A zavaró káprázás hullámhossz függésének vizsgálata az éjszakai autóvezetés körülményei között

Átírás

1 Fekete Sándorné A zavaró káprázás hullámhossz függésének vizsgálata az éjszakai autóvezetés körülményei között Doktori (Ph.D.) értekezés Témavezetők: Prof. Dr. Schanda János, Sikné Dr. Lányi Cecília Pannon Egyetem Informatikai Tudományok Doktori Iskola Veszprém 2009.

2 A zavaró káprázás hullámhossz függésének vizsgálata az éjszakai autóvezetés körülményei között Értekezés doktori (Ph.D.) fokozat elnyerése érdekében Írta: Fekete Sándorné Készült a Pannon Egyetem Informatikai Tudományok Doktori Iskolája keretében Témavezetők: Dr. Schanda János és Sikné Dr. Lányi Cecília Elfogadásra javaslom (igen/nem)... (aláírás) A jelölt a doktori szigorlaton... % -ot ért el,... (aláírás) Az értekezést bírálóként elfogadásra javaslom: Bíráló neve:... igen/nem... (aláírás) Bíráló neve:... igen/nem... (aláírás) A jelölt az értekezés nyilvános vitáján...% - ot ért el Veszprém... a Bíráló Bizottság elnöke A doktori (Ph.D.) oklevél minősítése Az EDT elnöke

3 Köszönetnyilvánítás Köszönöm a Pannon Egyetem Informatika Tudományok Doktori Iskolájának, hogy alkalmat biztosítottak az ott folyó doktori képzésbe bekapcsolódni. Ezzel olyan kutatási lehetőséghez jutottam, amelyre csak nagyon kevés helyen lett volna lehetőségem. Köszönöm munkahelyemnek, a Pécsi Tudományegyetem Egészségtudományi Karának, hogy lehetővé tették doktori tanulmányaimat, erkölcsi és anyagi támogatást egyaránt nyújtva ahhoz, hogy eredményesen végezhessem kutatásomat, részt vehessek olyan jelentős nemzetközi konferenciákon, amelyekkel ismereteimet bővíthettem, tágíthattam, fontos szakmai és emberi kapcsolatokra tehettem szert. Külön köszönöm Dr. Peterka Gabriella volt igazgatómnak az inspirációt és azt, hogy végig figyelemmel kísérte tevékenységemet, és hogy a nehéz pillanatokon bátorító támogatásával átsegített. A legnagyobb köszönettel témavezetőimnek, Dr. Schanda Jánosnak és Sikné Dr. Lányi Cecíliának tartozom, akik mindvégig türelmes vezetőim voltak, útmutatásaikkal mindig a megfelelő mederben tartottak, önzetlen segítségükkel és tanácsaikkal egyengették munkámat, hozzájárultak tudományos értekezésem elkészítéséhez. Köszönetet mondok a VIRTUÁLIS KÖRNYEZETEK ÉS FÉNYTAN LABORATÓRIUM kutatócsoport minden tagjának, akikhez kérdéseimmel, kéréseimmel bátran fordulhattam (Beke László, Bodrogi Péter, Csuti Péter, Kosztyán Zsolt, Kránicz Balázs, Mátrai Rita, Sándor Norbert, Szabó Ferenc, Szalmás Attila, Tilinger Ádám, Várady Géza, Vas Zoltán), valamint azoknak az egyetemi hallgatóknak, akiknek a laboratóriumban eltöltött óráik nélkül ez a dolgozat nem születhetett volna meg. Köszönöm családom, férjem és gyermekeim türelmét, mindvégig kitartó szerető támogatásukat.

4 Tartalomjegyzék 1. Bevezetés Alapfogalmak Látásélesség, kontraszt, kontrasztérzékenység Káprázás Fotopos-, mezopos- és szkotopos fotometria Irodalmi áttekintés Gépkocsi-világítás A fényszórók rövid története Láthatóság Zavaró káprázás kísérlet A kísérleti környezet A kísérlethez használt eszközök A tesztalanyok kiválasztása A kísérlet előkészítése A kísérlet általános leírása A kísérletek leírásai Első előkísérlet reakcióidős kísérlet országúti animációs programmal A kísérlet célja A kísérlet főbb paraméterei A kísérlethez alkalmazott program A kísérlet leírása Következtetések Második előkísérlet reakcióidős kísérlet véletlen időközönként megjelenő szürke koronggal A kísérlet célja A kísérlet főbb paraméterei A kísérlethez alkalmazott program A kísérlet leírása Következtetések Harmadik előkísérlet a multimédiás kísérlet A kísérlet célja A kísérlet főbb paraméterei A kísérlethez alkalmazott program A kísérlet leírása Következtetések A zavaró káprázás érzékenységi görbéjének megalkotása...67 iv

