В 2010 г. МКО опубликовала международную систему фотометрии в условиях сумеречного зрения. Освещение в условиях сумеречного зрения включает в себя наружное освещение, а именно, освещение дорог и улиц, освещение больших пространств и прочих связанных с дорожным движением объектов.
Область сумеречных яркостей, охватывающая диапазон от примерно 0,005 до примерно 5 кд/м2, лежит между областями ночного и дневного зрения. Новая система фотометрии в условиях сумеречного зрения представляет относительную спектральную световую эффективность в условиях сумеречного зрения Vmes(λ) в виде линейной комбинации световых эффективностей в условиях дневного и ночного зрения (V(λ) и V′(λ) соответственно). В статье описывается эта новая система и проводится сравнение световых потоков источников света, применяемых в установках наружного освещения (разрядных ламп и СД), полученных применительно к условиям сумеречного зрения. СД быстро развиваются, и уже есть несколько установок наружного освещения с СД, а ещё больше таких установок на подходе. Ожидается, что использование фотометрии в условиях сумеречного зрения замостит путь для проникновения СД в наружное освещение.
Внедрение фотометрии в условиях сумеречного зрения (далее – сумеречная фотометрия) окажет в будущем влияние на проектирование наружного освещения. Область применения сумеречной фотометрии включает в себя освещение дорог и улиц, освещение больших пространств и прочих связанных с дорожным движением объектов. В настоящее время нет принятой на международном уровне системы сумеречной фотометрии. Это означает, что пока что отсутствуют подходящие методы оценки зрительной эффективности светотехнических изделий и установок в условиях сумеречного зрения.
Разработка эффективной системы сумеречной фотометрии на протяжении нескольких десятилетий была одной из главных задач международного светотехнического сообщества [1, 2]. Для получения международного признания новая система сумеречной фотометрии должна быть принята и рекомендована МКО. В 2010 г. результаты работы технического комитета TC1-58 МКО были опубликованы в качестве рекомендуемой МКО основанной на зрительной работоспособности системы сумеречной фотометрии [3].
При представлении этой основанной на зрительной работоспособности системы сумеречной фотометрии была отмечена важность практической применимости рекомендуемой системы, что накладывает на неё определённые ограничения. В частности, для того, чтобы новую систему фотометрии можно было применять наряду с существующей, функции относительной спектральной световой эффективности (ФОССЭ) в условиях сумеречного зрения должны в верхней части сумеречной области переходить в ФОССЭ в условиях дневного зрения V(λ), а в нижней части этой области – в ФОССЭ в условиях ночного зрения V′(λ). Кроме того, эта система должна отвечать основному предъявляемому к фотометрии требованию, а именно, быть аддитивной, с тем чтобы можно было использовать спектральные весовые функции. Ещё одно требование состояло в том, чтобы система сумеречной фотометрии позволяла получать (в определённых пределах) результаты, связанные со зрительной работоспособностью, и обеспечивать корреляцию со зрительной работоспособностью в самых разных условиях.
Система сумеречной фотометрии МКО является эффективным и практичным решением проблемы сумеречной фотометрии. Освещение дорог, улиц и аналогичных им объектов наружного освещения представляет собой область применения, в которой сумеречная фотометрия играет важную роль и для которой большое значение имеет проводимая применительно к сумеречному зрению оптимизация освещения. Существует множество других областей применения, в которых яркость лежит в пределах сумеречного диапазона, такие как водный и воздушный транспорт, аварийное освещение, освещение для обеспечения безопасности и предотвращения преступлений и т.д.
Зрительная работоспособность при вождении автомобиля в тёмное время суток
В сумеречном диапазоне спектральная чувствительность не постоянна, а изменяется в зависимости от уровня освещения, что связано с определяемым уровнем освещения относительным вкладом палочек и колбочек в восприятие света. Поэтому вместо одной ФОССЭ требуются несколько таких функций, а также методика их применения в рамках системы сумеречной фотометрии. Основанный на зрительной работоспособности подход предполагает построение лежащих в основе фотометрии функций спектральной чувствительности исходя из критериев выполнения зрительной задачи, то есть распознавания, обнаружения и времени реакции, а не из уравнивания светлоты (подход, применявшийся в большинстве предыдущих исследований) [4].
