A zavaró káprázás hullámhossz függésének vizsgálata az éjszakai autóvezetés körülményei között

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.

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)

...

(aláírás)

A jelölt a doktori szigorlaton …... % -ot ért el,

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

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.

Tartalomjegyzék

1. Bevezetés ... 10

2. Alapfogalmak ... 12

2.1. Látásélesség, kontraszt, kontrasztérzékenység...12

2.2. Káprázás...13

2.3. Fotopos-, mezopos- és szkotopos fotometria...15

3. Irodalmi áttekintés... 18

4. Gépkocsi-világítás... 26

4.1. A fényszórók rövid története ...26

4.2. Láthatóság ...29

5. Zavaró káprázás kísérlet... 31

5.1. A kísérleti környezet...31

5.2. A kísérlethez használt eszközök...31

5.3. A tesztalanyok kiválasztása ...32

5.4. A kísérlet előkészítése ...32

5.5. A kísérlet általános leírása...33

6. A kísérletek leírásai ... 39

6.1. Első előkísérlet – reakcióidős kísérlet országúti animációs programmal ...39

6.1.1. A kísérlet célja ...39

6.1.2. A kísérlet főbb paraméterei...40

6.1.3. A kísérlethez alkalmazott program ...40

6.1.4. A kísérlet leírása ...41

6.1.5. Következtetések ...42

6.2. Második előkísérlet – reakcióidős kísérlet véletlen időközönként megjelenő szürke koronggal ...44

6.2.1. A kísérlet célja ...44

6.2.2. A kísérlet főbb paraméterei...44

6.2.3. A kísérlethez alkalmazott program ...45

6.2.4. A kísérlet leírása ...49

6.2.5. Következtetések ...50

6.3. Harmadik előkísérlet – a multimédiás kísérlet ...61

6.3.1. A kísérlet célja ...61

6.3.2. A kísérlet főbb paraméterei...61

6.3.3. A kísérlethez alkalmazott program ...62

6.3.4. A kísérlet leírása ...63

6.3.5. Következtetések ...63

6.4. A zavaró káprázás érzékenységi görbéjének megalkotása ...67

6.4.1. A kísérlet célja ...67

6.4.2. A kísérlet főbb paraméterei...67

6.4.3. A kísérlethez alkalmazott program ...68

6.4.4. A kísérlet leírása ...68

7. A zavaró káprázás érzékenységi görbéjének megalkotására vonatkozó kísérletek diszkussziója... 71

Összefoglalás... 77

Tézisek...78

Theses ...80 1. Melléklet – szakirodalom feldolgozás

2. Melléklet – fotometriai fogalmak és mennyiségek Hivatkozások

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.

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.

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.

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 Wellenlängen- empfindlichkeiten, 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.

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 alkalma- zásával 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:

Œ megfelelő megvilágítás,

Œ érzékelhető kontraszt,

Œ káprázásmentesség, káprázás korlátozás,

Œ megfelelő színhatás,

Œ térbeli és időbeli egyenletesség,

Œ esztétikai megfelelőség,

Œ egészségre való ártalmatlanság,

Œ üzembiztonság,

Œ 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.

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.

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 világosság- kontraszt objektív megfelelője a fénysűsűségkontraszt, amely például a küszöb-fénysűrűség közelében a ΔL/L (L: a látómező átlagos fénysűrűsége, ΔL: a különböző felületek fénysűrűség- különbsége).

a d δ

A tárgyak látásában elsősorban a kontrasztnak van szerepe. Ha egy felület egyes részei különböző fénysűrűségűek, a Michelson kontraszt (c) a legnagyobb (L₁) és legkisebb (L₂) fénysűrűségek különbségének és átlagának a hányadosa,

) 2

1 _{1 2}

2 1

L (L /

L c 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:

b t

v L

c = L ^(Lt: a tárgy fénysűrűsége, Lb: a háttér fénysűrűsége)

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.

2.2. Káprázás

Káprázásról akkor beszélünk, ha a vizuális észlelést közvetlen vagy közvetett, kellemetlenül nagy fénysűrű- ségű 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.

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 12665¹ 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 12665¹).

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

3. ábra:Káprázás – a Nap hatása.

teszünk, és ezt tette a Nemzetközi Világítástechnikai Szótár² alapján a régi magyar szabvány³ is:

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.)

Schober⁴ 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 (Schober⁴ alapján).

2.3. Fotopos-, mezopos- és szkotopos fotometria

A napjainkban használt fotometriai rendszer alapjait 1924-ben fektették le (CIE, 1924⁵). Négy legfőbb jellemzője hogy

Œ a fotometriát visszavezette az optikai sugárzásmérésre, a radiometriára,

Œ a fényérzet értékelésére bevezette a láthatósági függvényt (mai nevén spektrális fényhatásfok, vagy V(λ) függvény),

Œ a különböző hullámhosszúságú sugárzások együttes hatására feltételezte az összegez- hetőséget (az additivitást, vagy Abney törvényének érvényességét),

Œ 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 CIE⁶.

