Schanda János Veszprémi Egyetem Képfeldolgozás és Neuroszámítógépek Tanszéke

Átírás

1 Schanda János Veszprémi Egyetem Képfeldolgozás és Neuroszámítógépek Tanszéke 1. Bevezetés A világítástechnikát különösen vonzóvá teszi az a tény, hogy egyszerre mérnöki tudomány és! " #! $ %!! % &! # & & $ & " # hátteret a fotometria nyújtja. " & ## # annak az igénye, hogy ## '!! #&! " # #!! ( Nemzetközi Világítástechnikai Bizottság (CIE genfi ülésén jóváhagyta a mai napig szinte változatlanul használt fotometriai rendszert. Ez a 75 éves jubileum jó alkalom arra, hogy egyrészt megvizsgáljuk, &! & # változásokon, kiegészítéseken ment át az elmúlt háromnegyed évszázad alatt, s milyen új!! A CIE felkérésére a Magyar Nemzeti Bizottság ez év szeptember 30. és október 2. között az MTA Székházában három napos nemzetközi szimpózium keretében fogja ezen kérdéseket megvitatni. Jelen helyen a rendezvény végkövetkeztetéseit természetesen nem tudjuk megjósolni, csak a hazai világítástechnikusok figyelmét tudjuk a szakmájuk mérnöki alapjait nyújtó fotometria kérdéseire ráirányítani. 2. Történelmi áttekintés 2.1 Korai fotométerek " ## # ##! %! ## kidolgozásával. Bouguer 1 *(+,% -#- && a két összehasonlítandó fényforrás, s a fényforrásokat közelítve - távolítva a papírmintáktól kellett a &&. Rumford fotométere is ( / összehasonlításon alapuló (ún. vizuális, fotométerek mind kihasználták a világítástechnikai tervezésünknek &0 1 ## ## # 2 ## & 343 században tett felismerés hozta meg: Ha két megvilágított felületet közvetlenül egymás mellett látunk, # # " #!!

2 / & Richi ( fotométerében, ahol két matt fehér felületet világít meg a két vizsgálandó fényforrás, és a két felület egy éket alkot (lásd 1. ábra. 1. ábra: A Richi fotométer elvi felépítése. Ezt az elvet fejlesztette tovább Bunsen (1843 4, aki már "fotométer fejet" is szerkesztett, lásd 2. ábra. A Bunsen - fotométer kiküszöböli sok modernebb vizuális fotométernek azt a hibáját, hogy ha a # & Richi fotométernél, a lemez # # állandó. 2. ábra: A Bunsen fotométer elvi felépítése. A vizuális fotometria legérzékenyebb, a legpontosabb # eszköze a Bunsen fotométer továbbfejlesztése, a Lummer - Brodhun fotométer ( A 3. ábrán bemutatott "kontraszt" fotométernél a látótér egyik felét az egyik, másik felét a másik ##! " # & -Lummer - 6 # - ## # & ' # # " fényforrások által létrehozott megvilágítást akkor tekintjük azonosnak, amikor egyrészt a két nagyobb # # ' # látszó trapéz alakú felületek kontrasztja azonos. 2

3 3. ábra: Lummer Brodhun kontraszt fotométer. 2.2 Villogásos fotometria " ## $ # # ## 2 # 6, a villogásos fotometria: Ha két fénynyalábot felváltva vetítünk szemünkbe, és a két fénynyaláb mind ' # &! frekvencia esetén (< 10 Hz mind az intenzitásbeli lüktetést, mind a színi változást észleljük. A váltási # %! # * 7 8 9, 7! érzékeljük a kétféle szín váltását, csak az intenzitás lüktetést. Még nagyobb frekvencián az intenzitás - Ha a váltási frekvenciát arra a közepes értékre állítjuk, melynél szín - lüktetést már nem érzékelünk, de intenzitás lüktetést még igen, s a két megvilágító fényforrás relatív távolságát változtatjuk, lüktetési minimumot tudunk beállítani. Ekkor mondjuk, hogy a két fényforrás által /! okozta megvilágítások összehasonlítására. " 33 '' monokromatikus sugárzások által keltett "világosság" érzetet mind a heterochromatikus közvetlen összehasonlítás módszerével, mind a villogásos fotometria eljárásával 7,8. " :4/ *;9<% hozta meg korszakos döntéseit. 2.3 A modern fotometria születése 1924-ben a CIE genfi 6. kongresszusán az USA nemzeti bizottsága javaslatot terjesztett be, mely megalapozta a fotometria új, egységes rendszerét 9. "! & =, <;, " # # &! 4 # A származik az 5. ábra, mely az eredmények táblázatos összefoglalását tartalmazza. Itt látható két 3

