ΕΡΓΟΝΟΜΙΑ & ΦΩΤΙΣΜΟΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ

Transcript

1 Σχολή Επαγγελμάτων Υγείας & Πρόνοιας Τμήμα Οπτικής & Οπτομετρίας ΕΡΓΟΝΟΜΙΑ & ΦΩΤΙΣΜΟΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Σημειώσεις για το Μάθημα «Εργονομία και Φωτισμός περιβάλλοντος» Του Ζ εξαμήνου των φοιτητών Οπτικής & Οπτομετρίας Πάνος Δρακόπουλος Καθηγητής Αθήνα, Ιανουάριος 2012

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΦΩΣ Φως και ακτινοβολία Φωτομετρικά μεγέθη Χρωματομετρικά μεγέθη Πηγές φωτός ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΟΡΑΣΗΣ Η οπτική του οφθαλμού Συνεχείς ρυθμίσεις του οφθαλμού Δυνατότητες του συστήματος της όρασης ΤΟ ΚΙΡΚΑΔΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑ Εισαγωγή Η δομή του κιρκάδιου συστήματος Χαρακτηριστικά του κιρκάδιου συστήματος Συμπεράσματα και επισημάνσεις ΦΩΤΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΕΡΓΑΣΙΑ Ανασκόπηση Μέθοδοι μελέτης φωτισμού στην εργασία Παρατεταμένη εργασία ΦΩΤΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΟΠΤΙΚΗ ΔΥΣΦΟΡΙΑ Συμπτώματα και αιτίες οπτικής δυσφορίας Φωτισμός και οπτική δυσφορία Προσεγγίσεις για τη βελτίωση της οπτικής άνεσης ΦΩΤΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΑΝΤΙΛΗΨΗ ΧΩΡΟΥ ΚΑΙ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΩΝ Εισαγωγή Απλές αντιλήψεις Σύνθετες αντιλήψεις ΦΩΤΙΣΜΟΣ ΓΙΑ ΕΙΔΙΚΕΣ ΠΕΡΙΠΤΩΣΕΙΣ Φωτισμός γραφείων Βιομηχανικός φωτισμός Φωτισμός διαφυγής Φωτισμός οδήγησης Φωτισμός για ηλικιωμένους Φως και Υγεία ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

3 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Εργονομία είναι η επιστήμη η οποία έχει ως αντικείμενο την προσαρμογή στον άνθρωπο του περιβάλλοντος, των μέσων και των μεθόδων που αυτός χρησιμοποιεί κατά τον εργασιακό και ελεύθερο χρόνο του. Στο συγκεκριμένο μάθημα εξετάζεται ο φωτισμός του περιβάλλοντος έτσι ώστε να είναι προσαρμοσμένος στις ανάγκες του ανθρώπου, δηλαδή να είναι «εργονομικός» Το φως εξ ορισμού είναι η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με μήκος κύματος στο διάστημα μεταξύ 400 (ιώδες) και 770 (κόκκινο) νανόμετρα που μπορεί να γίνει αντιληπτή από ένα φυσιολογικό ανθρώπινο οφθαλμό. Συνήθως στην έννοια φως συγκαταλέγουμε και τις φασματικές ζώνες με μήκη μικρότερα των 400nm δηλαδή το υπεριώδες (UV) και μεγαλύτερα των 770nm δηλαδή το υπέρυθρο (IR). Είναι γεγονός ότι στην προϊστορική εποχή όλες οι δραστηριότητες του ανθρώπου συνέβαιναν μεταξύ ανατολής και δύσης του ηλίου. Στις μέρες μας οι δραστηριότητες του ανθρώπου εκτελούνται όλο το εικοσιτετράωρο. Αυτό έχει γίνει εφικτό με τα τεχνητά συστήματα φωτισμού. Βασίζονται σε μία πηγή που η λειτουργία της οφείλεται στα φαινόμενα της πυράκτωσης, ηλεκτροφωταύγειας και φθορισμού, κάποιο μηχανισμό ελέγχου και ένα φωτιστικό σώμα. Η επιστήμη του φωτισμού σχετίζεται όχι μόνο με τις βασικές επιστήμες των μαθηματικών, φυσικής και χημείας αλλά και με την φυσιολογία, την ψυχολογία, τα οικονομικά και την αισθητική. Η όραση είναι η πλέον σημαντική αίσθηση του ανθρώπου και της αναλογεί το 80% της συλλογής πληροφοριών. Οι πληροφορίες μπορεί να συλλεχθούν είτε από το φως του ηλίου/φεγγαριού (άμεσο ή ανακλώμενο) ή με τη χρήση τεχνητού φωτισμού (παραπλήσιου στο φυσικό). Σύμφωνα με τον Teichmuller λέμε ότι ο φωτισμός είναι καλός όταν τα μάτια μας μπορούν καθαρά και ευχάριστα να αντιληφθούν αντικείμενα τριγύρω μας. Συνεπώς ο τεχνητός φωτισμός πρέπει να είναι λειτουργικός και ευχάριστος και φυσιολογικά και ψυχολογικά. Αυτό συνήθως επιτυγχάνεται με χρήση πολλαπλών πηγών. Πρέπει να σημειωθεί ότι οι πηγές ταυτόχρονα θα πρέπει να είναι οικονομικές και ενεργειακά αποδοτικές. Οι σημειώσεις αυτές χωρίζονται θεματικά σε τρία μέρη. Στο πρώτο μέρος αναπτύσσονται οι βασικές αρχές του φωτός, της όρασης και του κιρκάδιου συστήματος. Στο δεύτερο μέρος καλύπτονται τα γενικότερα θέματα όπως η επίδραση του φωτισμού στην ικανότητά μας για εργασία, η δυνατότητά του να προκαλεί οπτική δυσφορία και ο επηρεασμός του στην αντίληψη χώρων και αντικειμένων. Τέλος στο τρίτο μέρος παρουσιάζονται μερικές εξειδικευμένες περιπτώσεις φωτισμού. 3