A fotopos (3 cd/m² felett) és szkotopos (10^-3 cd/m² 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. 6 – 10^° 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: X₁₀(λ^{), Y}10(λ^{), Z}10(λ)), s ezekből – villogásos fotometria segítségével – létrehoztak egy V10(λ⁾⁷-görbét is.

5. ábra: A fotopos látás V(λ), V10(λ) és a szkotopos látás V’(λ) görbéi.

MEGJEGYZÉS:

A dolgozatomban használt fotometriai mennyiségeket és mértékegységeket a 2. számú MELLÉKLET-ben foglaltam össze.

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 elkerülni⁸.

Az első tanulmányokat a káprázás számszerűsítésére Holladay és Stiles végezték még 1926-ban.

Holladay azt feltételezte, hogy a rontó káprázást a látóidegek közötti „áthallás” okozza⁹, Stiles szerint a rontó káprázást valójában a fény szóródása okozza a szemlencsében¹⁰.

Az első, a zavaró káprázásra vonatkozó teória Hopkinson¹¹ 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

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 használva¹².

Mindezen kísérleteket „fehér” fényű fényforrással végezték, elsősorban abból a célból, hogy belső terek mesterséges világítása esetén számítsák a várható káprázási szintet.

Hopkinson és Petherbridge¹³ (1950) dolgozta ki azt a káprázásérzet (glare sensation) függvényt, amely később a brit káprázási index rendszer alapja lett.

6 , 1

8 , 0 6 ,

48 1

, 0

p L

ω G L

⋅

⋅

= ⋅

b s s

Ls: a forrás fénysűrűség (cd/m²),

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 Guth¹⁴ fejlesztette ki, és a következő összefüggést alkotta meg:

44 , 0

5 , 0

L p

Q M L

⋅

⋅

= ⋅ ^s

M: káprázás érzet,

Ls: a forrás fénysűrűség (cd/m²), p: pozíció index,

Q: a forrás látószögének függvénye (Q=20,4⋅ω_s+1,52⋅ω_s^0,2−0,075), L: a látómező átlagos fénysűrűsége, beleértve a forrás fénysűrűségét is (cd/m²).

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:

( _∑ )

= M

DGR

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 index¹⁵ (CGI). Ez a módszer a vertikális megvilágítás értékeket is felhasználja, a következő képlet szerint:

⎥⎥

⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛ +

⋅ +

⋅

=^{8 log 2 1}_E ⁵⁰⁰_E

∑

E CGI

I D

D

L: a kápráztató forrás fénysűrűsége (cd/m²),

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:

(

_∑ )

⋅

=C₁ logC₂ f_room f_luminaire érték

Káprázási

C1 és C2: konstansok (amelyek olyanok, hogy a legjobban egyezzenek a Hopkinson és a brit formulával),

f_room: a helyiségre és a háttér fénysűrűségére vonatkozó faktor, fluminaire: a fényforrás és annak elhelyezkedésére vonatkozó faktor.

A CIE végül egy UGR-nek¹⁶ (Unified Glare Rating – Egységes Káprázási Osztályozás) nevezett modellt alkotott, amelynek formája:

UGR= 0,25 )

( log

8 ₂

2 b

10

∑

⋅ p

ω L L

Ahol (MSZ EN 12464-1:2003 alapján):

Lb: a háttér fénysűrűsége (cd/m²),

L: az egyes lámpatestek világító felületének fénysűrűsége az észlelő szemének irányából nézve cd/m²-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.

Elvben alkalmazható az UGR skála az Illuminating Engineering Society of North America¹⁷ által használt Visual Comfort Probability skálára, két ekvivalent érték meghatározásával. Ez azonban jelenleg még nem történt meg, mivel nincs szilárd bázisa ezen értékek megválasztásának.

Mivel a zavaró káprázás a kis méretű források (kültéren a kápráztató források általában közel pontszerűek) esetén inkább a fényerősség, mintsem a fénysűrűség által definiálható, az a tartomány, amelyen belül az UGR használható korlátozva van olyan forrásokra, amelyek térszöge maximum 0.1 és minimum 0.0003 steradian.

Mint említettem előbb, a modelleket egy átlagos megfigyelő szubjektív észlelete alapján alkották meg. Ez általában úgy történt, hogy helyszíni vagy laboratóriumi körülmények között a kísérleti személyt valamilyen feladattal bízták meg (később kitérek ilyen kísérletek leírására), miközben valamilyen fényforrással (például autófényszóró) kápráztató hatásnak tették ki. A kísérlet közben vagy végén kérdőíves kikérdezéssel állapították meg az esetleges káprázást, illetve annak mértékét.