4 közvetlen összehasonlításos módszerrel és két, a villogásos fotometria módszerével mért kísérleti adatsor, az USA-ban korábban használt láthatósági színkép (I.E.S valamint az új ajánlásnak # =Proposed. A közvetlen kísérleti adatokat 400 nm-ig és 760 nm-ig extrapolálták. 4. ábra: A láthatósági faktorok mérési eredményeinek facsimile grafikonja (lásd 9. A CIE az 1924-es ülésén a láthatósági görbe táblázatát az 5. ábrán javasolt formában hagyta jóvá 10. Érdemes ezzel kapcsolatban a vonatkozó (4. határozat szöveges részét idézni: "(4 A Nemzetközi Világítástechnikai Bizottság általános használatra javasolja, hogy az alábbi adatokat, mint ideiglenes adatokat használják láthatósági faktorokként." A bizottsági ülésen a "javasolja" szó körül vita alakult ki, míg franciában a "recommends" csak gyenge, az angolban határozottabb javaslat. A bizottság csak a gyengébb értelemben, mintegy "kipróbálásra javasolja" értelemben, kívánta használni a kifejezést. A másik lényeges megállapítás, hogy "comme valeurs provisoires, azaz mint ideiglenes adatokat" javasolta a bizottság a táblázat adatait. Az I. táblázatban feltüntettük az 1924-es adatokat és a CIE által jelenleg javasolt értékeket 11. Az 1991-es adatok 360 nm és 830 nm között 1 nm-es lépésközzel rögzítik a V ( görbét. Az 4 # *, nm-es lépésközhöz tartozó értékeket a manapság leginkább használt 380 nm 780 nm közötti tartományban. Mint látható, az "ideiglenes" adatok igen jól átvészelték a háromnegyed évszázadot, eltérések csak a sokadik tizedesben vannak, azok is csak a görbék pontosabb interpolálása során keletkeztek. " *;9<% & # lépéseket a világítástechnika egységes szóhasználata és egységrendszere érdekében is. 4

5 5. ábra: Az 1924-ben jóváhagyott V( láthatósági értékek eredeti táblázatos formája (lásd 10. 5

6 1. táblázat: A láthatósági függvény eredeti (1924-ben jóváhagyott 10 és jelenleg javasolt (1991-es ajánlás 11 adatai. Hullámh. Láthatósági érték Hullámh. Láthatósági érték Hullámh. Láthatósági érték nm nm nm ,0004 0,0012 0,0040 0,0116 0,023 0,038 0,060 0,091 0,139 0,208 0,323 0,503 0, , , , , , , , , , , , , , ,710 0,862 0,954 0,995 0,995 0,952 0,870 0,757 0,631 0,503 0,381 0,265 0,175 0,107 0, , , , , , , , , , , , , , ,061 0,032 0,017 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Meghatározták az olyan fogalmakat, és egységes jelölésüket, mint a fényáram (F, a (I, a megvilágítás (E stb. $ V ( 8! # # érdemes ezen táblázatba foglalt értéksor fogalmának változására rámutatnunk ben a "facteur de visibilité- #!!0 "monokromikus sugárzás 'láthatósági értéke az adott sugárzás fényáramának és sugárzott teljesítményének hányadosa." A 'relatív láthatósági érték a láthatósági faktor maximális értékéhez viszonyított érték ban amikor a fizikai fotometria ma is érvényes megfogalmazása készült 12 már árnyaltabban "effecacité lumineuse relative spectrale" vagy "spectral luminous efficiency function"-ról beszél a jelentés. Ezt a meghatározást rögzíti a Nemzetközi Világítástechnikai szótár 13 és annak alapján a magyar szabvány 14 is. " Spektrális fényhatásfok; láthatósági függvény (egy hullámhosszú monokromatikus sugárzásra vonatkozó ( V ( fotopos (világosban látás; V '( szkotopos (sötétben látás. A m hullámhosszon sugárzott teljesítmény osztva a hullámhosszon sugárzott teljesítménnyel úgy, hogy meghatározott fotometriai feltételek # # m hullámhosszat úgy választják, hogy az arány legnagyobb értéke 1 legyen." 6