4 2 ΦΩΣ 2.1 Φως και ακτινοβολία Το φως είναι μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος που εκτείνεται από τις κοσμικές ακτινοβολίες (10-16 m) στα ραδιοκύματα (10 4 m). Αυτό που διαφοροποιεί την περιοχή μεταξύ 380 και 780 nm είναι η απόκριση του ανθρώπινου συστήματος όρασης. Οι φωτο-υποδοχείς του οφθαλμού απορροφούν ενέργεια σε αυτά τα μήκη κύματος και ξεκινάει η διαδικασία της όρασης scotopic photopic (nm) Σχήμα 2.1: Φωτοπική και σκοτοπική απόκριση οφθαλμού Όπως θα δούμε στο επόμενο κεφάλαιο, η απόκριση του οφθαλμού δεν είναι ομοιόμορφη σε όλα τα ορατά μήκη κύματος. Ο αμφιβληστροειδής έχει δύο διαφορετικά είδη φωτοϋποδοχέων που ενεργοποιούνται σε διαφορετικές συνθήκες φωτισμού. Στις φωτοπικές συνθήκες (συνθήκες άπλετου φωτισμού) ενεργοποιούνται τα κωνία ενώ σε σκοτοπικές συνθήκες (χαμηλού φωτισμού) τα ραβδία. ΟΙ δύο διαφορετικοί τύποι έχουν και διαφορετικές φασματικές αποκρίσεις και έχουν μετρηθεί με πειράματα και καταγραφεί από τον διεθνή οργανισμό CIE. Σε φωτοπικές συνθήκες η μέγιστη ευαισθησία είναι στα 555 nm και σκοτοπικές στα 507 nm (Σχήμα 2.1). 4

5 2.2 Φωτομετρικά μεγέθη Το θεμελιώδες μέγεθος μέτρησης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας είναι η ροή ακτινοβολίας (ισχύς) και μετρείται σε watts. Το αντίστοιχο μέγεθος μέτρησης φωτεινής ακτινοβολίας είναι η φωτεινή ροή και μετρείται σε lumen. Προκύπτει πολλαπλασιάζοντας τη ροή ακτινοβολίας μήκος προς μήκος κύματος με την φασματική απόκριση του οφθαλμού(σχήμα 2.2): K V m Όπου Φ είναι η φωτεινή ροή (lumens), Ψλ η ισχύς (watts) σε ένα μικρό διάστημα μηκών κύματος Δλ, Vλ η φασματική απόκριση του οφθαλμού και Κm =683 lm/w για φωτοπικές συνθήκες και Κm =1699 lm/w για σκοτοπικές συνθήκες. Σχήμα 2.2: Η διαδικασία μετατροπής ραδιομετρικών σε φωτομετρικά μεγέθη. Το κεντρικό σχήμα δείχνει την φασματική απόκριση του φωτοπικού παρατηρητή (CIE). Πολλαπλασιάζοντας για κάθε μήκος κύματος την φασματική κατανομή της οπτικής ισχύος (αριστερά) με την απόκριση του φωτοπικού παρατηρητή παίρνουμε την φασματική φωτεινή ροή (δεξιά). Φωτοβολία (ή φωτεινή ένταση) μιας «σημειακής» πηγής είναι η φωτεινή ροή που εκπέμπεται από φωτεινή πηγή μέσα σε ένα πολύ στενό κώνο φωτός δια της στερεάς γωνίας του κώνου, και έχει μονάδα μέτρησης την candela (cd). Δίνεται από τη σχέση: I Θεωρούμε σημειακή πηγή εκείνη που έχει έκταση μικρότερη του 1/10 της απόστασης παρατήρησης. Η φωτοβολία μίας πηγής εξαρτάται συνήθως από την διεύθυνση της στερεάς γωνίας ΔΩ (π.χ. ο λαμπτήρας πυρακτώσεως). Ορίζουμε 5

6 ολική φωτεινή ροή την συνολικά εκπεμπόμενη φωτεινή ροή από μια πηγή προς κάθε κατεύθυνση: 4 I( ) 0 Φωτεινότητα είναι η φωτεινή ροή που εκπέμπεται από μία επιφάνεια προς μία κατεύθυνση διά της προβολής της επιφάνειας στην κατεύθυνση της διάδοσης και δια της στερεάς γωνίας που περιέχει αυτή την διεύθυνση. Μονάδα μέτρησης είναι το nit (Candela m -2 ). Όταν η φωτεινή ροή που προέρχεται από μία πηγή με έκταση μεταβάλλεται ανάλογα με το συνημίτονο της γωνίας παρατήρησης, τότε λέμε ότι η πηγή ακολουθεί τον νόμο του Lambert και ονομάζεται πηγή τέλειας διάχυσης. Η φωτεινότητα τέτοιας πηγής είναι ανεξάρτητη της γωνίας παρατήρησης. Φωτισμός εκφράζει τη φωτεινή ροή που προσπίπτει σε μία επιφάνεια ανά μονάδα επιφανείας. Μονάδα είναι το lux (lm/m 2 ). Δίνεται από τη σχέση: E A Φ είναι η φωτεινή ροή και Α το εμβαδόν της επιφάνειας. Όταν η φωτεινή ροή προέρχεται από σημειακή πηγή, ο φωτισμός της επιφάνειας θα δίνεται από τη σχέση: E I cos 2 r όπου είναι η γωνία πρόσπτωσης στην επιφάνεια. Η σχέση αυτή λέγεται και νόμος της φωτομετρίας (ή νόμος του συνημίτονου του Lambert). Έτσι εξηγείται γιατί οι ακτίνες του ηλίου «καίνε» περισσότερο το καλοκαίρι από τον χειμώνα και το μεσημέρι από το απόγευμα (Σχήμα 2.3: Ο νόμος της φωτομετρίας σημαίνει μείωση του φωτισμού καθώς αυξάνεται η γωνία πρόσπτωση της ακτινοβολίας σε μία επιφάνεια( Σχήμα 2.3). A 6

7 Σχήμα 2.3: Ο νόμος της φωτομετρίας σημαίνει μείωση του φωτισμού καθώς αυξάνεται η γωνία πρόσπτωση της ακτινοβολίας σε μία επιφάνεια Αν η προσπίπτουσα δέσμη είναι κάθετη στην επιφάνεια, τότε το συνημίτονο της γωνίας είναι μονάδα και ο φωτισμός δίνεται από τη σχέση: I E r Δηλαδή ο φωτισμός είναι ανάλογος της φωτοβολίας της πηγής και αντιστρόφως ανάλογος του τετραγώνου της απόστασης πηγής και επιφάνειας 2 Ανακλαστικότητα είναι ο λόγος της φωτεινής ροής που ανακλάται από μία επιφάνεια προς την φωτεινή ροή που πέφτει πάνω στην επιφάνεια. R Η ανακλαστικότητα που έχει εύρος τιμών 0-1, εκφράζει το ποσοστό του προσπίπτοντος φωτισμού που ανακλάται και δεν απορροφάται από την επιφάνεια. 7