Kísérleteik során a kutatók több „vizuális analóg skálának” nevezett, szubjektív rangsoroló skálát használtak a káprázás fokának megítélésére. A legelterjedtebben használt értékelő skála a de Boer-féle vizuális analóg skála¹⁸. Ez ordinális változókat használ, és az éppen észlelhető-től az elviselhetetlen-ig tartalmaz szubjektív kategóriákat, melyekhez hozzárendeli a páratlan számokat 9-től 1-ig a következő módon (itt feltüntettem az angol eredeti skálaérték megnevezést, annak magyar forditását és azt a megjegyzést, hogy az adott skálaértékű kápráztatási szint mennyire megengedhető):

1 elviselhetetlen (unbearable) bad 2

3 zavaró (disturbing) inadequate

4

5 elfogadható (just admissable) fair 6

7 észlelhető (satisfactory) good

8

9 éppen észlelhető (just noticable) excellent Egy kis magyarázat:

9: A kápráztató forrás olyan fénysűrűségű, amely a felhasználó számára éppen nem okoz észlelhető káprázást. (Meghatározása talán a legnehezebb.)

7: Az az ingerszint, amely már érzékelhető a felhasználó számára.

5: Az a fénysűrűség, amely a felhasználót a munkájában még nem zavarja.

3: A káprázás azon tartományának alsó határa, amely már kellemetlen hatású.

1: Az a szint, amelynél a felhasználó már csak korlátozottan tudja a munkáját végezni.

Csak legújabban próbálnak objektív mérési eljárást az észlelethez hozzárendelni abból a felismerésből kiindulva, hogy a kápráztató forrás kellemetlenség érzésének csökkentésére az ember hunyorít, és a hunyorításhoz szükséges izmok aktivizálási elektromos jeleit az arc felületéről mikro-elektródákkal el lehet vezetni, és ez a jel a zavaró káprázással arányosnak mutatkozik¹⁹. Ezek a kutatók az úgynevezett elektromiográfot (EMG) használták a zavaró káprázás objektív mérőeszközeként, amely azonban csak az elviselhetetlen káprázás tartomá- nyában használható. Ez az eszköz az izmok aktivitását méri, amelyet a hunyorítás és a pislogás okoz kápráztató inger hatására.

Kísérleteik során Stringham és társai¹⁹, Main és társai²⁰, valamint Murray és társai²¹ arra a következtetésre jutottak, hogy photophobia kísérleteik eredménye kvalitatívan egyezett mások zavaró káprázás hullámhossz függésének vizsgálatával.

A zavaró káprázás klasszikus irodalma (lásd például^22,23,24) nem foglalkozott a káprázást okozó forrás színképi összetételének hatásával. Ez a kérdés – tudomásunk szerint – csak mintegy 10- 15 évvel ezelőtt vetődött fel először^25,26, és akkor is csak néhány hullámhosszon mérték a zavaró káprázást. Azt találták, hogy annak színképe függ a háttér fénysűrűségétől (a mezopos és fotopos tartományban), és mezopos körülmények között hasonlít a V’(λ) görbéhez (lásd a 6.

ábrán).

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

300 400 500 600 700 800

Hullám hossz (nm )

Rel. érzékenység V'( )

V( ) előző sötét háttér v ilágos háttér

6. ábra: Zavaró káprázás hullámhosszfüggése és a V(λ), valamint a V’(λ) függvény, Flannagan és munkatársai szerint²⁶.

Mint a az ábrán is látható, Flannagan és munkatársai²⁶ 1991-es kísérletükben sötét, illetve világos háttér esetén – 0,034 cd/m², illetve 3,4 cd/m² háttér fénysűrűség – végezték

V(λ) V’(λ)

vizsgálatukat, amelyet összevetettek az előző, 1989-ben ugyancsak általuk végzett kísérlettel, amikor csak sötét háttér (0,034 cd/² háttér fénysűrűség) esetén vizsgálódtak.

Mivel a modern autófényszórókban használható fényforrások különböző színképi teljesítmeny- eloszlással készülhetnek, a jó látást biztosító, de nem kápráztató sugárzás eloszlás meghatáro- zása fontos, ezt választottam kutatási témámul.

A kutatások újabb irányt vettek az 1990-es évek elején. Ennek oka a fényforrásgyártás lényeges előrelépése volt. Ekkor jelentek meg az első Xe-gázkisülő autólámpák Ezek voltaképpen nagynyomású, rövidívű fémhalogén gázkisülő lámpák, amelyek fényhasznosítása a halogén izzólámpáknál 3-4-szer nagyobb. A Xe-adalék a gyújtás utáni felfutási idő lerövidítésére szolgál, újabban megfelelő elektronikus előtét alkalmazása esetén a Xe-adalék akár el is hagyható, de a lámpa megnevezésében a „xenon” név elterjedt, s ezen lámpákat is – a HID (High Intensity Discharge) elnevezés mellett – Xe-autólámpáknak szokták hívni. Míg öt-hat évvel ezelőtt még csak a felhasználók vágyálmai között szerepelt, hogy az autófényszóróban is használjanak gázkisülő lámpát, és csak egy-két próbálkozás történt arra, hogy központilag elhelyezett gázkisülő lámpa fényét száloptikán vezessék a felhasználási helyre, addig ma a gázkisülő fényforrással szerelt autófényszóró keresett cikk. A gyártóknál a tesztautókat pedig már világító diódás (LED: Light Emitting Diode) fényszórókkal szerelik fel.