При вождении в ночное время водитель должен выполнять различные зрительные задачи при разных уровнях освещения, причём наблюдаемая им яркостная сцена может включать в себя яркости, лежащие в дневном (фары автомобилей, светильники), сумеречном (поверхность дороги, примыкающие к дороге участки) и даже ночном (удалённые от дороги участки, небо) диапазонах. Придорожные объекты зрительного восприятия и светящиеся поверхности (дорожные знаки, указатели, здания, коммерческое освещение и т.д.) также влияют на распределение яркости в пределах поля зрения. Однако несмотря на то, что уровень адаптации зрения при вождении в ночное время не всегда лежит в сумеречном диапазоне, условия дорожного освещения таковы, что его яркости, в основном, попадают в сумеречный диапазон, а соответствующая зрительная задача требует участия как фовеального, так и периферического зрения.
Вождение представляет собой сложную динамическую задачу, при выполнении которой чрезвычайно важную роль играет зрительное восприятие. Зрение, в свою очередь, обусловлено большим числом различных процессов. При вождении зрительная задача включает в себя обнаружение, распознавание, восприятие движения, восприятие объектов в соответствии, например, с их формой или цветом, и восприятие связей между неподвижными и/или движущимися объектами [5]. Эти зрительные задачи возникают, например, если нужно:
- Обнаруживать находящиеся впереди автомобили и подаваемые ими сигналы.
- Обнаруживать препятствия, ямы и ухабы на поверхности дороги.
- Видеть границы полос, искривления дороги и выезды с неё.
- Читать обеспечивающие безопасность дорожные и эвакуационные знаки и предупреждения.
- Обнаруживать находящихся поблизости пешеходов и любых присутствующих в придорожной полосе животных.
Пешеходы, пользующиеся дорогами и улицами в ночное время, также должны выполнять ряд зрительных задач, таких как обнаружение приближающихся к ним людей и получение общего представления об окружающей их сцене.
Одним из подходов, правда, упрощенным, является основанный на зрительной работоспособности подход, принятый консорциумом MOVE [6-9]. В рамках этого подхода задача вождения в тёмное время суток разделена на три зрительные задачи (и фовеальные, и периферические), которые характеризуются тремя вопросами, применительно к которым следует получить зрительную информацию: Можно ли увидеть объект? Как быстро? Что он собой представляет? Эти зрительные задачи связаны с обнаружением, скоростью этого обнаружения и идентификацией деталей воспринимаемой зрением цели. В предложенной в [10] системе USP в качестве критерия использовалось ещё и время реакции.
Использование этих трёх зрительных задач для описания зрительной работоспособности при вождении в тёмное время суток даёт возможность описания зрительной работоспособности при выполнении реальных практических задач. Оно позволяет разработать систему сумеречной фотометрии, основанную на зрительной работоспособности и тесно с ней связанную, учитывая при этом отсутствие необходимости или возможности создания единой системы, способной исчерпывающим образом прогнозировать зрительную работоспособность применительно к любым задачам и условиям освещения.
Рекомендуемая МКО система сумеречной фотометрии
Рекомендуемая система основанной на зрительной работоспособности сумеречной фотометрии представляет ФОССЭ в условиях сумеречного зрения Vmes(λ) в виде линейной комбинации ФОССЭ в условиях дневного и ночного зрения (V(λ) и V′(λ) соответственно) и устанавливает порядок плавного перехода в пределах сумеречного диапазона от одной из этих функций к другой [3]. Эта система представляется в виде:
, (1)
, (2)
где M(x) – нормирующая функция, такая что максимальное значение Vmes(λ) равно 1, Vmes(λ0) – значение Vmes(λ) на длине волны 555 нм, Lmes – яркость в условиях сумеречного зрения, Le(λ) – спектральная плотность энергетической яркости в Вт∙м-2∙ср-1∙нм-1. Если Lmes ≥ 5 кд∙м-2, то m = 1, а если Lmes ≤ 0,005 кд∙м-2, то m = 0.