5 A kísérlet célja A kísérlet főbb paraméterei A kísérlethez alkalmazott program A kísérlet leírása A zavaró káprázás érzékenységi görbéjének megalkotására vonatkozó kísérletek diszkussziója...71 Összefoglalás Tézisek...78 Theses Melléklet szakirodalom feldolgozás 2. Melléklet fotometriai fogalmak és mennyiségek Hivatkozások v

6 Összefoglalás, munkám célja Munkám célja az éjszakai látás körülményei között a szembejövő gépkocsi fényszórója által okozott káprázás színképi érzékenységi görbéjének meghatározása volt. Alkony után a biztonságos gépkocsivezetés csak mesterséges világítás mellett lehetséges. Mivel nem tudjuk a gépkocsivezető látóterét a nappali látáshoz szükséges szinten megvilágítani, az éjszakai közlekedés a mezopos tartományban történik. Fontos kérdés tehát az ilyenkor működő mechanizmusok pontos feltérképezése. A világosban látás érzékenységi görbéjét 1924-ben, a sötétben látás érzékenységi görbéjét pedig 1951-ben szabványosította a CIE, a mezopos (szürkületben) látás érzékenységi görbéjét azonban a mai napig nem sikerült szabványosítani, bár napjainkban több próbálkozás is történik a görbe megalkotására. Tudjuk, hogy az emberi látás másképpen működik világosban (fotopos), sötétben (szkotopos), valamint az átmeneti időszakban, a mezopos fénysűrűség tartományában. Míg világosban a színeket is jól látjuk, sötétben csak a formák, a kontraszt és a mozgás alapján tájékozódunk. Ezt a különbséget a szemben található különböző érzékelők, a csapok és a pálcikák okozzák. Világosban a három különböző hullámhossz tartományra érzékeny L, M, S csapok játszanak szerepet a látásban, sötétben és periférikus látásnál azonban csak a pálcikák működnek. A pálcikákban csak egyféle szembíbor van (rhodopsin), ezért a pálcikák színvakok. Az átmeneti mezopos tartományban a csap és pálcika mechanizmus váltja egymást: míg a csapműködés egyre gyengébben, a pálcikahatás egyre erősebben működik. Ez az átmenet azonban valószínűleg nem egy egyszerű lineáris átmenet, sokkal inkább egy bonyolult és eddig teljes részletességgel fel nem tárt folyamat. Fokozottan áll ez a káprázás jelenségére. A zavaró káprázás hullámhossz függésére nincs szabványos függvény, noha ahhoz, hogy olyan optimális gépkocsi fényszóró színképet dolgozzunk ki, amely jó látás mellett kevésbé kápráztat, mind a mezopos láthatóság, mind a fellépő káprázási színképi érzékenységet ismerni kell. A mezopos tartományban az emberi látásmechanizmus meglehetősen bonyolult, így nehéz általános érvényű, de egyszerű modellel leírni. Célom az volt, hogy a jelenleg ismert látási mechanizmusok segítségével olyan modellt alkossak, amely a teljes látható spektrumon jól írja le a kísérleti személyek szürkületi látási körülmények közötti káprázási érzékenységét. vi

7 Summary Investigation of spectral dependence of discomfort glare under night-time driving conditions After twilight safety driving is only possible under artificial lighting. Due to energy-saving considerations we are unable to illuminate the visual field of the driver to the level of daylight, driving has to happen under mesopic circumstances. To recognize obstacles under mesopic conditions the value of brightness and colour contrast between the background and obstacle is essential. If there is a glaring source in the field of vision this will lower the perception of contrast. The standardization of the photopic spectral luminous efficiency function and of the scotopic luminous efficiency function were standardized in 1924 and 1951, respectively. Fixing these curves the request has been raisedto develop a photometrical system for the mesopic range as well. Up to now no standardized photometric system has been accepted fro mesopic vision. The human vision operates differently in well lit environments, in dark, and in twilight i.e. in the mesopic luminance range. While under high illumination we can see colours as wel,l at night we perceive only shape, contrast and motion. These differences are used by the sensors in the eyes: cones and rods. In daylight the three-different wavelength range sensitive L, M, S cones play role in vision but in dark and at peripheral vision only the colour blind rods are operating. The rods have only one kind of light sensitive pigment, the rhodopsin. The transition from photopic, daylight vision to scotopic vision is not a simple linear transition, several attempts have been made to develop such a system, but non of them has been accepted up tp now. Human vision is a rather complex phenomenon in the range of mesopic region: while the cones operate weaker, the effect of rods becomes stronger. Accordingly it is hard to describe it by a general but simple model. This is especially valid for glare above all for discomfort glare. There is no standard function describing the wavelength dependence of discomfort glare, though, to develop such headlamps which have optimal spectrum and cause good vision beside less glare both the mesopic visibility and the glare spectral sensitivity must be known. Although, at present there is no recommendation how to construct a glare sensitivity curve there have been several attempts to determine a mesopic spectral sensitivity curve. One of these suggests th simple summation of the V(λ) an V (λ) functions. In my research I investigated the applicability of this recommendation as well. vii