A három fényforráscsalád (halogén izzólámpa, HID – Xenon – lámpa, LED-lámpa) színképi sajátosságainak ismerete rendkívül fontos, hiszen a káprázás szempontjából ez a jellemző. A 7.

ábrán Manz munkája alapján²⁷ a háromféle fényforrás jellegzetes színképe látható (a Xe-lámpa és a LED-ek esetén két-két mintával). A fényforrások további adatait az 1. táblázat tartalmazza.

7. ábra: Izzólámpa (A-sugárzáseloszlás), kétféle Xe-lámpa (D2 és D4), kétféle LED (LED21 és LED25), valamint a szabványos természetes (nappali) sugárzáseloszlás (D65) színképe. Manz munkája alapján²⁷.

Hullámhossz (nm)

1. táblázat: A tesztben résztvevő lámpák paraméterei Színességi koordináták Fényforrás Színvisszaadási index

x y

D2 57 0.403 0.423

D4 55 0.401 .428

LED-21 74 0.365 0.382

LED-25 76 0.340 0.365

D65 99 0.323 0.330

A 99 0.448 0.407

Miként látható (7. ábra), a színképek erősen eltérnek. Az értékelésnél általában abba a hibába esnek, hogy csupán a fényforrás által szürke felületről történő fényvisszaverés (beton vagy aszfalt útburkolat) során a szembe jutó fénysűrűséget szokták értékelni, melyet a fotopos látásra érvényes V(λ) láthatósági függvénnyel számolnak. Ismeretes, hogy foveális látás esetén és részletek felismerése céljából ez megfelelő²⁸, de parafoveális látás számára (így például az úttest mellett elhelyezett jelzőtáblák feliratának felismerésére) nagylátószögű V₁₀(λ) függvény szerinti értékelés helyénvalóbb lenne⁷. Ha a látott tárgyak csak perifériálisan látszanak (20°– 40°-ra a foveális látástól), úgy a mezopos színképtartományban már a szkotopos látásért felelős pálcikalátás is szóhoz jut²⁹. A 8. ábrán foveális és parafoveális színképi érzékenység-görbék láthatók 0,1 cd/m² háttér fénysűrűség esetén, Bodrogi és munkatársai²⁹ mérései alapján.

8. ábra: Az emberi szem színképi érzékenysége 0,1 cd/m² fénysűrűség esetén;

–––––: foveális látás, ---: 10°-ra a foveális látás tengelyétől mérve, Bodrogi és munkatársai²⁹ mérése alapján.

A spektrális érzékenységi maximum eltolódása jól látható. Ezen színképi különbségek következménye, hogy míg foveális látás esetén a szokásos fotometriai értékelés az észlelettel jól egyező értékeket szolgáltat, a parafoveálisan látott tárgyak részleteit esetleg jobban ki tudjuk venni azonos (fotopos) megvilágítás esetén a rövidebb hullámhosszúságú fényben gazdagabb Xe- vagy LED-lámpa fényében, mint az izzólámpás megvilágítás esetében.

Más végeredményre jutunk azonban, ha például azt vizsgáljuk, hogy egy Tilos-tábla mennyire lesz szembeötlő a gépkocsivezető számára, ha ő az autó előtti útszakaszt figyeli: a jelzőtábla vörös felülete a Xe- és LED-es lámpa fényéből kevesebbet ver vissza, mint az izzólámpa

fényéből, ezért sötétebb lesz a környezethez képes, azaz kontrasztja lecsökken, felismerése nehezebb lesz.

A legtöbb kutató nem a zavaró káprázás hullámhossz függését vizsgálta hanem csupán azt, hogy a különböző színképű fényforrásokkal szerelt autófényszórók – különben azonos körülmények között – mennyire kápráztatnak. A legfontosabb ezzel foglalkozó közleményeket az 1. MELLÉKLET-ben foglaltam össze.

4. Gépkocsi-világítás

Alkony után a biztonságos gépkocsivezetés csak mesterséges világítás mellett lehetséges.

Főként energiatakarékossági okokból nem tudjuk a gépkocsivezető látóterét a nappali látáshoz szükséges szinten megvilágítani, ezért mezopos látás körülményei között kell a gépkocsit vezetni. A mezopos látás körülményei között az akadályok felismerése szempontjából lényeges az akadály és a háttér közötti világosság- és színkontraszt értéke. Az észlelt kontrasztot nagyon lerontja, ha a látótérben kápráztató fényforrások is látszanak.