Коэффициент m и яркость в условиях сумеречного зрения Lmes можно рассчитать методом итераций следующим образом:
(3)
где m0 = 0,5, а Lp иLs – яркости в условиях дневного и ночного времени соответственно, V′(λ0) = 683/1699 – значение ФОССЭ в условиях ночного зрения при λ0 = 555 нм, a и b – параметры, равные a = 0,7670 и b = 0,3334, а n – номер шага итерации.
Предъявляемое к рекомендуемой системе требование состоит в том, чтобы она позволяла получать (в определённых пределах) результаты, имеющие смысл в части психофизических аспектов зрительного восприятия человека, и обеспечивать корреляцию со зрительной работой в самых разных условиях. Степень корреляции со зрительной задачей использовалась в качестве одного из критериев при выборе рекомендуемой системы. Остальные критерии были связаны с практической полезностью системы и требованием аддитивности, которое лежит в основе всей фотометрии МКО.
Рекомендуемая система представляет ФОССЭ в условиях сумеречного зрения в виде линейной комбинации ФОССЭ в условиях дневного и ночного зрения. Она обеспечивает плавный переход в пределах сумеречного диапазона от одной из этих функций к другой. Получаемые в рамках этой системы ФОССЭ в условиях сумеречного зрения аддитивны по своей природе и формируют мост между применяемыми в настоящее время ФОССЭ в условиях дневного и ночного зрения. Ещё одним достоинством рекомендуемой системы является относительная лёгкость её использования при проведении реальных измерений, равно как и обеспечиваемая ею корреляция с реальной зрительной задачей.
Рекомендуемую систему легко реализовать наряду с системами фотометрии в условиях дневного и ночного зрения. Скорее всего, система сумеречной фотометрии привлечёт пристально внимание дорожных служб, проектировщиков дорожного и наружного освещения, производителей осветительного оборудования, контролирующих органов и всех прочих организаций и потребителей, работа которых связана с сумеречным диапазоном. При внедрении этой новой системы фотометрии в практику освещения, возможно, нужно будет учесть то обстоятельство, что результаты исследований сумеречной фотометрии в условиях фовеального зрения (то есть осуществляемого вдоль линии зрения наблюдения маленьких целей размером менее 2о) говорят о применимости ФОССЭ в условиях дневного зрения V(λ) ко всем уровням яркости. Рекомендуемая система была разработана на основе результатов исследований, проводившихся применительно к периферическому зрению, когда зрительная реакция определяется и колбочками, и палочками. Это различие в зрительной работоспособности, выражающееся в её зависимости от эксцентриситета цели, может иметь практические последствия, например, при проектировании дорожного освещения. Так при различных весовых коэффициентах поступающей вдоль линии зрения и с периферии зрительной информации может возникнуть потребность в различных критериях оценки соответствующих ситуаций. Эти моменты потребуют тщательного рассмотрения различными руководящими организациями (дорожными службами и т.д.).
Расчёт яркости в условиях сумеречного зрения
Для расчёта яркости в условиях сумеречного зрения требуется знать отношение S/P для рассматриваемого источника света, которое представляет собой отношение светового потока источника света, определённого с использованием ФОССЭ в условиях ночного зрения V′(λ), к световому потока этого же источника света, определённому с использованием ФОССЭ в условиях дневного зрения V(λ). Чем выше отношение S/P, тем выше и световой поток источника света, который следует использовать при проектировании, осуществляемом применительно к условиям сумеречного зрения.
Соответствующие имеющим разные S/P источникам света расхождения между значениями яркости, рассчитанными с использованием предлагаемой системы сумеречной фотометрии, и её значениями, рассчитанными с использованием ФОССЭ в условиях дневного зрения, приведены в таблице. Превышающие 5 % расхождения выделены цветом.