8 I showed that the glare spectral sensitivity curve cannot be created by the simple linear combination of the V(λ) and V (λ) curves. Based on current knowledge of visual mechanisms I designed such model, which enables to describe the discomfort glare sensitivity of the test person in the whole visible spectrum (420 nm 660 nm) accurately. viii

9 Zusammenfassung, Ziel meiner Arbeit Untersuchung der Wellenlängenabhängigkeit der psychologischen Blendung unter Nachtverkehrsumständen Das Ziel meiner Arbeit war, unter den Umständen vom Nachtsehen die spektrale Empfindlichkeitskurve der durch den Scheinwerfer des entgegenkommendes Fahrzeuges verursachten Blendung zu bestimmen. Das sichere Fahren ist nach Abenddämmerung nur bei künstlicher Beleuchtung möglich. Da das Sehfeld des Fahrers nicht so beleuchtet werden kann, wie bei Tageslicht, geschieht der Nachtverkehr im mesopischen Bereich. Es ist also eine wichtige Frage, die in dieser Zeit wirkenden Mechanismen aufzuklären. Die CIE (Internationale Beleuchtungskommission) normierte die Empfindlichkeitskurve des Tagessehen im Jahre 1924, die Empfindlichkeitskurve vom Nachtsehen im Jahre 1951, aber es ist bis heute nicht gelungen, die Empfindlichkeitskurve vom mesopischen (Dämmerung) Sehen zu normieren, obwohl heutzutage mehrere Versuche angestellt werden, die Kurve zu bestimmen. Man weiß, dass das menschliche Sehen bei Tageslicht (beim photopischen Sehen), in der Dunkelheit (beim skotopischen Sehen) und im Übergangsbereich (beim mesopischen Sehen) anders funktioniert. Bei Tageslicht werden auch die Farben gut sichtbar, in der Dunkelheit kann man sich nur nach Formen, Kontrast und Bewegungen orientieren. Diesen Unterschied verursachen die verschiedenen Rezeptoren im Auge - die Zapfen und Stäbchen. Bei Tageslicht spielen die L-, M- und S-Zapfen, mit unterschiedlichen Wellenlängenempfindlichkeiten, beim Sehen eine wichtige Rolle, in der Dunkelheit und beim peripheralen Sehen funktionieren nur die Stäbchen. In den Stäbchen befindet sich nur einerlei Sehpurpur (Rhodopsin), deshalb sind die Stäbchen farbenblind. Im mesopischen Bereich löst der Mechanismus der Stäbchen den der Zapfen ab: die Zapfen funktionieren immer schwächer, und die Stäbchen immer stärker. Dieser Übergang ist aber wahrscheinlich kein linearer Übergang, sondern eher ein komplizierter und bisher noch nicht detailliert entdeckter Vorgang. Das bezieht sich auch auf die Blendung. Es gibt keine Normalfunktion für die Wellenlänge der störenden Blendung, obwohl man zur Erarbeitung des Spektrums eines optimalen Fahrzeugscheinwerfers, der bei guten Sichtverhältnissen weniger blendet, sowohl die spektrale Empfindlichkeit des mesopischen Sehens als auch die spektrale Empfindlichkeit der auftretenden Blendung kennen muss. Der menschliche Sehmechanismus ist im mesopischen Bereich ziemlich kompliziert, so ist es schwer, es mit einem allgemeingültigen, doch einfachen Modell zu beschreiben. Mein Ziel war mit Hilfe der gegenwärtigen Kenntnisse über die Sehmechanismen ein Modell zu bauen, das im ganzen sichtbaren Spektrum die Blendungsempfindlichkeit der Versuchspersonen bei Sichtverhältnissen in Dämmerung gut beschreibt. ix