Disszertációs témám a káprázási érzet hullámhossz függésének meghatározása. Ez az autófényszórók újabb megjelenése miatt vált aktuálissá. Miként a következő fejezetben arra kitérek, az izzólámpás autófényszórók után megjelentek a nagynyomású gázkisülő lámpás fényszórók, és jelenleg szinte minden nagyobb autófényszórót gyártó cég foglalkozik a világító diódás fényszóró típusának kidolgozásával. Az izzólámpa, a fémhalogén lámpa és a világító dióda színképi teljesítmény-eloszlása nagyon eltérő, ezért várhatóan különböző kápráztató hatása lesz.

4.1. A fényszórók rövid története

A környezetünkből érkező jelzéseket érzékszerveink segítségével fogjuk fel. A közlekedés résztvevői számára kiemelt fontosságú a látás. Szemünk a környezeti információkból ~85%-ot közvetít számunkra. A nappali világosság melletti látás körülményeitől jelentősen eltérnek a sötétedés utáni időszak látási lehetőségei. Nappal nagy a környezet megvilágítottsága, a teljes látótér világított, látószervünk optimálisan tud működni. Sötétedés után, amikor már mesterséges fényforrások segítenek, a világítás értéke a nappali érték ezred részére csökken⁶², a látható környezet beszűkül, és a szem látásteljesítményének mintegy 20%-án tud működni.

Ez is igazolja, hogy milyen nagy szerepet játszanak a megfelelő teljesítményű fényszórók a biztonságos közlekedés szempontjából.

Érdemes tehát foglalkoznunk a különböző típusú – a közlekedésben használatos – fényforrás- és fényszóró típusokkal, azok történeti fejlődésével.

A fényszórók fejlődésének főbb állomásait a következő kép szemlélteti (9. ábra):

9. ábra: A fényszórók fejlődésének főbb állomásai.

http://www.hella.com/produktion/HellaHU/WebSite/Channels/Drivers/Fenyszorotortenelem/Fenyszorotortenelem.jsp

A sűrűn lakott európai országokban az úton szembejövők kápráztatásának csökkentésére a múlt század második évtizedétől folytattak eredményes kísérleteket tompított fényű fényszórók használatával. Ezek azóta is a fényvetítő rendszer meghatározott pontjába pozícionált cserélhető izzólámpákkal kerülnek forgalomba. Fénynyalábjukat – a lámpa izzószálát árnyékoló kanál- formájú fémlemez miatt – világos-sötét határvonal jellemzi.

A kétszálú, tompított és távolsági fényforrásokat magukba foglaló bilux lámpájú fényszórók 1924. óta használatosak európai gépkocsikon.

Az 1957-ben megjelent aszimmetrikus tompított fénykibocsátású fényszórók lényege: az út jobb oldalának a balnál hosszabban előrenyúló tartományát világítják meg, amelyet a kanalas izzó árnyékoló lemezének 15 fokos leélezése valósít meg.

A bilux halogén izzók 1971-ben jelentek meg az európai gépkocsikon. Azóta az 1983-ban bevezetett elliptikus, majd az 1988-ban rendszerbe állított szabad térgeometriájú fényszórók jelentették az izzólámpás fényszórók legfőbb fejlődési állomásait.

A klasszikus (Ar, Kr, Xe) töltésű autólámpát ma már csak igen régi autótípusokban találjuk. A jelenleg forgalomban levő gépkocsik nagy százaléka halogén lámpákkal rendelkezik, amelyeknél a kisméretű kvarc vagy keményüveg ballonban többek között halogén töltést is találunk. A halogén izzók műszakilag kiforrott szerkezeti elemek. Fényáramuk 30%-kal, élet- tartamuk – azonos izzószál-hőmérséklet esetén – 50%-kal nagyobb a hagyományos izzókénál.

Ezt bróm és jódtartalmú gáztöltetük teszi lehetővé, amelyben az izzószálról használat közben kiszabaduló fémgőzök túlnyomó része újból az izzószálra épül vissza. A halogén izzólámpák színhőmérséklete 3000 K és 3200 K közötti érték, ennek megfelelően színességi koordinátáik x

= 0,416, y = 0,410 körül vannak.

A halogén izzólámpáknak újabban terjed színezett ballonú változata is, amelynél a ballon falát enyhén sárgásra vagy kékesre színezik, esetleg neodímium tartalmú üveget használnak, amelynek a zöld és sárga színképtartományban lévő elnyelési sávja a kilépő fénynek kékesebb színezetet ad. A gyártók ezzel az utóbbi időben megjelenő úgynevezett HID lámpákat próbálják utánozni.

A fényszórók fényforrásainak egyik utóbbi innovációja a gázkisülésű lámpákhoz (HID – High Intensity Discharge) kapcsolódik, amelyek a '90-es évek termékei. Ezek voltaképpen nagynyomású, rövid ívű fémhalogén gázkisülő lámpák. Semleges xenon gáz, és halogén sók jelenlétében végbemenő gázkisülés jelenségét hasznosítják, amelynek fenntartásához 100 V körüli feszültség szükséges. Fényhasznosításuk a halogén izzólámpáknál 3-4-szer nagyobb. HID autólámpákkal kisebb egységteljesítmény esetén is nagyobb útmegvilágítást lehet biztosítani.