7 " # &! *;9<% -visibilité" "láthatóság" és 1983-ban a "luminous sensation" "fényérzékelés" fogalmát nem definiálták. Ezért sok esetben a világosság & # #! a V ( függvény szerint súlyozott sugárzott teljesítményt. Ez azonban színes sugárzás esetén helytelen (lásd 3. fejezet. 2.4 " *;9<% :4/ # # # # '! ' " # #! # V ( görbe mellett a "sötétben látás" körülményei közt használható szkotopos V '( görbe rögzítése jelentette. Bár a Purkinje jelenség, a láthatósági # # *;9<% szkotopos láthatósági görbét csak 1951-ben szabványosította a CIE 15. A # # korrigálásának szükségességét 16, mert az y( függvény, mely definíció szerint a V ( függvénnyel azonos, a kék színképtartományban kisebb értékeket vesz fel, mint az a vizuális észleletek szerint helyes lenne. Ezt a javaslatot 1951-ben a CIE elvetette és csak 1988-ban szabványosított egy #& &! görbét 17. A 6. ábra ezt a V M (? *;9<% # V ( és az 1951-es szkotopos V '( A # *,B% # 20 is, melyet bár nem szabványosítottak fotometriai célra, de sok közleményben használják. 6. ábra: A V(, V M ( és V ( és az y 10 ( görbe spektrális menete. A fotopos és szkotopos láthatósági görbék rögzítésével természetesen felmerült az igény, hogy # ' mezopos tartomány számára is készüljön fotometriai /! ' # mezopos tartományban fekszenek. A CIE az elmúlt 50 évben több nekifutásban is próbálkozott a kérdés megoldásával, de napjainkig sikertelenül. Az 1988-ig végzett kísérleti munka összefoglalását egy technikai jelentésben találjuk meg 18, az azóta folyó kutatómunka azonban még csak a technikai 7