10 1. Bevezetés Az ember és környezete közötti kapcsolatot az emberi érzékszervek valósítják meg. A valós világ tárgyairól, jelenségeiről látószervünk szolgáltatja a legtöbb információt hiszen a külvilágból érkező jelek mintegy 85%-át szemünkön keresztül kapjuk, melynek rendkívül nagy szerepe van a megismerés folyamatában. Ugyanakkor az ember tudatos környezetformáló tevékenysége és a látási képesség között is szoros kapcsolat van. A látás bonyolult időbeli és térbeli élettani folyamat, amelynek csak egyik része a fény érzékelése, másik része az agy működése. Azaz a szem érzékeli a környezet fénysűrűség különbözeteit, a fényt, a látás pedig az agy működése, az érzékelt adatok értékelése. Mivel fény nélkül nincs látás, a megfelelő látási feltételek biztosításához megfelelő fény szükséges. Legfontosabb természetes fényforrásunk a Nap, amely nap- és évszakonként változóan, meteorológiai viszonyoktól függően szolgáltat fényt számunkra. A világos órák száma azonban korlátozott, így az emberi kultúra fejlődése során egyre követelőbben jelentkezett az igény, hogy a természetes fénytől függetlenül is lássunk. Az emberiség történetében évezredeken keresztül a mesterséges fénykeltés egyetlen módja a tűz fényének felhasználása volt. Az égéstől független fényforrás szorosan kapcsolódik a technika utolsó évszázados rohamos fejlődéséhez. A látás a fény érzékelésén alapuló szem, ideg és agyműködés eredményeként jön létre. Az emberi szem környezete tárgyainak eltérő fénysűrűségeit észleli, de a jó látáshoz elsősorban megfelelő fénysűrűség kell. A kívánatos fénysűrűség elsősorban kellő megvilágítás alkalmazásával biztosítható. Ha látási feladatunkhoz csak természetes fény áll rendelkezésünkre, a kellő megvilágítás elsősorban csak építészeti módszerekkel (például árnyékolók, ellenzők, burkoló anyagok), illetve különböző szűrők, tükrök segítségével befolyásolható. Ha azonban mesterséges fény (is) rendelkezésünkre áll, a helyzet tovább bonyolódhat: amellett, hogy meg kell oldani a kétféle fényinger helyes arányát, ismernünk kell a jó mesterséges megvilágítással szemben támasztott követelményeket is, amelyek azonban sok esetben többé-kevésbé ellentmondhatnak egymásnak, így egyidejű kielégítésük gyakran komoly nehézségbe ütközik. A feladat azonban mindenképpen az, hogy az adott feltételeknek megfelelő optimumot biztosítsák, azaz kielégítsék a tevékenység elvégzéséhez szükséges látási feltételeket, lehetővé tegyék a biztonságos tevékenység végzését, változtassák kellemessé az ember környezetét. Mindezeknek megfelelően a következő elveket kell figyelembe venni, megvalósítani: megfelelő megvilágítás, érzékelhető kontraszt, 10

11 káprázásmentesség, káprázás korlátozás, megfelelő színhatás, térbeli és időbeli egyenletesség, esztétikai megfelelőség, egészségre való ártalmatlanság, üzembiztonság, gazdaságosság. Dolgozatom témaválasztása miatt csak a káprázással kapcsolatos fogalmakra, gondolatokra, tudományos kutatásokra térek ki. Nem vitás ugyanis, hogy ez az, amely napjainkban az egyik legtöbbet vitatott, tudományos kutatások tárgyát képező jelenség. 11

12 2. Alapfogalmak 2.1. Látásélesség, kontraszt, kontrasztérzékenység Látási feladatainknál a legalapvetőbb kérdés, hogy a még megkülönböztetendő részleteket külön látjuk-e, vagy azok összemosódnak. Amennyiben a szem akkomodálni tud az adott távolságban lévő tárgyra, a még megkülönböztethető tárgyrészletek különben azonos feltételek között attól függnek, hogy milyen látószög alatt látjuk azokat. A látószög az a szög, amely alatt a tárgyakat látjuk (1. ábra). Az átlagos szem felbontóképessége 1 szögperc. d δ a 1. ábra: Látószög értelmezése a látásélesség meghatározásához. a: távolság (átlagos szemnél 5 méter) d: vonalvastagság (vizsgálatoknál mindig akkora legyen, hogy az adott távolságból 1 szögperc alatt lássuk) δ: látószög (átlagos szemnél 1 szögperc) Azt a mennyiséget, amellyel szemünk szögfelbontó-képességét jellemezzük, látásélességnek nevezzük. A látásélesség a szemnek az a tulajdonsága, hogy képes egymástól igen kis látószögre lévő finom részletek megkülönböztetésére. Mértéke annak a legkisebb, ívpercben mért látószögnek a reciprok értéke, amely alatt látott két szomszédos tárgyat (pontot vagy vonalat) a szem még elkülönítve képes észlelni. A látásélesség függ a világítás paramétereitől és a vizsgálandó jel kontrasztjától (a jel és a háttér fénysűrűségéből számított mérték). A kontrasztnak szubjektív és objektív definícióját ismerjük. Szubjektívon értjük a látómező két vagy több, egyidejűleg vagy egymás után látott része közötti megjelenésbeli különbség értékelését (például: világosságkontraszt, relatív világosságkontrasz, színkontraszt, szimultán kontraszt, szukcesszív kontraszt stb.). Objektív kontraszt: a világosságkontraszt objektív megfelelője a fénysűsűségkontraszt, amely például a küszöb-fénysűrűség közelében a ΔL/L (L: a látómező átlagos fénysűrűsége, ΔL: a különböző felületek fénysűrűségkülönbsége). 12