Előnyük még a hosszabb élettartam és az igen kisméretű világító test (rövid ívhossz), ezért új típusú lámpatest segítségével jobban irányítható a fényük, mint az izzólámpáké. A gázkisülés csak 20-25 kV-os gyújtóimpulzussal indítható be, ezért a működtetésük költséges feszültség- szabályozó használatát igényli. Ráadásul a HID autólámpa lényegesen drágább, mint az izzólámpa, hiszen üzemeltetéséhez külön gyújtó és áramstabilizáló tápforrásra van szükség.

Színhőmérsékletük 4000 K és 5000 K közé esik, a lámpa öregedésével színük általában a kékebb tartomány felé tolódik el.

A következő ábrákon éjszakai országúti útmegvilágítás látható HID, illetve halogén fényforrás esetén (10. ábra).

10. ábra: Az első képen a HID, a másodikon a halogén fényszóró éjszakai útmegvilágítása látható.

hid_sample_view_kdg.jpg és hid_sample_view2_kdg.jpg - internetről

A HID fényszórók még ki sem forrták magukat, az autógyártók már új, alternatív fényforrás után kutattak a LED-ek (Light Emitting Diode – fényt kibocsátó dióda) területén. Már

napjainkban is elterjedten alkalmazzák irányjelzésre, féklámpaként és a műszerfal megvilá- gítására, de a közeljövőben várható, hogy autófényszóróként is megjelenjenek. Az elmúlt két évben ugyanis egységteljesítményüket sikerült annyira megnövelni, hogy már gépkocsi fényszórók készítésére is számításba vehetők. A fehér fényt emittáló LED-eket általában úgy készítik, hogy a kék színképtartományban sugárzó félvezető morzsát bevonják egy, a rövidebb hullámhosszúságú sugárzás hatására a sárgás színképtartományban világító fénypor réteggel úgy, hogy a két sugárzás összhatása fehér fényészleletet kelt. A fénypor réteg összetételének és vastagságának változtatásával változtatni lehet a fényszínt.

A fehér LED-ek színhőmérséklete általában még nagyobb, mint a HID-lámpáké, azaz fényük kékesen fehérebb, a szokásos korrelált színhőmérsékletek 6000 K és 8000 K közé esnek.

Előnyük, hogy gyakorlatilag nem kell számolni a lámpák kiégésével (az élettartamuk hosszabb, mint a gépkocsi élettartama), de az is, hogy a LED teljes fényét a bekapcsolás után a másodperc milliomod része alatt eléri, szemben az izzólámpával, melynek fényáram-felfutását tized másodpercekben mérhetjük. Bár például a fékjelzést leadó gépkocsi mögött haladó gépkocsi vezetőjének reakcióidejéhez képest ez az időtartam nem túlzottan hosszú, kritikus helyzetekben az összeütközés elkerüléséhez vezethet. A LED-eknek további előnyük is van: nagyfrek- venciásan modulálhatók, s így a világításon kívül információ-továbbításra is fel lehet őket használni. Ezt kihasználva olyan gépkocsi fényszóró rendszerek fejlesztése lehetséges, amelyek más gépkocsikkal és a gépkocsi környezetében lévő biztonságtechnikai eszközökkel kommu- nikálni tudnak.

A jövő fényforrásai minden bizonnyal a LED-ek lesznek, a vezető autóipari gyártók már több koncepciót is készítettek LED-es fényszórókhoz.

Ahhoz, hogy a gépkocsiban felhasználásra kerülő fényszóró kielégítse a látási igényeket és ne kápráztasson, számos látásfiziológiai és pszichológiai kérdést kell tisztázni, és ezeknek meg- felelően tervezni meg az új fényszóró konstrukciókat.

4.2. Láthatóság

Az emberi látás éjszakai körülmények között meglehetősen összetett jelenség, a megfelelő fényforrások megtervezése a jelen nagy kihívását jelenti. Az éjszakai autóvezetés a látótér fénysűrűségét tekintve a mezopos tartományba esik. Ez az a tartomány, ahol a szem viselkedése még nem jellemezhető megfelelően, és a mai napig nincs nemzetközi megegyezés a megfelelő mérési módszerek alkalmazásában. A gépkocsik fényszóróinak biztosítaniuk kellene az opti- mális megvilágítást mezopos körülmények között, azonban ez jelenleg még nem mindig elérhető.