8 ! & " szkotopos - mezopos - fotopos fotometria!! 3. 0! egyeztessük ezeket villogásos fotometria segítségével Vegyük ezek után az így meghatározott,! #% ## " ## =&? " #! & =?! ' ## / #! fogjuk tapasztalni, hogy a két inger által kiváltott érzet azonos, a beállított értéknél villogásos minimumot kapunk. Azt a jelenséget, hogy villogásos fotometriával azonos 7%2 8 # eltérésnek (diszkrepanciának hívjuk. A V ( láthatósági függvény megalkotásakor, miként arra a 2.3 fejezetben rámutattunk, a # - - #! " & használja ezt a megnevezést. Azonban 1931-ben a CIE megalkotta színmérési rendszerét, mely éppoly sikeresnek bizonyult, mint az 1924-es fotometriai rendszer 19,20. A CIE-XYZ rendszerben az y( # V ( függvénnyel azonosnak választották. " #! - - & # =? korrelátumaként a Y % #! C & :4/D"6 leírásában az L* neve!" (CIE 1976 lightness. Mai ismereteink tükrében ez szerencsétlen szóhasználat volt, mert a Helmholtz Kohlrausch hatás következtében a # -#- - - # bonyolultabb, a világosság!! " :4/ &! eljárást 21, mely 8 # megállapítsuk, két minta közül melyik látszik világosabbnak. A módszer nem határoz meg világossággal korreláló skálát. Ilyet fotometriai eljárás nem tartalmaz, a szín megjelenítési modellek próbálkoznak pszichometriai világosság skálák létrehozásával 22,23. " # # E 2 -t, igen jól tudta a világítástechnika használni,! # " biológiai fiziológiai vizsgálatok meg is találták ezen látszólagos ellentmondás feloldását. Az emberi # $ 8% 8 ' képzelhetjük el a színlátás mechanizmusát, hogy a három féle csap-pigmens a látható színkép '% &% %''! elektro-kémiai változást, s e jelek - elektrokémiai potenciál változások a retina szintjén további ideg- ingerületekké alakulnak. Ennek során az egyik mechanizmus a hosszú és közepes &!!! /! pont és környezete gerjesztésének különbségére (vagy viszonyára reagál. A retinában az úgynevezett! # " & = 8?! & %! # agyba: a ganglion sejtek továbbítják az információt a látóidegekhez, melyeken nyugalmi állapotban is bizonyos átlagos gyakorisággal létrejönnek kisülések. Ha most a retina adott helyét nagyobb és a ' && /! # # =&? # Kísérletek kimutatták 24 # # # csatornának a színképi érzékenysége gyakorlatilag megegyezik a villogásos fotometriával mért & C! # & # # % #! " # % # # & 8

9 A világosság érzet kialakítása bonyolultabb, abban nem csupán a közepes és hosszúhullámhosszú csap - gerjesztések additív összegének a megfigyelt pont és annak környezete közti kontraszt jele vesz részt. Kialakulásához mindhárom csap típus (rövid-, közepes- és hosszúhulámmú színképtartományban érzékeny csap hozzájárul. A színes látás világosság érzetének pszichofizikai leírására az "# $$ " fogalmát vezették be 25, mely a vizsgált ' # #! F # # # G! mivel a teljes fotometriai rendszert az 555 nm-es monokromatikus sugárzás teljesítményének meghatározására vezetik vissza - az H # #! nm-es # Pálcika látás szerepe a világítás megítélésében " # = *, -3 cd/m 2 alatt a csapocskák már érzéketlenek, látásunkat teljes egészében a pálcikák közvetítik. Ez a 'sötétben' (szkotopos látás tartománya. Mivel a pálcikák "színvakok", ilyen körülmények között a V '( - láthatósági görbével felépített fotometriai rendszer 27 az adott körülmények között érzékelt világosság pszichofizikai leírására alkalmas. Ez #! I&& I =#&? E# eltéréséhez képest. 4.1 A mezopos látás fotometriája " # & && # (kb. 3 cd/m 2 fölött már nincsen szerepük. A 3 cd/m 2 és 10-3 cd/m 2 között (mezopos vagy alkonyi látás &% & % # &! & & A mezopos fotometria számára ezen feltételezéssel készültek fotometriai modellek 28, melyek közül egyiket sem ismerték el nemzetközileg. Ennek egyik oka talán az is, hogy mai ismereteink szerint a fotopos és a szkotopos látás tartományában más-más látási feladatot modellez a psychofizikai leírás: a #& # # =? # & # & I I " a V ( - görbével jellemzett fotometriáról a V '( - görbével meghatározottra, de változik a látási kritérium is, melyet az egyik, illetve másik rendszer leír. A #& # # '! szkotopos fotometria a világosság leírására alkalmas. A mezopos fotometria a közlekedés-világításban játszik nagy szerepet, mivel a legjobban világított utaktól eltekintve az útvilágítás # Napjainkban a #' ## 0 ' Na-lámpa és nagynyomású fémhalogén lámpa közt. A 7. ábrán a két lámpatípus egy-egy jellegzetes &! &! F ha azonos #& # a Na-lámpás és a fémhalogén-lámpás rendszerrel, úgy # V ( - görbével jellemzett látásból a V '( -val jellemzett felé haladva, a fémhalogén-lámpás rendszer szolgáltatta "látás" érzet lassabban csökken majd, mint a Nalámpás rendszer segítségével létrehozott érzet. Kísérletek 29,30 azt mutatták, hogy részletek felismerése, hirtelen felbukkanó apróbb tárgyak érzékelése a & &% II#%- útján jut el a tudatunkba, ezért útvilágítási tervezési feladatoknál, még ha a világítási szint a mezopos tartományba esik is, a #& # 4.2 Pálcika látás a $$ % A jelenleg használt fotometriai rendszerben a pálcika-kölcsönhatást figyelmen kívül hagyják. A hagyományos fotometria számára kihívást jelentettek Berman és munkatársai 31,32 munkái, akik kimutatták, hogy a nappali látás körülményei között is fontos szerep jut a pálcikák közvetítette látásnak, mivel a retinán, a legélesebb látást biztosító # & # # & & C például a szem pupillájának összehúzódását a & # #! 9