8 Αφετική ικανότητα (excitance) Σχήμα 2.4: Διάχυτη ανάκλαση Κάθε επιφάνεια που φωτίζεται συμπεριφέρεται ως δευτερογενής πηγή λόγω ανάκλασης (ή διάδοσης) του φωτός από το υλικό της επιφάνειας. Όταν η ανάκλαση είναι αποκλειστικά διάχυτη (Σχήμα 2.4), η επιφάνεια συμπεριφέρεται ως πηγή Lambert με φωτεινότητα που δίνεται από τη σχέση: M RE L όπου Μ είναι η αφετική ικανότητα της επιφάνειας (το πηλίκο της φωτεινής ροής που εκπέμπει η επιφάνεια δια του εμβαδού της), R είναι η ανακλαστικότητα της επιφάνειας και Ε ο προσπίπτων φωτισμός. Σχήμα 2.5: Θεμελιώδη μεγέθη φωτομετρίας 8

9 Τέλος υπάρχουν δύο άλλα μεγέθη που σχετίζονται με την φωτομετρία αλλά είναι έντονα ψυχοφυσικά: Η αίσθηση λαμπρότητας (brightness) είναι συνδεδεμένη με την φωτεινότητα μίας επιφάνειας και περιγράφει την αντίληψή της από τον οφθαλμό στις συγκεκριμένες συνθήκες παρατήρησης. Έτσι ένα υπνοδωμάτιο που φωτίζεται από ένα πορτατίφ εμφανίζεται λαμπερό όταν ξυπνήσουμε τη νύχτα. Όταν όμως μπούμε στο ίδιο δωμάτιο αφού προηγουμένως ήμασταν έξω στον λαμπερό ήλιο το αντιλαμβανόμαστε σκοτεινό. Η αίσθηση λαμπρότητας έχει εύρος τιμών από σκοτεινό έως λαμπερό. Η λευκότητα (lightness) είναι συνδεδεμένη με την αντίληψη της ανακλαστικότητας μιας επιφάνειας και έχει εύρος τιμών από λευκό μέχρι μαύρο. Ανεξάρτητα από το πόσο φωτεινός είναι ένας χώρος, ένα άσπρο μαντήλι το αντιλαμβανόμαστε πάντα άσπρο και μία μαύρη γάτα πάντα μαύρη. Σχήμα 2.6: Καθώς αυξάνεται ο φωτισμός του περιβάλλοντος χώρου αυξάνεται και η αίσθηση λαμπρότητας μίας επιφάνειας (πάνω). Η λευκότητα σχετίζεται με την ανακλαστικότητα των επιφανειών και για συγκεκριμένες συνθήκες φωτισμού παραμένει συγκριτικά σταθερή μεταξύ των διαφόρων επιφανειών (κάτω). 9

10 Τυπικές τιμές φωτομετρικών μεγεθών: ΦΩΤΙΣΜΟΣ (lux) ΗΛΙΟΣ ΣΚΙΑ ΣΥΝΝΕΦΙΑ 1000 ΧΩΡΟΣ ΓΡΑΦΕΙΟΥ ΠΑΝΣΕΛΗΝΟΣ 0,2 ΑΣΤΡΟΦΕΓΓΙΑ 0,001 ΦΩΤΟΒΟΛΙΑ (cd) ΠΡΟΒΟΛΕΙΣ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ W ΠΥΡΑΚΤΩΣΕΩΣ 100 LED 0, ΦΩΤΕΙΝΟΤΗΤΑ (nit) ΗΛΙΟΣ 2x10 9 ΛΑΜΠΤΗΡΑΣ ΓΑΛΑΚΤΟΧΡΩΜΟΣ ΛΑΜΠΤΗΡΑΣ ΦΘΟΡΙΣΜΟΥ 5000 ΟΘΟΝΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗ 100 Σχήμα 2.7: Τυπικοί φωτισμοί επιφανειών το μεσημέρι μιας ηλιόλουστης μέρας 2.3 Χρωματομετρικά μεγέθη Στα φωτομετρικά μεγέθη δεν ενδιαφέρει ο συνδυασμός των μηκών κύματος που εισέρχεται στον οφθαλμό. Είναι πιθανό δύο φωτεινά πεδία να έχουν την ίδια φωτεινότητα αλλά να αποτελούνται από εντελώς διαφορετικούς συνδυασμούς 10

11 τριχρω μα τική σ υ ντεταγμ ένη μηκών κύματος. Σε αυτή την περίπτωση τα δύο πεδία θα έχουν διαφορετικό χρώμα. Κάθε χρώμα ορατό από τον ανθρώπινο οφθαλμό μπορεί να απεικονιστεί ως συνδυασμός των τριών πρότυπων χρωμάτων CIE: X, Y, Z. Ο συνδυασμός αυτός προσδιορίζεται με τρεις αριθμούς X, Y, Z που ονομάζονται τριχρωματικοί συντελεστές. Τα συγκεκριμένα βασικά χρώματα δεν είναι πραγματικά αλλά βολικές μαθηματικές δομές. Παρά ταύτα, αντιπροσωπεύουν μονοσήμαντα πραγματικές αποχρώσεις. Διαφορετικοί συνδυασμοί μηκών κύματος που δίνουν ίδιους τριχρωματικούς συντελεστές, έχουν ολόιδιες αποχρώσεις για τον ανθρώπινο οφθαλμό. μήκος κύματος (nm) Σχήμα 2.8: Συναρτήσεις συνταιριασμού CIE Τα πρότυπα (βασικά) χρώματα C.I.E. και οι σχετικές με αυτά συναρτήσεις συνταιριασμού χρώματος χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό των τριχρωματικών συντελεστών απεικονίζοντας ένα χρώμα ως C=XX+YY+ZZ Η φασματική κατανομή των συναρτήσεων συνταιριασμού δίνεται στο Σχήμα 2.8. Η συνάρτηση αντιπροσωπεύει και την ευαισθησία του ανθρώπινου y οφθαλμού. Οι συντελεστές X, Y, Z υπολογίζονται σύμφωνα με τις σχέσεις: 11