Országúton a gépkocsivezető járműve fényszórójának fénye mellett kénytelen autózni. Ez az egyetlen fényforrás, amelyre támaszkodhat, hiszen többek között már csak energiatakarékossági okokból sem tudjuk a gépkocsivezető látóterét a nappali látáshoz szükséges szinten megvilágítani. A jobb látás érdekében azonban nem növelhetjük minden határon túl a fényszóró teljesítményét, mert figyelemmel kell lennünk a szemből érkező jármű vezetője számára okozott káprázásra is.

Az összes világítástechnikai előírásunk fotopos látási körülmények közötti látásra vonatkozik.

Az úttestről visszaverődő fénysűrűség azonban a néhány tized cd/m² tartományába esik, azaz mezopos látást vált ki. Ismert, hogy a fénysűrűséget csökkentve látásunk a fotoposból a mezoposon át a szkotopos látás tartományába változik. Közben szemünk relatív érzékenysége a rövidebb hullámhosszakon nő, a hosszabb hullámhosszakon csökken. Ezért kékesebb színű fényforrásokkal megvilágítva az úttestet a láthatóság mezopos látás esetén jobb, mint azt a fotopos látásra kidolgozott mérési eljárások alapján várnánk, összehasonlítva az adatokat sárgásabb színű fényforrással történő világítással. A mezopos látás tartományára nincsen nemzetközileg elfogadott fotometriai rendszer. Rea és munkatársai⁶³ vizsgálatai alapján ma általában feltételezik, hogy közvetlenül a nézés irányában (foveális látás) mezopos látás körülményei között is megfelelő a fotopos látás fotometriai rendszere. Perifériális látás esetén, mint amilyen látással vesszük észre az út szélén álló embereket vagy az útszéli jelzőtáblákat, vörösérzékenységünk csökken a kékes árnyalatok érzékelésével szemben.

Ph.D. munkámban mezopos körülmények között vizsgáltam az éjszakai közlekedés során fellépő zavaró káprázás színképi függését.

5. Zavaró káprázás kísérlet

5.1. A kísérleti környezet

A kísérleteket a Pannon Egyetem VILLAMOSMÉRNÖKI ÉS INFORMÁCIÓS RENDSZEREK (előtte:

Képfeldolgozás és Neuroszámítógépek) Tanszékén folytattam a „VIRTUÁLIS KÖRNYEZETEK ÉS FÉNYTAN LABORATÓRIUM”-ban, ahol megfelelő körülményeket hoztam létre az éjszakai autóvezetés szimulálásához. A környezettel szemben támasztott követelmények a következők voltak:

 Éjszakai fényviszony: a többi kritérium mellett talán a leglényegesebb, hiszen az éjszakai autóvezetés modellezésének elengedhetetlen feltétele. Ezért a kísérleteket sötét szobában végeztem. A szem síkjában mért megvilágítás 3 lx volt.

 A kísérlet zavaró tényezőinek minimalizálása: a tesztalanyt elválasztottam a háttérben lévő különböző fényerősségű, színű tárgyaktól, hogy ne vonják el a figyelmét a kísérletről.

 Megfelelő ergonómiai kialakítás a kísérlet kivitelezésére, ülési pozícióra, zavaró tényezők csökkentésére. Az egész elrendezést úgy kellett kialakítani, hogy az ergonómiailag megfelelő, és a kísérlet szempontjából a optimális legyen, különös tekintettel arra, hogy egy- egy kísérleti ülés meglehetősen hosszú volt.

5.2. A kísérlethez használt eszközök

 Laptop számítógép, amelyet kisebb helyigénye és LCD kijelzője miatt választottam.

 Kápráztató fényforrás, amely – kísérletem esetében – Xe lámpa volt.

 Megfelelő szék és asztal. A székkel szemben annyi elvárás volt, hogy állítható magasságú legyen (a kísérleti személy testmagasságához való állítás érdekében), biztosítsa az optimális látószöget (a mi esetünkben a szem síkjából a fényforrásnak 2° alatt kell látszódnia), valamint legyen karfája, amelyen az optikusok által is használt homlok és fejtámaszt rögzítettük. Az asztalnak annyi szerepe volt, hogy elférjen rajta számítógép-ergonómiailag a laptop.

 Fénysűrűség mérő eszköz (PR 705).

 Vezetékes, távirányítású blende-állító (diafragma) készülék, amely biztosította a különböző fénysűrűségek beállítását.

 Holografikus szűrő (2D-s nem reguláris rács, amely a fényt irányítottan szórja), amely homogenizálta a fényt, ezáltal egyenletes fénysűrűséget kaptam.

 Paravántábla és egy sötét takaró függöny, amely elszigetelte a kísérleti személyt a kápráztató forrástól. Erre azért volt szükséges, hogy a nézés irányán kívül máshonnan ne juthasson fény a szemébe, ellenkező esetben további káprázást okozhattam volna.

 Interferenciás szűrő sorozat a különböző hullámsávokban való kápráztatás létrehozására, a hozzá tartozó szűrő tartó tárcsával.