13 A tárgyak látásában elsősorban a kontrasztnak van szerepe. Ha egy felület egyes részei különböző fénysűrűségűek, a Michelson kontraszt (c) a legnagyobb (L 1 ) és legkisebb (L 2 ) fénysűrűségek különbségének és átlagának a hányadosa, c = L1 L2 / 2(L + L ) A kontraszt maximális értéke 1 lehet, 0,2 kontraszt esetén már alig érzékelhető a kép. Világítástechnikában általában nem a Michelson kontrasztot használják, hanem a tárgy és a háttér fénysűrűségével definiálják a kontrasztot. Így annak függvényében, hogy a tárgy fénysűrűsége nagyobb, vagy kisebb, mint a háttér fénysűrűsége, beszélünk pozitív kontrasztról, ha a háttér fénysűrűsége kisebb, mint a tárgyé (sötét háttér világos tárgy), és negatív kontrasztról, ha a háttér fénysűrűsége nagyobb, mint a tárgyé (világos háttér, sötét tárgy, sziluett látás: fekete betű fehér papíron). Számítástechnikai láthatósági leírásokban sokszor használjuk az egyszerűbb formájú kontrasztviszony fogalmát is. A kontrasztviszony jele a c v. A kontrasztviszony a jel fénysűrűsége a háttér fénysűrűségéhez viszonyítva: L t c v = (L t : a tárgy fénysűrűsége, L b : a háttér fénysűrűsége) Lb A jó látás alapfeltétele tehát, hogy a tárgy és környezete között megfelelő kontraszt legyen. Ez szükséges ahhoz, hogy egymás mellett levő például két szürke felületről nagy biztonsággal meg tudjuk mondani, hogy melyik a sötétebb és melyik a világosabb, azaz a nagyobb, illetve kisebb fényvisszaverő képességű felület. A kontrasztérzékenység az egymás mellett fekvő felületek fénysűrűségében mutatkozó kis különbségek érzékelésének képessége. A vizsgált egyén kontrasztérzékenysége annál jobb, minél halványabb árnyékot képes meglátni Káprázás Káprázásról akkor beszélünk, ha a vizuális észlelést közvetlen vagy közvetett, kellemetlenül nagy fénysűrűségű fényforrás zavarja. Abból adódik, hogy az emberi szem próbál adaptálódni a látómezőjében levő különböző fénysűrűségekhez. Ilyenkor a szem a nagyobb fénysűrűségre alkalmazkodik, és eléri azt az állapotot, amikor a felhasználó már nem tudja megkülönböztetni a kisebb fénysűrűségű területeken lévő, egyes esetekben nagyon fontos részleteket. 2. ábra: Káprázás szembejövő gépkocsi. 13

14 3. ábra:káprázás a Nap hatása. Káprázást okozhat az épület helytelen tájolása (például, ha a dolgozónak munka közben nagy fénysűrűségű felület, például az ablakon át a szabad égbolt, van a látóterőben), a világítófelületek rossz elhelyezése, kialakítása, de az egymásba nyíló helyiségek megvilágítási szintkülönbsége is káprázást okozhat). Káprázás szempontjából sok más mellett rendkívül fontos élethelyzet az autóvezetés. Ha a gépkocsivezető látóterében a háttér fénysűrűségéhez képest nagyon nagy fénysűrűségű objektum helyezkedik el (például a Nap, vagy éjszaka a szembejövő gépkocsi reflektora), előfordulhat, hogy a saját forgalmi sávjában esetlegesen fellépő akadályokat (hirtelen kilépő gyalogos, szarvas, váratlanul felbukkanó, az út egy részét is elzáró árokba borult gépkocsi stb.) nem veszi észre elég rövid idő alatt. A káprázás mértéke függ a kápráztató felület fénysűrűségétől (ez a domináns komponens), a kápráztató források méretétől (azaz az észlelés térszögétől), a háttér és a előtér fénysűrűségétől, a kápráztató felület látótérbeli helyzetétől, valamint a megfigyelő adaptációs szintjétől. Az MSZ EN a káprázást a következő formában határozza meg: A látás kényelmetlensége és/vagy a tárgyak felismerhetőségének csökkenése a fénysűrűség szokatlan eloszlásának vagy szokatlan értékének, illetve a térben vagy időben fellépő igen erős kontrasztnak a következtében. A káprázást kétféle megközelítés szerint is jellemezhetjük: A) A keletkezés helye szerint beszélhetünk közvetlen és közvetett káprázásról (MSZ EN ). A nézési irányhoz közel eső, általában önvilágító tárgy okozta káprázást nevezünk közvetlen (direkt) káprázásnak. Közvetett (tükröző) káprázás amely reflexió útján jön létre a káprázásnak az a fajtája, amelyet mindig a visszavert fény okoz, elsősorban akkor, ha a visszavert kép ugyanabban vagy közel ugyanabban az irányban jelenik meg, mint a szemlélt tárgy. B) Hatása szerint megkülönböztetünk rontó és zavaró káprázást. A jelenleg hatályos a CEN-től átvett szabvány nem tesz különbséget rontó és zavaró káprázás között. A világítástechnikában nemzetközileg a két jelenség között különbséget 14