12 X E( ) x( ) Y E( ) y( ) Z E( ) z ( ) Όπου Ε(λ) είναι η φασματική κατανομή του χρώματος που θέλουμε να προσδιορίσουμε. Στην πράξη χρησιμοποιούμε ποσοστά αυτών των συνιστωσών, τα x, y,z: X Y Z x, y, z X Y Z X Y Z X Y Z Κάθε σύνθετο χρώμα μπορεί να περιγραφεί με ένα σημείο στο χώρο που έχει συντεταγμένες x, y, z. Οι συντεταγμένες δίνουν το ποσοστό από κάθε πρότυπο χρώμα που εμπεριέχεται στο συγκεκριμένο σύνθετο χρώμα. Επειδή όμως x+y+z=1 αρκεί ο καθορισμός των συντελεστών x και y. Βέβαια με αυτήν την ποσοστικοποίηση απουσιάζει η πληροφορία της λαμπρότητας και συνήθως για τον ακριβή καθορισμό ενός χρώματος απαιτείται και το Υ (xyy). Σε σχέση με τους παραπάνω συντελεστές (x, y) κάθε χρώμα περιγράφεται με σημείο σε επίπεδο διάγραμμα που καλείται χρωματικό διάγραμμα (Σχήμα 2.9). Τα απλά χρώματα κείνται επί της πεταλοειδούς καμπύλης εκτός από την ευθεία της βάσης που αντιπροσωπεύει τα πορφυρά (σύνθετα). Όλα τα άλλα σύνθετα χρώματα αντιστοιχούν σε σημεία στο εσωτερικό της καμπύλης. Το λευκό (6447 Κ) έχει συγκεκριμένες συντεταγμένες x=y= Ένα τυχαίο χρώμα (C) μπορεί να αναπαραχθεί με τη σύνθεση δύο χρωμάτων. Τα δύο χρώματα προκύπτουν από την τομή οποιασδήποτε ευθείας που διέρχεται από το σημείο με την εξωτερική καμπύλη. Τα μήκη των ευθειών δίνουν την αναλογία των δύο χρωμάτων. Αν φέρουμε μία ευθεία που διέρχεται από το λευκό τότε το χρώμα μπορεί να παραχθεί από λευκό και το απλό χρώμα που αντιστοιχεί στην καμπύλη. Ευθείες που διέρχονται από το σημείο W (λευκό) ορίζουν στην εξωτερική καμπύλη δύο χρώματα που είναι συμπληρωματικά (πχ C=490nm και R=600 nm ή B=480 nm και Υ=580 nm). Στο χρωματικό διάγραμμα στο Σχήμα 2.9 έχουν σημειωθεί οι θέσεις των τριών βασικών χρωμάτων R, G, B όπως αναπαράγονται από μία οθόνη τηλεόρασης. Συνδυασμός των τριών αυτών βασικών μπορεί να δώσει μόνο τα χρώματα που εμπεριέχονται στο τρίγωνο. Αυτά ορίζουν την γκάμα των συγκεκριμένων βασικών η οποία προφανώς υπολείπεται του συνόλου των υπαρκτών χρωμάτων. 12

13 G C y W 590 R Χ 470 B x Σχήμα 2.9: Το χρωματικό διάγραμμα. Αν και το χρωματομετρικό σύστημα CIE είναι η περισσότερο πλήρης και ευρύτατα αποδεκτή μέθοδος για να ποσοστικοποιηθεί το χρώμα, είναι αναμφισβήτητα πολύπλοκο. Η βιομηχανία που σχετίζεται με τον φωτισμό το χρησιμοποίησε για να ορίσει δύο απλά μεγέθη που χαρακτηρίζουν πηγές φωτός: Την συσχετισμένη θερμοκρασία χρώματος (CCT) και τον γενικό δείκτη απόδοσης χρώματος (CRI). Η συσχετισμένη θερμοκρασία χρώματος περιγράφει το πώς φαίνεται το χρώμα μιας πηγής και έχει μονάδα μέτρησης το Kelvin. Το μέγεθος αυτό στηρίζεται στο ότι η φασματική εκπομπή ενός μέλανος σώματος σύμφωνα με τον νόμο του Planck εξαρτάται μόνο από την θερμοκρασία του. Το Σχήμα 2.10 δείχνει τον γεωμετρικό τόπο του Planck δηλαδή χρωματικούς συντελεστές από μέλανα σώματα σε διάφορες θερμοκρασίες. Οι κάθετες γραμμές είναι ισοθερμικές γραμμές. Όταν οι χρωματικοί συντελεστές μιας πηγής βρίσκονται πάνω στον γεωμετρικό τόπο του Planck η χρωματική τους εμφάνιση περιγράφεται από την αντίστοιχη θερμοκρασία χρώματος. Οι πηγές που έχουν συντεταγμένες κοντά στον γεωμετρικό τόπο του Planck (πάνω στις κάθετες 13

14 ισοθερμικές γραμμές) περιγράφονται από την συσχετισμένη θερμοκρασία χρώματος. Η μέθοδος αυτή έχει εφαρμογή σε πηγές λευκού φωτός. Στις περισσότερες περιπτώσεις οι θερμοκρασίες καλύπτουν το εύρος 2700K με 7500Κ. Ένας λαμπτήρας με 2700Κ περιγράφεται σαν θερμή πηγή φωτός (πχ ο λαμπτήρας βολφραμίου που έχει κιτρινωπό χρώμα) ενώ ένας λαμπτήρας 7500Κ περιγράφεται σαν ψυχρή πηγή φωτός (λαμπτήρας φθορισμού). Σε πηγές με συντεταγμένες εκτός των ισοθερμικών γραμμών δεν συσχετίζεται θερμοκρασία χρώματος. Σχήμα 2.10: Γεωμετρικός τόπος Planck Ο γενικός δείκτης απόδοσης χρώματος(cri) περιγράφει την επίπτωση μιας φωτεινής πηγής στο χρώμα μιας επιφάνειας. Το χρώμα μιας επιφάνειας μπορεί να ποσοστικοποιηθεί όπως αυτό της φωτεινής πηγής. Η διαφορά έγκειται στο ότι εξαρτάται και από την επιφάνεια και από την φωτεινή πηγή. Έτσι για τον προσδιορισμό των συντελεστών X, Y, Z στις εξισώσεις γίνεται χρήση και του φασματικού συντελεστή ανακλαστικότητας της επιφάνειας R(λ): 14

15 X E( ) R( ) x( ) Y E( ) R( ) y( ) Z E( ) R( ) z ( ) Ο συντελεστής CRI υπολογίζεται με τη σύγκριση των X, Y, Z συντεταγμένων επιφανειών 8 χρωμάτων αναφοράς φωτισμένες με την αξιολογούμενη πηγή με τις συντεταγμένες των ίδιων επιφανειών φωτισμένες με πηγή αναφοράς. Το αποτέλεσμα της σύγκρισης για κάθε χρώμα είναι ο ειδικός δείκτης, ενώ ο μέσος όρος και για τα οχτώ χρώματα είναι ο γενικός δείκτης. Η πηγή αναφοράς είναι μέλαν σώμα με ίδια CCT με την αξιολογούμενη πηγή. Μία πηγή που είναι πανομοιότυπη με την πηγή αναφοράς έχει CRI= Πηγές φωτός Ο φωτισμός επιτυγχάνεται με φυσικό τρόπο από τον ήλιο και τεχνητά με φλόγες καύσης και ηλεκτρικές πηγές φωτός. Η ανάπτυξη και η αύξηση στη χρήση τεχνητών πηγών φωτισμού έχει αλλάξει θεμελιακά τη ζωή εκατομμυρίων ανθρώπων στη γη. Μία πηγή φωτισμού χαρακτηρίζεται από τις εξής παραμέτρους: Αποδοτικότητα. Η αποδοτικότητα εκφράζεται ως το πηλίκο της παραγόμενης ολικής φωτεινής ροής δια της καταναλώμενης ισχύος (lm/w). Φασματική κατανομή της ισχύος Συσχετισμένη θερμοκρασία χρώματος Γενικό δείκτη απόδοσης χρώματος Διάρκεια ζωής (ώρες λειτουργίας μέχρι να «καεί») Χρόνος προθέρμανσης (χρόνος που απαιτείται από την στιγμή ενεργοποίησης μέχρι την επίτευξη πλήρους φωτεινής αποδοτικότητας). Το φυσικό φως προέρχεται κατευθείαν από τον ήλιο ή μέσω ανάκλασης από το φεγγάρι. Η κατανομή φωτεινότητας του συννεφιασμένου ουρανού δίνεται από τη σχέση: L L 1 2cos / 3 Z 15