10 7. ábra: Tipikus fémhalogén-lámpa és nagynyomású Na-lámpa színképe. 2 &!%' ##! & #& #0 & # ezért olyan fotometriai leírást javasoltak, mely V ( és V '(! '! #! 4.3 Teljes színkép / kritikus hullámhosszokon való világítás "!! 8 ellentmondó azon közlemények, melyek egyik oldaláról azt propagálják, hogy világításra olyan fényforrást használjunk, mely a látható színkép minden tartományában sugároz 33 (ez még & &, szükségességével, noha más megfigyelések szerint ezen hullámhossztartományban való emisszió a jó látás és színfelismerés szempontjából káros. Másik oldalról a "tiszta látás", jó szín és részlet felismerés, optimális energia-hasznosítás, számára Thornton és munkatársai (lásd pl 34,35 azt javasolják, hogy a világítást a 450 nm, 533 nm és 611 nm -en sugárzó keskenysávú emisszióval G & '! =& #? Mindezen jelenségeket a mai fotometriai rendszer nem veszi figyelembe. Továbbfejlesztése &! = világítás 36 is képes következtetést levonni. 5. CIE fotometriai szimpózium Miként azt a dolgozat egyes fejezeteiben igyekeztünk bemutatni, annak ellenére, hogy 75 éve eredményesen használjuk a CIE fotometriai rendszerét, számos területen várható annak továbbfejlesztése. Az elmúlt 75 év eredményeinek összefoglalására és a nyitott kérdések áttekintésére a CIE 1999 szeptember 30. és október 2. között Budapesten szimpóziumot szervez. Ezen rendezvényen számos # # 10

11 " & # % # kapcsolódnak: Prof. Valberg (Norvégia: A fotometria látásfiziológiai alapjai; Dr. Blevin (Ausztrália: A CIE fotometriai rendszerei és a Méteregyezmény szabványos fotometriai egységei; Dr. McGowan (USA: A fényforrás gyártók fotometriai szempontjai; Dr. Rea (USA: Az alkalmazott világítástechnika fotometriai elvárásai; Dr. Veitch (:?0 " # # " J 7 =J "#? :4/ $! J KL =M&? :4/ D!! " # & & " & &! # # &!0 "! :4/ #! F! # # # is üdvözölhetünk a rendezvényen. Irodalom 1 Bouguer, lásd Walsh JWT, Photometry, 3rd ed. Constable, London, Rumford, lásd Walsh JWT, Photometry, 3rd ed. Constable, London, Richi, lásd Walsh JWT, Photometry, 3rd ed. Constable, London, Bunsen, lásd Walsh JWT, Photometry, 3rd ed. Constable, London, Lummer, lásd Walsh JWT, Photometry, 3rd ed. Constable, London, Ives, Phil. Mag. ( Hyde EP, CIE Cinquième Session, Paris, July Recueil des Travaux et Compte Rendu des Séances, pp Gibson KS, and Tyndall, Bureau of Standards Scientific Papers, No Gibson KS, The relative visibility function, CIE Sixième Session, Genève, Juillet, Recueil des Travaux et Compte Rendu de Séances, Cambridge, the Univ. Press, 1926, pp Pincipales décisions de la Commission Internationale de l'éclairage (6 e Session, 1924, CIE Sixième Session, Genève, Juillet, Recueil des Travaux et Compte Rendu de Séances, Cambridge, the Univ. Press, 1926, pp Commission Internationale de l'éclairage, CIE/ISO, CIE standard colorimetric observers, ISO/CIE Commission Internationale de l'éclairage, The basis of physical photometry, CIE Commission Internationale de l'éclairage, CIE/IEC, International lighting vocabalary, CIE Magyar Szabvány, Fénytechnikai terminológia, A sugárzás alapfogalmai, mennyiségei és egységei, MSZ , Yves le Grand, CIE Comité d'études sur la lumière et la vision, Rapport du Secrétariat, CIE Douzième Session, Stockholm, 1951, Receuil des travaux et compte rendu des séances, Vol p