15 teszünk, és ezt tette a Nemzetközi Világítástechnikai Szótár 2 szabvány 3 is: alapján a régi magyar rontó káprázás: olyan káprázás, amely rontja a tárgyak látását anélkül, hogy szükségképpen kényelmetlenséget okozna; zavaró káprázás: olyan káprázás, amely kényelmetlenséget okoz, de nem okvetlenül befolyásolja a látást. Gépkocsivezetés során a szembejövő jármű reflektora elsősorban zavaró káprázást okoz (ezt a 6.2 fejezetben függetlenségvizsgálattal Khi-négyzet próbával igazoltam), ezért ezzel foglalkoztam részletesebben. (Az irodalom áttekintését a 3. fejezet tartalmazza.) Schober 4 elgondolása a káprázás jelenségéről a rontó káprázás meghatározására és megértésére vonatkozott, amely a következőkben foglalható össze: ha a káprázás forrása a nézési irányon kívül fekszik, képe a retina perifériás részén jelenik meg. Hatása azonban a szem optikai rendszerén bekövetkező szóródás miatt csaknem a teljes retinára kiterjedő fényfátyolhoz hasonlítható. Ennek következtében megnövekszik az adaptációs szint. Szemünk tehát egy állandó megvilágítású látótér esetén a rontó káprázást úgy veszi tudomásul, mintha a látótér fénysűrűsége megnőtt volna. 4. ábra: A rontó káprázást eredményező szórt fények (Schober 4 alapján) Fotopos-, mezopos- és szkotopos fotometria A napjainkban használt fotometriai rendszer alapjait 1924-ben fektették le (CIE, ). Négy legfőbb jellemzője hogy a fotometriát visszavezette az optikai sugárzásmérésre, a radiometriára, a fényérzet értékelésére bevezette a láthatósági függvényt (mai nevén spektrális fényhatásfok, vagy V(λ) függvény), a különböző hullámhosszúságú sugárzások együttes hatására feltételezte az összegezhetőséget (az additivitást, vagy Abney törvényének érvényességét), 15

16 megtette az első lépéseket a világítástechnika egységes szóhasználata és egységrendszere érdekében. A V(λ) görbe a világosban látás (fotopos) viszonyaira vonatkozik, amikor a csapok (ezek látnak színt) működnek. Kis fénysűrűség esetén (például éjszakai vezetés) elsősorban a pálcikák működnek. A pálcikában csak egyféle szembíbor van (rhodopsin), ezért a pálcikák színvakok. Ekkor tehát már nem alkalmazható a V(λ) függvény. A fotometriában a fejlődést a szkotopos látás körülményei között használható szkotopos V (λ) görbe jelentette, amelyet 1951-ben szabványosított a CIE 6. A fotopos (3 cd/m 2 felett) és szkotopos (10-3 cd/m 2 alatt) láthatósági görbék rögzítése után felmerült az igény, hogy a közbülső úgynevezett mezopos tartomány számára is készüljön fotometriai rendszer. Ennek igen nagy lenne a jelentősége, hiszen például az éjszakai útvilágítás látási feladatai eltekintve a legjobban kivilágított utaktól nagyrészt a mezopos tartományban fekszenek. Bár erre történtek már hathatós kísérletek, az egységes fotopos mezopos szkotopos fotometria kidolgozása még a jövő nagy kihívása. További meggondolást érdemel a tény, hogy szemünk felépítését ismerve tudjuk, hogy a foveát, a szem legérzékenyebb területét sárgás pigmentációjú felület takarja le (sárga folt, macula lutea), és hogy a foveában pálcikákat nem találunk. A foveától távolodva nő a pálcikák sűrűsége. 10 -os tartományban a pálcika-arányszám még elég kicsiny, ugyanakkor a kb közötti gyűrű alakú tartományt a sárga folt már nem takarja. E tartomány színképi érzékenységét meghatározva a csapok hatása tanulmányozható. Elsősorban színinger-mérések segítségével meghatározták a 10 -os látómezőre érvényes színinger-megfeleltető függvényeket (CIE 1964 színinger mérő rendszer: X 10 (λ), Y 10 (λ), Z 10 (λ)), s ezekből villogásos fotometria segítségével létrehoztak egy V 10 (λ) 7 -görbét is. 16