16 όπου Lzείναι η φωτεινότητα του ουρανού στο ζενίθ και η η γωνία του σημείου του ουρανού που θέλουμε να υπολογίσουμε τη φωτεινότητα σε σχέση με το ζενίθ. Η κατανομή της φωτεινότητας όταν ο ουρανός είναι καθαρός δύνεται από τη σχέση: L L e e e z 0.32/cos 3 2 3z 2 Z (1 )( cos ) / 0.274( cos ) Όπου γ είναι η γωνία του σημείου του ουρανού σε σχέση με το ζενίθ, η η γωνία μεταξύ του σημείου του ουρανού και του ήλιου και z η γωνία μεταξύ ήλιου και ζενίθ. Σχήμα 2.11: Φασματική κατανομή της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της γης. Στη πράξη, η κατανομή της φωτεινότητας κυμαίνεται μεταξύ αυτών των δύο σχέσεων και εξαρτάται από τον βαθμό νεφοκάλυψης. Υπάρχουν αριθμητικά μοντέλα που υπολογίζουν ανάλογα με τη γεωγραφική περιοχή τις τοπικές συνθήκες ηλιοφάνειας και χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό βέλτιστου συστήματος ελέγχου φωτισμού συνδεδεμένου με τη διαθεσιμότητα φυσικού φωτός. Η πρώτη μορφή τεχνητού φωτισμού που χρησιμοποιήθηκε από τον άνθρωπο ήταν το φως της φωτιάς με την καύση των ξύλων. Η εξέλιξη τους τεχνολογίας οδήγησε διαδοχικά τους λυχνίες πετρελαίου, τα κεριά και στη λυχνία γκαζιού. Αν 16

17 και οι τρείς αυτές μορφές χρησιμοποιούνται ακόμη και σήμερα, κυρίως για δημιουργία «ατμόσφαιρας», αποφεύγονται ως πηγή βασικού φωτισμού για τρείς λόγους. Επικινδυνότητα πρόκλησης πυρκαγιάς, ρύπανση ατμόσφαιρας και χαμηλή αποδοτικότητα. Η αποδοτικότητα τους κεριού είναι 0.1 lm/w δύο τάξεις μεγέθους μικρότερη από αυτή των λαμπτήρων φθορισμού. Όσον αφορά τους ηλεκτρικούς λαμπτήρες φωτισμού υπάρχουν αρκετές χιλιάδες διαφορετικοί τύποι. Αυτοί που χρησιμοποιούνται για γενικό φωτισμό μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες. Πυράκτωσης και εκκένωσης. Σχήμα 2.12: Τυπικός λαμπτήρας πυράκτωσης και το νήμα του σε μεγέθυνση Η πιο κοινή μορφή λαμπτήρα πυράκτωσης είναι ο απλός λαμπτήρας οικιακής χρήσης. Παράγει φως με την πυράκτωση νήματος βολφραμίου σε ατμόσφαιρα αδρανών αερίων. Σχήμα 2.13: Φασματική απόκριση λαμπτήρα πυράκτωσης (βολφραμίου) 17

18 Η φασματική του κατανομή είναι συνεχής σε όλο το εύρος του ορατού φάσματος (Σχήμα 2.13). Τυπική αποδοτικότητα είναι περίπου 12 lm/w και η διάρκεια ζωής περίπου 1000 ώρες. Σχήμα 2.14: Λαμπτήρες αλογόνου τύπου SPOT και GLS Ο λαμπτήρας αλογόνου (Σχήμα 2.14) είναι βασικά λαμπτήρας πυράκτωσης γεμάτος με αλογόνα αέρια. Η παρουσία αλογόνου επιτρέπει τη λειτουργία σε υψηλότερες θερμοκρασίες με αποτέλεσμα την αυξημένη αποδοτικότητα (20 lm/w) χωρίς το μειονέκτημα μείωσης της διάρκειας ζωής του λόγω εξάτμισης του νήματος βολφραμίου. Σχήμα 2.15: Συμπαγείς λαμπτήρες φθορισμού Ο λαμπτήρας φθορισμού (Σχήμα 2.15) είναι τύπου εκκένωσης. Αποτελείται από γυάλινο σωλήνα με ηλεκτρόδια και γεμάτο με ατμούς υδραργύρου σε χαμηλή πίεση. Με την εκκένωση παράγονται θετικά ιόντα υδραργύρου και ηλεκτρόνια 18

19 Σχήμα 2.16: Αρχή λειτουργίας λαμπτήρα φθορισμού. και έτσι διατηρείται το ηλεκτρικό κύκλωμα. Το ιόντα του υδραργύρου διεγείρονται από τους κρούσεις και κατά την αποδιέγερση εκπέμπουν φως κυρίως στο υπεριώδες. Επικάλυψη του σωλήνα με μίγμα φθοριζουσών ουσιών απορροφάει την υπεριώδη ακτινοβολία και την επανεκπέμπει υπό μορφή ορατού φωτός (Σχήμα 2.16). Σχήμα 2.17: Φασματική κατανομή λαμπτήρων φωτισμού. (α) τύπου ζεστού λευκού και (β) τύπου φωτός ημέρας Στο 19