Таблица
Различия между яркостями в условиях сумеречного и дневного зрения, рассчитанные с использованием рекомендуемой системы сумеречной фотометрии для различных значений S/P(НЛНД – натриевая лампа низкого давления, НЛВД – натриевая лампа высокого давления, МГЛ – металлогалогенная лампа), %
LPS – «НЛНД», HPS – «НЛВД», MH warm white – «МГЛ тёплого белого света», LED cool white – «СД холодного белого света», MH daylight – «МГЛ дневного света», Photopic luminance cd∙m-2 – «Яркость в условиях дневного зрения, кд∙м-2», S/P – «S/P»
Как следует из приведённых в таблице данных, относительно большой световой поток в коротковолновой области спектра (S/P > 1) приводит к увеличению яркости, измеряемой с использованием рекомендуемой системы, тогда как в случае ламп с относительно большим световым потоком в длинноволновой области спектра эта яркость уменьшается. Последствия использования рекомендуемой системы возрастают по мере уменьшения уровня яркости. Рекомендуемые в настоящее время значения яркости дорожного покрытия, лежащие в интервале 0,3 – 2 кд∙м-2 [11–13], отмечены в таблице при помощи прямоугольника.
Многие из источников света, используемых в настоящее время в таких областях применения, как дорожное освещение, имеют значения S/P, лежащие в интервале между 0,65 (например, НЛВД) и 2,50 (например, некоторые МГЛ), и если для расчёта их эффективной яркости вместо используемой в настоящее время ФОССЭ в условиях дневного зрения воспользоваться рекомендуемой системой сумеречной фотометрии, то это приведёт к существенному изменению измеряемой световой отдачи этих источников света. Например, при равной 1 кд∙м-2 яркости в условиях дневного зрения использование рекомендуемой системы приведёт к тому, что для ламп с лежащими в интервале 0,5 – 2,5 значениями S/P величина яркости изменится на от -5 до +15 %, а при 0,3 кд∙м-2 это изменение составит от -10 до +30 %. Необходимо отметить, что приведённые в таблице значения S/P, соответствующие распространённым типам ламп, следует рассматривать как номинальные, так как отношение S/P не остаётся постоянным даже в пределах одной группы ламп и зависит от типа лампы и её мощности.
Характеристики источников света
На рис. 1 приведены значения S/P применяемых для наружного освещения источников света. Значения S/P, соответствующие распространённым типам ламп, следует рассматривать как номинальные, так как отношение S/P не остаётся постоянным даже в пределах одной группы ламп и зависит от типа лампы и её мощности. Источники света с S/P > 1 имеют более высокие световые потоки в коротковолновой области спектра и поэтому в условиях сумеречного зрения работают более эффективно, чем источники света с S/P
Рис. 1. Типичные отношения S/P источников света, применяемых для наружного освещения. Чем выше S/P, тем лучше источник света работает в условиях сумеречного зрения
На рис. 2 приведены зависимости отношения световых эффективностей СД холодного белого света (S/P = 2,03), СД тёплого белого света (S/P = 1,15), ртутной лампы высокого давления (S/P = 1,05) и НЛВД (S/P = 0,60), определённых применительно к условиям сумеречного зрения, к их световым эффективностям, определённым применительно к условиям дневного зрения, от яркости в условиях дневного зрения.
Рис. 2. Отношения световых эффективностей в условиях сумеречного и дневного зрения для СД холодного белого света, СД тёплого белого света, ртутной лампы высокого давления и НЛВД
СД позволяют по-новому подойти к самым разным связанным с сумеречным зрением областям применения, и не в последнюю очередь благодаря предоставляемой ими возможности создания источников света с различными спектрами излучения. В зависимости от спектра излучения СД, его положение на шкале световой эффективности может существенным образом измениться, если вместо ФОССЭ в условиях дневного зрения воспользоваться ФОССЭ в условиях сумеречного зрения.
Заключение
Использование рекомендуемой МКО системы сумеречной фотометрии вместо основанной на V(λ) фотометрии может привести к существенному изменению измеряемой яркости. Яркости, создаваемые лампами с относительно большим излучением в коротковолновой части спектра (S/P > 1), при их измерении с использованием сумеречной системы возрастут, а создаваемые лампами с относительно большим излучением в длинноволновой области спектра
(S/P
Если сравнивать СД с НЛВД, то СД являются более подходящими для условий сумеречного зрения источниками света, причём степень соответствия зависит от спектра излучения СД. В зависимости от спектра излучения СД, его положение на шкале световой эффективности может существенным образом измениться, если вместо ФОССЭ в условиях дневного зрения воспользоваться ФОССЭ в условиях сумеречного зрения. Сумеречная фотометрия может предоставить производителям СД исходные данные для разработки СД, которые будут оптимизированы применительно к характеризующимся низкими уровнями яркости областям применения. Это приведёт к увеличению энерго- и зрительной эффективности установок наружного освещения.