17 5. ábra: A fotopos látás V(λ), V 10 (λ) és a szkotopos látás V (λ) görbéi. MEGJEGYZÉS: A dolgozatomban használt fotometriai mennyiségeket és mértékegységeket a 2. számú MELLÉKLET-ben foglaltam össze. 17

18 3. Irodalmi áttekintés Kutatásomat olyan szakirodalmak megismerésével kezdtem, amelyek a káprázással, azon belül is elsősorban a zavaró káprázással foglalkoztak. Kutatási célom ugyanis elsősorban az éjszakai autóvezetéskor a szembejövő gépkocsi fényszórója kápráztató hatásának vizsgálata, azon belül is elsősorban annak hullámhosszfüggése. Ennek kutatása napjaink egyik megoldásra váró problémája. Feltárása azért is lényeges, mert az éjszakai balesetek valószínűsége sokkal nagyobb, mint a nappaliaké, és az is bizonyított, hogy ennek nem elhanyagolható oka, hogy rosszabbak a látási körülmények. Jobb világítással baleseteket lehet elkerülni 8. Az első tanulmányokat a káprázás számszerűsítésére Holladay és Stiles végezték még 1926-ban. Holladay azt feltételezte, hogy a rontó káprázást a látóidegek közötti áthallás okozza 9, Stiles szerint a rontó káprázást valójában a fény szóródása okozza a szemlencsében 10. Az első, a zavaró káprázásra vonatkozó teória Hopkinson 11 nevéhez fűződik. Alapos, kiterjedt kutatásokra és szubjektív tesztekre építve feltételezte, hogy a káprázás a háttér megvilágítási szintjétől függ. Ez a módszer úgy tűnt, választ ad a káprázásra, mint komplex jelenségre. A zavaró káprázás érzet előidézésében Hopkinson szerint két dolog játszik szerepet. Az egyik a kontraszt, amennyiben egy akár csak mérsékelten világos fényforrás egy jóval kevésbé világos háttérben látszik, és ezért a kontraszt miatt zavaró hatású. A másik a telítettség (saturation). Telítettségen itt a fényérzékelő szenzorok telítésbe vitelét értjük, amikor már kilépünk a fotopos látás tartományából, és egy extrém nagy fénysűrűség tartományba kerülünk. Ez akkor jelentkezik, amikor olyan mértékű fényinger éri a retina egy részét vagy egészét, amely a retina elemeiből a maximális idegi választ váltja ki. Például egy behavazott táj tűző napsütésben teljes egészében mentes a kontraszttól, mégis a legtöbb emberben nagymértékű vizuális diszkomfort érzetet kelt a vizuális válaszrendszer nagyfokú telítődése miatt. Hopkinson megmutatta, hogy különböző inger-konfigurációk és fénysűrűségek esetén a káprázás szubjektív érzete nincs szoros kapcsolatban a különböző pupilla-méretekkel, hanem az a tágító és szűkítő izmok ellentétes működésének köszönhető, amelyek a pupillát a retina ellentétes igényeihez próbálják beállítani, amennyiben azt egyszerre éri a világos kápráztató forrás fénye és a kis háttér-megvilágítás. Ezt több tanulmánya is megerősítette, amelyek jelezték, hogy nagy háttér-megvilágítási szinteknél a szem alkalmazkodik a világosabb szintekhez, és a nagyobb fénysűrűséget is elviseli kényelmetlenség érzete nélkül. Hopkinson arról is beszámolt, hogy a pupilla instabillá válik, ha zavaró káprázás hatásának van kitéve, beleértve, hogy a pupilla dinamikus mozgása felnagyítottá válik a zavaró káprázás hatására. A zavaró káprázás kutatásának már a korai szakaszában felmerült az igény olyan modell felállítására, amely képes lenne jól leírni azokat a tényezőket, amelyek szerepet játszanak a zavaró káprázás kialakulásában, annak mértékében, fokában. Erre több, egymástól független 18