20 Σχήμα 2.17 παρουσιάζεται η φασματική κατανομή δύο διαφορετικών μιγμάτων φθοριζουσών ουσιών. Το γραμμικό μέρος του φάσματος προέρχεται από τα ιόντα του υδραργύρου ενώ το συνεχές υπόβαθρο από τον φθορισμό. Η αποδοτικότητα αυτών των λαμπτήρων είναι περίπου 60 lm/w. Ο λαμπτήρας ατμών νατρίου υψηλής πίεσης λειτουργεί παρόμοια με αυτούς των ατμών υδραργύρου, αλλά επειδή εκπέμπει στο ορατό, δεν είναι αναγκαία η χρήση φθοριζουσών επικαλύψεων. Η υψηλή πίεση βοηθάει στη δημιουργία ευρείας ζώνης φάσματος (σε αντίθεση με το μονοχρωματικό φάσμα της χαμηλής πίεσης). Το χρώμα εκπομπής είναι πορτοκαλί και χρησιμοποιείται κυρίως για το φωτισμό δρόμων και βιομηχανικών χώρων (Σχήμα 2.18 και Σχήμα 2.19). Έχει σημαντική αποδοτικότητα (115 lm/w). Σχήμα 2.18: Φωτισμός αυτοκινητοδρόμου με λαμπτήρες ατμών νατρίου υψηλής πίεσης Σχήμα 2.19: Φασματική κατανομή λαμπτήρα ατμών νατρίου υψηλής πίεσης. 20

21 Ο λαμπτήρας αλογονιδίων μετάλλων (Σχήμα 2.20) είναι επίσης τύπου εκκένωσης υψηλής πίεσης. Οι ατμοί είναι υδραργύρου και αλογονιδίων μετάλλων. Το αποτέλεσμα είναι ένα γραμμικό φάσμα σε όλο το εύρος του ορατού. Έτσι παράγει υψηλή φωτεινή ροή με μεγάλη αποδοτικότητα και αποδεκτές χρωματικές ιδιότητες (Σχήμα 2.21). Σχήμα 2.20: Λαμπτήρας αλογονιδίων μετάλλων προβολικού συστήματος Σχήμα 2.21: Φασματική κατανομή λαμπτήρα αλογονιδίων μετάλλων. 21

22 Σχήμα 2.22: Λαμπτήρας ξένον ηλεκτρονικού φλας φωτογραφικής μηχανής. Ο λαμπτήρας Ξένον (Σχήμα 2.22) περιέχει αέριο ξένον σε μεγάλη πίεση και με ηλεκτρική εκκένωση μέσω ηλεκτροδίων παράγεται φως με πολύ καλό δείκτη απόδοσης χρώματος (CRI). Γιαυτό τον λόγο χρησιμοποιείται στα ηλεκτρονικά φλας των φωτογραφικών μηχανών. Οι φωτοδίοδοι εκπομπής-led (Σχήμα 2.23) είναι επαφές ημιαγωγών που φωτοβολούν όταν διαδίδεται ηλεκτρικό ρεύμα στο εσωτερικό τους. Το φάσμα εκπομπής εξαρτάται από τα υλικά κατασκευής του ημιαγωγού. Συνήθως είναι μονοχρωματικό (πχ 470, 525, 660 nm). Προσθέτοντας φθορίζουσες ουσίες στο περίβλημα ένα μπλε LED εκπέμπει λευκό φως (Σχήμα 2.24). Σχήμα 2.23: Δομή ενός τυπικού LED 22

23 Σχήμα 2.24: Φασματική κατανομή φωτεινής ισχύος λευκού LED. Υπάρχει συνεχής βελτίωση της αποδοτικότητας και φωτεινότητας των LEDs διατηρώντας ταυτόχρονα τους χρόνους ζωής υψηλούς ( ώρες). Ο παρακάτω Πίνακας συνοψίζει μερικές σχετικές παραμέτρους διαφόρων τύπων πηγών. ΠΗΓΗ CCT (Κ) CRI (R) ΑΠΟΔΟΤΙΚΟΤΗΤΑ (lm/w) Πυρακτώσεως Φως ηλίου Φθορισμού φωτός ημέρας Φθορισμού (ζεστό λευκό) Νατρίου υψηλής πίεσης Αλογονιδίων μετάλλων Ξένον

24 3 ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΟΡΑΣΗΣ 3.1 Η οπτική του οφθαλμού Ο ανθρώπινος οφθαλμός παρουσιάζεται στο Σχήμα 3.1. Ο βολβός είναι σχεδόν σφαιρικός (24 mm x 22 mm). Το τοίχωμά του αποτελείται από τρεις χιτώνες. Από έξω προς τα μέσα είναι: ινώδης (κερατοειδής και σκληρός) χοριοειδής αμφιβληστροειδής. Ο κερατοειδής χιτώνας είναι υπεύθυνος για την κύρια διάθλαση (+43D από σύνολο +58.6D) και έχει n Κρυσταλλοειδής φακός Ίριδα Κόρη Υδατοειδές υγρό Αμφιβληστροειδής χιτώνας Χοριοειδής χιτώνας Υαλώδες σώμα Ωχρή κηλίδα Οπτικό νεύρο Τυφλό σημείο Κερατοειδής χιτώνας, Σκληρός χιτώνας Σχήμα 3.1: Ο ανθρώπινος οφθαλμός. Ο χώρος μεταξύ κερατοειδούς και του φακού ονομάζεται πρόσθιος θάλαμος και είναι γεμάτος με ένα διαφανές υγρό που ονομάζεται υδατοειδές υγρό και έχει n Ο κρυσταλλοειδής φακός έχει διάμετρο 9mm και πάχος 4mm και αποτελείται από στρώσεις η δε ισχύς του είναι ~20D. Έχει μεταβλητό δ.δ. (n ) και σε αυτόν οφείλεται η εστίαση ακριβείας λόγω αλλαγής σχήματος (μεταβαλλόμενη εστιακή απόσταση). Το υαλώδες σώμα (κολλαγόνο ζελέ) έχει n 1.34 και υποβαστάζει τον βολβό. Στον αμφιβληστροειδή βρίσκονται οι φωτοϋποδοχείς (οι φωτοαισθητήρες του οφθαλμού), τα κωνία και τα ραβδία. Η περιοχή με την μεγαλύτερη πυκνότητα κωνίων λέγεται ωχρά κηλίδα και το κεντρικό τμήμα της βοθρίο. Η περιοχή εξόδου του οπτικού νεύρου είναι το τυφλό σημείο. 24