Использование сумеречной фотометрии будет способствовать разработке светотехнических изделий, оптимизированных применительно к условиям сумеречного зрения. Она может предоставить производителям источников света исходные данные для разработки изделий, которые будут оптимизированы применительно к характеризующимся низкими уровнями яркости областям применения. Всё это приведёт к увеличению энерго- и зрительной эффективности установок наружного освещения. Точность фотометрического оборудования, используемого в связанных с сумеречным зрением областях применения, может быть увеличена благодаря учёту реальной спектральной эффективности при соответствующих сумеречному зрению уровнях яркости. Промышленности и потребителям следует хорошо объяснить важность и полезность использования сумеречной фотометрии.
Сумеречная фотометрия является результатом многочисленных исследований, десятилетиями проводившихся несколькими организациями и странами. Это крупное достижение международного научного сообщества и МКО. И теперь мы, наконец, имеем систему сумеречной фотометрии, которая дополнит служившую нам с 1924 г. функцию V(λ).
Авторы: М. ПУОЛАККА, Л. ХАЛОНЕН, Университет Аалто, Эспо, Финляндия
Список литературы
1. CIE 81:1989. Mesopic photometry: History, special problems and practical solutions. Vienna: CIE, 1989.
2. CIE 141: 2001.Testing of supplementary systems of photometry. Vienna: CIE, 2001.
3. CIE 191:2010. Recommended System for Mesopic Photometry Based on Visual Performance. Vienna: CIE, 2010.
4. Eloholma, M. Development of visual performance based mesopic photometry// Ph.D dissertation. Espoo: Helsinki University of Technology, Lighting Laboratory, 2005.
5. CIE 100:1992. Fundamentals of the visual task of night driving. Vienna: CIE, 1992.
6. Freiding, A., Eloholma, M., Ketomäki, J., Halonen, L., Walkey, H., Goodman, T., Alferdinck, J., Várady, G., Bodrogi, P. Mesopic visual efficiency I: Detection threshold measurements// Lighting Res. Technol. – 2007. – Vol. 39. – P. 319-334.
7. Goodman, T., Forbes, A., Walkey, H., Eloholma, M., Halonen, L., Alferdinck, J., Freiding, A., Bodrogi, P., Várady, G., Szalmas, A. 2007. Mesopic visual efficiency IV: A model with relevance to night-time driving and other applications// Lighting Res. Technol. – 2007. – Vol. 39. – P. 365-392.
8. Várady, G., Freiding, A., Eloholma, M., Halonen, L., Walkey, H., Goodman, T., Alferdinck, J. Mesopic visual efficiency III: Discrimination threshold measurements// Lighting Res. Technol. – 2007. – Vol. 39. – P. 355-364.
9. Walkey, H., Orreveteläinen, P., Barbur, J., Halonen, L., Goodman, T., Alferdinck, J., Freiding, A,, Szalmas, A. Mesopic visual efficiency II: Reaction time experiments// Lighting Res. Technol. – 2007. – Vol. 39. – P. 335-354.
10. Rea, M.S., Bullough, J.D., Freyssinier-Nova, J.P., Bierman, A. A proposed unified system of photometry// Lighting Res. Technol.- 2004. – Vol. 36. – P. 85-111.
11. CEN. prEN 13201-2: Road lighting – Part 2: Performance requirements. CEN/TC 169/226, 2003.
12. CIE 115:1995. Recommendations for the lighting of roads for motor and pedestrian traffic. Vienna: CIE, 1995.
13. IESNA Lighting Handbook: Reference and application. Ed. Rea, M.S. – 9th ed. – New York: Illuminating Engineering Society of North America, 2000.