12 16 ICI TC 7, Colorimetry and artificial daylight, Reprot of Secretariat, CIE Douzième Session, Stockholm, 1951, Receuil des travaux et compte rendu des séances, Vol p Commission Internationale de l'éclairage, spectral luminous efficiency function for photopic vision, CIE Commission Internationale de l'éclairage, Mesopic photometry: lhistory, special problems and practical solutions, CIE Commission Internationale de l'éclairage, Proc. 8th Session, Cambridge, pp Commission Internationale de l'éclairage, Colorimetry, CIE Commission Internationale de l'éclairage, Models of heterochromatic brightness matching, Res. note in CIE-Journal 5/ Farichild MD, Colour appearance models, Addison-Wesley Longman, Reading, Commission Internationale de l'éclairage, The CIE 1997 interim colour appearance model (simple version, CIECAM97s, CIE Lennie P, Pokorny J, Smith VC, Luminance, JOSA A 10/ Commission Internationale de l'éclairage, lásd equivalent luminance definició. 26 D :4/ J* *;;>%! 27 Commission Internationale de l'éclairage, Vol. 3, Table II, pp , Proc. 12 th Session, Stockholm Commission Internationale de l'éclairage, Mesopic photometry: History, special problems and practical solutions, CIE Rea M, He Y, Bierman T, Toward a system of mesopic photometry based upon M-channel response, Proc. NPL-CIE-UK Conference, Visual scales, Photometric and colorimetrc aspects, pp Rea M, Bierman T, McGowan T, Dickey F, Havard J, A field test comparing the effectiveness of metal halid and high pressure sodium illuminants under mesopic conditions, Proc. NPL-CIE-UK Conference, Visual scales, Photometric and colorimetrc aspects, pp Berman SM, Jewett DL, Benson BR, Law TM, Despite different wall colors, vertical scotopic illuminance predicts pupil size, J IES, 26/2, Berman SM, Jewett DL, Two-dimensional photometry for interionr surround lighting, J IES, 27 Winter 1998, Brainard GC, The biological and therapeutic effects of light, in Color for Science, Art and Technology, ed.: Nassau K, Elsevier Sci. BV W.A. Thornton, Toward a more accurate and extensible colorimetry. Color Res. Appl. Part I, 17/2, ; Part II, 17/3, ; Part III, 17/4, ; Part IV, 22/3, ; Part V, 23/2, ; Part VI, 23/4, Brill MH, Finlayson GD, Hubel PM, Thornton WA, Prime colors and color imaging, IS&T/SID Sixth Color Imaging Conference: Color Science, Systems, and Applications SunBurst Resort, Scottsdale, AZ, Commission Internationale de l'éclairage, Proceedings of the first CIE symposium in lighting quality, Ottawa, Canada, May 1998, CIE x