25 Όταν ο οφθαλμός βρίσκεται σε ηρεμία λέγεται απροσάρμοστος. Ένα αντικείμενο στο άπειρο (απώτατο σημείο) δίνει ευκρινές πραγματικό είδωλο στον αμφιβληστροειδή (μέγιστη απόσταση ευκρινούς όρασης). Η μεταβολή της ακτίνας καμπυλότητας του κρυσταλλοειδούς φακού και συνεπώς και της ισχύος του έτσι ώστε το είδωλο να σχηματίζεται πάντοτε επάνω στον αμφιβληστροειδή, λέγεται προσαρμογή. Ελάχιστη απόσταση ευκρινούς όρασης είναι η ελάχιστη απόσταση στην οποία μπορεί να πλησιάσει ένα αντικείμενο (εγγύτατο σημείο) ώστε να φαίνεται ευκρινώς. Αυτή μεταβάλλεται με την ηλικία (κατά την παιδική ηλικία είναι 10 cm για να φθάσει τα 60 cm στους ηλικιωμένους). Συνήθως ως τιμή ελάχιστης απόστασης για άνετη όραση φυσιολογικού οφθαλμού παίρνεται η τιμή Δ=25 cm. Ατενισμός είναι η διαδικασία κατά την οποία στρέφεται ο οφθαλμός προς το υπό παρατήρηση αντικείμενο ώστε να σχηματιστεί το είδωλό του πάνω στην ωχρή κηλίδα. Αν το παρατηρούμενο αντικείμενο είναι εκτεταμένο και η γωνία όρασης μεγάλη, το είδωλο έχει μεγαλύτερη διάσταση από την ωχρή κηλίδα και ο οφθαλμός εκτελεί ταχύτατες κινήσεις ώστε να σαρώνεται από την κηλίδα όλο το είδωλο. Οπτικό πεδίο. Το Σχήμα 3.2 δείχνει το εύρος του οπτικού πεδίου του ανθρώπου μετρημένο σε μοίρες από το σημείο προσήλωσης. Η γραμμοσκιασμένη περιοχή είναι ορατή μόνο από έναν οφθαλμό. Σχήμα 3.2: Οπτικό πεδίο στην διόφθαλμη όραση Γωνία όρασης είναι η γωνία με την οποία βλέπουμε ένα αντικείμενο. Όσο πιο κοντά στον οφθαλμό βρίσκεται το αντικείμενο, τόσο μεγαλύτερη είναι η γωνία 25

26 όρασης και συνεπώς και το είδωλο. Η ελάχιστη γωνία όρασης μεταξύ δύο σημείων ώστε να διακρίνονται χωριστά είναι περίπου 1 (50 μm σε απόσταση Δ=25). Ορίζει την οξύτητα της όρασης. Η γωνία αυτή καθορίζεται κυρίως από το φαινόμενο της περίθλασης. Η διάμετρος του δίσκου περίθλασης Airy δίνεται από τον τύπο: b 6 rad όπου b είναι η διάμετρος της κόρης εισόδου (σε mm) και λ (σε nm) το μήκος κύματος του φωτός. Στο Σχήμα 3.3 παρουσιάζεται η μεταβολή της οξύτητας ως συνάρτηση της διαμέτρου της κόρης για πράσινο μήκος κύματος (λ=555nm). Η ανάλυση για μία κόρη σε φωτοπικές συνθήκες είναι περίπου 0,75 λεπτά της μοίρας, λίγο χειρότερη από την νευρωνική ανάλυση (~0,5 λεπτά). Η ανάλυση λόγω περίθλασης είναι ίδια με την νευρωνική για κόρες διαμέτρου 4,5 mm. Σχήμα 3.3: Διακριτική ικανότητα του οφθαλμού και περίθλαση. Κωνία και ραβδία Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι φωτοϋποδοχέων (οπτικά κύτταρα) στον αμφιβληστροειδή: τα κωνία και τα ραβδία. Αμφότερα απορροφούν το φως και με ηλεκτροχημικές αντιδράσεις μεταδίδουν το ερέθισμα στον εγκέφαλο. Τα ραβδία είναι πολύ φωτοευαίσθητα και ενεργοποιούνται σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού (σκοτοπική όραση) αλλά δεν ξεχωρίζουν χρώματα. Τα κωνία ενεργοποιούνται σε άπλετο φως (φωτοπική όραση) και δίνουν έγχρωμα και λεπτομερή είδωλα. 26

27 Υπάρχουν περίπου 120 εκατομμύρια ραβδία. Η μέγιστη πυκνότητα εμφανίζεται σε ένα δακτύλιο γύρο από την ωχρή κηλίδα ( ραβδία/mm). Τα κωνία είναι περίπου 6-7 εκατομμύρια και είναι κατανεμημένα ανομοιόμορφα κατά μήκος του αμφιβληστροειδούς. Η μέγιστη πυκνότητά τους βρίσκεται στο κέντρο της ωχρής κηλίδας ( κωνία/mm στο βοθρίο). Η κατανομή της πυκνότητας των φωτοϋποδοχέων απεικονίζεται στο Σχήμα 3.4. Σχήμα 3.4: Κατανομή πυκνότητας κονιών και ραβδίων. Φασματική ευαισθησία οφθαλμού Η φασματική ευαισθησία του οφθαλμού εκτείνεται από τα 390 nm έως τα 780 nm. Το μέγιστο απόκρισης του οφθαλμού σε συνθήκες άπλετου φωτισμού (φωτοπικές) είναι τα 555 nm λόγω των κωνίων. Σε σκοτοπικές συνθήκες, λόγω των ραβδίων, το μέγιστο αυτό μετατοπίζεται σε μικρότερα μήκη κύματος στα 520 περίπου (Σχήμα 3.5). Το φαινόμενο αυτό λέγεται η μετατόπιση του Purkinje. 27

28 Σχήμα 3.5: Φασματική ευαισθησία ραβδίων (σκοτοπική όραση) και κωνίων (φωτοπική όραση) Τα κωνία όσον αφορά την επιμέρους φασματική τους απόκριση, χωρίζονται σε τύπου L, τύπου M και τύπου S. Τα S έχουν μέγιστο απορρόφησης στα 445 nm. Τα Μ στα 535 nm και τα L στα 575 nm (Σχήμα 3.6). Το 90% όλων των κωνίων είναι L ή M τύπου. Τα S ξεχωρίζουν (φυσιολογικά και ιστολογικά) από τα παρεμφερή L,M. Σχήμα 3.6: Σταθμισμένη φασματική ευαισθησία S, M και L κωνίων. 28