5.3. A tesztalanyok kiválasztása

A tervezés fázisában magamon, és néhány ismerősömön, családtagomon teszteltem a programot, a kísérleti körülményeket és az ergonómiai elrendezést. Amikor mindent rendben találtam, akkor került sorra a tesztalanyok kiválasztása. A fő kísérletben 10 fiatal, jó színlátású naiv kísérleti személy vett részt, koruk 20 és 28 év között volt (átlag: 23,8; szórás: 3,05). Jó színlátásukat Farnsworth-Munsell 100-HUE TEST-tel ellenőriztem.

A kísérleti személyeknek nem volt előzetes tudásuk a kísérletről, de több próbakísérlet és a feladat pontos ismertetése után végezték el az „éles” kísérletet (a későbbiek során erre még visszatérek).

5.4. A kísérlet előkészítése

A külső tényezők teljesülése mellett szükséges volt még egyéb kritériumok teljesülése is, amelyeket maradéktalanul próbáltam betartani és betartatni a tesztalanyokkal.

A kritériumok:

 a felhasználó teljes körű tájékoztatása feladatáról úgy, hogy a várt eredményekről nem tudhat, nehogy esetleg befolyásoló hatása legyen,

 személyre szabottan beállítani az eszközöket (például a szék magasságát, távolságát a kápráztató fényforrástól),

 megfelelő időközönkénti szünet beiktatása (kb. óránként),

 állandó felügyelet és figyelem a kísérlet teljes tartalma alatt annak érdekében, hogy végig (minden tesztalany minden egyes kísérleti fázis során) ugyanolyan feltételek között történjen a kísérlet,

 az egyéb, esetlegesen fellépő zavaró tényezők minimumra csökkentése,

 a kísérlet időtartamának minimalizálása,

 a program bemutatása, kezelésének betanulása, illetve betanítása,

 a kísérlet végén az észrevételek, tapasztalatok megtárgyalása.

A kritériumok pontos betartása nem volt egyszerű feladat. Különösen nehéz volt biztosítani, hogy a tesztalanyok mindig pontosan ugyanott és ugyanúgy üljenek. Erre azért volt szükség, mert a kísérlet több részletben, különböző időpontokban került végrehajtásra. Ugyancsak fontos volt, hogy a berendezések is pontosan ugyanúgy legyenek elhelyezve és beállítva minden egyes alkalommal, mert csak így tudtuk biztosítani a mérések reprodukálhatóságát végig a kísérletben.

Végig fontos feladat volt a kísérlet állandó felügyelete, a tesztalanyok megfelelő tájékoztatása, az interferencia szűrők előre meghatározott sorrendben történő cserélése, valamint a kezdeti sötétre adaptálási idők és a szünetek betartása/betartatása.

A kísérleti személyek pontos (és azonos) tájékoztatása érdekében egy bemutatót készítettem, amelyet minden tesztalany végig nézett, illetve hallgatott. Ez az idő alkalmas volt arra, hogy – a sötétadaptálódás mellett – a tesztalanyok megfelelően ráhangolódjanak a feladatokra, megértve annak fontosságát, jelentőségét, ezzel is ösztönözve őket a feladatok korrekt végrehajtására. A tesztalanynak tudnia kellett, hogy a kísérletek meglehetősen hosszúak, és azt is, hogy ez miért van.

5.5. A kísérlet általános leírása, végrehajtásának menete

Munkám során több kísérletet is végeztem a káprázás színképi függésének meghatározásával kapcsolatban. Ezek részletes leírására később térek ki, most azokat az információkat taglalom, amelyek mindegyik kísérlet során azonosak voltak.

A zavaró káprázás hullámhossz függésének meghatározására a következő kísérletet állítottam össze (11. A és 11. B ábra):

11. A ábra: A kísérlet sematikus felülnézeti ábrája.

11. B ábra: A kísérlet sematikus perspektivikus ábrája.

Mint a perspektivikus képen látható, a kísérleteket szemből valamint 10 fokból hajtottuk végre.

Fényforrásként nagynyomású Xenon-lámpát használtam, amelynek fénye „blende”-n haladt át.

A diafragma (blende) az intenzitás változtatására szolgált. Ezután a fényt kollimáltam, majd az az interferenciás szűrőn haladt keresztül, kvázi monokromatizálva a kibocsátott fényt. A szűrőből kilépő fény holografikus diffúzoron át jutott a megfigyelő látóterébe. Lényeges, hogy a tesztalanyok a kísérlet során soha sem nézhettek a kápráztató fényforrásba. Ennek elkerülésére szolgáltak a különböző programok és feladatok, amelyekkel az volt a cél, hogy a laptop monitorának megfelelő helyére koncentráljam a tesztalanyok figyelmét. A kápráztató forrást szemmagasságban úgy állítottam be, hogy a tesztalany azt – megfelelő távolságból – 2º alatt lássa.

A kísérlethez a tesztalany szemét – binokuláris látáshoz – homlok- és álltámasz segítségével állítottam a fényútba (12. ábra).