19 modell született, amelyek között sok hasonlóság is van annak ellenére, hogy ezek a fejlesztések egymástól függetlenek voltak. Mindegyik modell (egyenlet) tapasztalati összefüggéseket fejez ki egy átlagos megfigyelő szubjektív észlelete és a fényingerek különböző paraméterei között. Az összefüggéseket számos kísérletből kapták, amelyeket nagy számú kísérleti személlyel végeztek, különböző elrendezésű és tulajdonságú fényforrásokat használva 12. Mindezen kísérleteket fehér fényű fényforrással végezték, elsősorban abból a célból, hogy belső terek mesterséges világítása esetén számítsák a várható káprázási szintet. Hopkinson és Petherbridge 13 (1950) dolgozta ki azt a káprázásérzet (glare sensation) függvényt, amely később a brit káprázási index rendszer alapja lett. 1,6 s 1,6 b 0,48 L G = L p L s : a forrás fénysűrűség (cd/m 2 ), ω s : térszög, amelyben a forrás a megfigyelő szemszögéből látszik (steradian), L b : a látómező átlagos fénysűrűsége (háttér fénysűrűség), a kápráztató forrás fénysűrűsége kivételével, p: pozíció index. Az amerikai Vizuális Komfort Valószínűség rendszer (Visual Comfort Probability VCP) azt a valószínűséget fejezi ki, hogy egy adott megfigyelő egy adott vizuális környezetet munkavégzés szempontjából kényelmesnek talál-e. Másképpen fogalmazva a VCP azt jelenti, hogy adott vizuális körülményeket az emberek hány százaléka talál komfortosnak. A módszert Guth 14 fejlesztette ki, és a következő összefüggést alkotta meg: ω 0,8 s M 0,5 L = p L Q s 0,44 M: káprázás érzet, L s : a forrás fénysűrűség (cd/m 2 ), p: pozíció index, 0,2 Q : a forrás látószögének függvénye ( Q = 20,4 ω + 1,52 ω 0, 075 ), L: a látómező átlagos fénysűrűsége, beleértve a forrás fénysűrűségét is (cd/m 2 ). A brit káprázási index rendszerhez hasonlóan a Guth-féle káprázási függvény csak egy kápráztató forrás esetén használható. Ahhoz, hogy több forrás által okozott káprázási szintet meghatározhassuk, a következő egyenlet szerint kell összegeznünk az egyes forrásokra kapott M értékeket: s ( ) DGR = M n 0,0914 s 19

20 DGR: a zavaró káprázás értéke (Discomfort Glare Rating), n: a kápráztató források száma a látómezőben. A CIE által is elfogadott korai káprázási index a CIE glare index 15 (CGI). Ez a módszer a vertikális megvilágítás értékeket is felhasználja, a következő képlet szerint: ED 1+ 2 = 500 L ω CGI 8 log 2 E + 2 D EI p L: a kápráztató forrás fénysűrűsége (cd/m 2 ), ω: térszög, amely alatt a kápráztató forrás látszik (steradian), E D, E I : a szem síkjában mért közvetlen (E D ), közvetett (E I ) vertikális megvilágítás (lx), p: pozíció index. Abban az időben, amikor ezt a formulát szabványosították, ez volt a matematikailag legjobb kompromisszum az egyes nemzeti rendszerek között. Megállapítható, hogy a formula a következő szerint épült fel: Káprázási érték ( C f room f ) = C1 log 2 luminaire C 1 és C 2 : konstansok (amelyek olyanok, hogy a legjobban egyezzenek a Hopkinson és a brit formulával), f room : a helyiségre és a háttér fénysűrűségére vonatkozó faktor, f luminaire : a fényforrás és annak elhelyezkedésére vonatkozó faktor. A CIE végül egy UGR-nek 16 (Unified Glare Rating Egységes Káprázási Osztályozás) nevezett modellt alkotott, amelynek formája: 2 0,25 L UGR= 8 log10 ( ω ) 2 Lb p Ahol (MSZ EN :2003 alapján): L b : a háttér fénysűrűsége (cd/m 2 ), L: az egyes lámpatestek világító felületének fénysűrűsége az észlelő szemének irányából nézve cd/m 2 -ben, ω: az egyes lámpatestek világító felületének térszöge (szteradiánban) az észlelő szemének irányából nézve, p: pozíció index (Guth-féle helyzetindex) az egyes lámpatestekre, amely a lámpatesteknek a nézési iránnyal bezárt szögétől függ. Az UGR-rel kapcsolatban azonban azt is meg kell állapítani, hogy nem áll elegendő kutatás rendelkezésre ahhoz, hogy biztosan tudjuk, a formula alkalmazható-e például közvetett világítás esetére és a mennyezet fénysűrűségére vonatkozóan is. 20