29 Η έξοδος των τριών τύπων κωνίων πιστεύεται ότι είναι οργανωμένες σε ένα μηαντίπαλο αχρωματικό σύστημα και σε δύο αντίπαλα χρωματικά συστήματα. Το αχρωματικό κανάλι δέχεται σήματα μόνο από της Μ και L τύπου κωνία. Το πράσινο-κόκκινο αντίπαλο κανάλι παράγει τη διαφορά μεταξύ της εξόδου των Μ κωνίων και του αθροίσματος των εξόδων των τύπου Lκαι S. Το άλλο αντίπαλο κανάλι, κίτρινο-μπλε παράγει τη διαφορά μεταξύ των Sκωνίων και του αθροίσματος των Μ και L (Σχήμα 3.7). Σχήμα 3.7: Η έξοδος των τριών τύπων κωνίων οργανωμένη σε ένα μη-αντίπαλο αχρωματικό σύστημα και δύο αντίπαλα χρωματικά. Η δυνατότητα διάκρισης των διαφορετικών μηκών κύματος του φωτός κάνει μεγάλη διαφορά στην ποσότητα της πληροφορίας που μπορεί να εξαχθεί από μία σκηνή. Τα όντα που έχουν μόνο έναν τύπο φωτουποδοχέων, δηλαδή χωρίς έγχρωμη όραση, μπορούν να αντιληφθούν περίπου 100 διαφοροποιήσεις. Με δύο διαφορετικούς τύπους φωτουποδοχέων οι διαφοροποιήσεις φθάνουν τις ενώ με τρεις τύπους αυξάνονται στο Συνεπώς η έγχρωμη όραση είναι σημαντικό στοιχείο του συστήματος όρασης και όχι μία πολυτέλεια. 3.2 Συνεχείς ρυθμίσεις του οφθαλμού Για να καταφέρει το οπτικό σύστημα να ανταποκριθεί σε μεγάλα εύρη φωτισμού του αμφιβληστροειδούς, από αυτόν μιας σκοτεινής νύχτας ( cd/m 2 ) έως αυτόν μιας ηλιόλουστης παραλίας ( cd/m 2 ) το οπτικό σύστημα μεταβάλει την ευαισθησία του μέσω της διαδικασίας της φωτεινής 29

30 προσαρμογής. Στο Σχήμα 3.8 παραθέτονται τα επίπεδα λαμπρότητας τα οποία μπορούν να διακριθούν σε συνάρτηση με το επίπεδο προσαρμογής. Σχήμα 3.8: Εύρος χρήσιμης φωτεινότητας ως συνάρτηση του επιπέδου προσαρμογής. Η προσαρμογή στις συνθήκες φωτισμού είναι μία συνεχής διαδικασία που συμπεριλαμβάνει τρείς μεταβολές. Η διάμετρος της κόρης μεταβάλλεται με την φωτεινότητα του αντικειμένου προς παρατήρηση (Σχήμα 3.9). 30

31 Σχήμα 3.9: Μεταβολή της διαμέτρου της κόρης ως συνάρτηση της φωτεινότητας (λαμπρότητας) Η μεταβολή της διαμέτρου από 2 σε 8 mm αντιστοιχεί σε εύρος μεταβολών φωτεινότητας 16-1 πολύ μικρότερο από τη δυνατότητα του οφθαλμού. Συνεπώς ο ρόλος της μεταβολής της διαμέτρου της κόρης στην προσαρμογή δεν είναι σημαντικός. Η συστολή της κόρης είναι γρηγορότερη από την διαστολή (0.3 s και 1.5s αντίστοιχα). Ένας άλλος μηχανισμός είναι η νευρωνική προσαρμογή. Είναι μία ταχύτατη προσαρμογή (200 ms) της ευαισθησίας του αμφιβληστροειδή. Η νευρωνικές διαδικασίες είναι υπεύθυνες πρακτικά για όλες τις αλλαγές στην ευαισθησία του οφθαλμού για λαμπρότητες που συναντώνται σε περιβάλλον τεχνητού φωτισμού (μικρότερες των 600 cd/m 2 ). Ο τρίτος μηχανισμός είναι η φωτοχημική προσαρμογή. Οι τέσσερεις διαφορετικοί τύποι φωτοϋποδοχέων περιέχουν τέσσερεις διαφορετικές χρωστικές. Όταν το φως απορροφιέται οι χρωστικές αποσυντίθενται σε μία ασταθή αλδεΰδη της βιταμίνης Α και μία πρωτεΐνη. Στο σκοτάδι η χρωστική αναγεννιέται και είναι έτοιμη να απορροφήσει πάλι φως. Η ευαισθησία του οφθαλμού εξαρτάται από το ποσοστό της μη αποχρωματισμένης χρωστικής. Σε συνθήκες σταθερού φωτισμού υπάρχει ισορροπία στις διαδικασίες αποχρωματισμού και αναγέννησης των χρωστικών. Όταν ο φωτισμός μεταβάλλεται νέα ισορροπία αποκαθίσταται. Ο φωτοχημικός μηχανισμός όμως είναι αργός και η προσαρμογή έπεται της μεταβολής του φωτισμού αρκετά λεπτά (κωνία 10 λεπτά, ραβδία 60 λεπτά Σχήμα 3.10) 31

32 Σχήμα 3.10: Χρόνος προσαρμογής κωνίων και ραβδίων στο σκοτάδι Η διαδικασία της προσαρμογής μεταβάλει την φασματική ευαισθησία του συστήματος της όρασης επειδή για διαφορετικούς φωτισμούς, διαφορετικοί συνδυασμοί φωτοϋποδοχέων ενεργοποιούνται. Φωτοπική όραση: Ενεργοποιείται για λαμπρότητες μεγαλύτερες από 3 cd/m 2. Η απόκριση του αμφιβληστροειδούς κυριαρχείται από τα κωνία και συνεπώς η όραση είναι έγχρωμη και υψηλής ανάλυσης. Σκοτοπική όραση: Ενεργοποιείται για λαμπρότητες μικρότερες από cd/m 2. Η απόκριση του αμφιβληστροειδούς κυριαρχείται από τα ραβδία και η όραση είναι μονόχρωμη (αποχρώσεις του γκρι) και χαμηλής ανάλυσης. Μεσοπική όραση: Ενεργοποιείται για λαμπρότητες μεταξύ και 3 cd/m 2. Η απόκριση του αμφιβληστροειδούς οφείλεται μερικώς στα κωνία και τα ραβδία. Στις περισσότερες περιπτώσεις ο τεχνητός φωτισμός του εξωτερικού περιβάλλοντος λειτουργεί σε αυτή την περιοχή. 3.3 Δυνατότητες του συστήματος της όρασης Όπως κάθε φυσιολογικό σύστημα έτσι και το σύστημα της όρασης έχει περιορισμένο εύρος δυνατοτήτων. Τα όρια εκφράζονται με τα κατώφλια της όρασης. Ένα κατώφλι αντιπροσωπεύει μία διέγερση που ανιχνεύεται για ένα 32

33 προ-καθορισμένο ποσοστό περιπτώσεων που εμφανίζεται, συνήθως 50%. Διακρίνουμε τέσσερεις κατηγορίες κατωφλίων: Κατώφλι οξύτητας. Εκφράζει το μικρότερο μέγεθος που μπορεί να αναλυθεί. Συνήθως ποσοστικοποιείται ως η γωνία όρασης για την οποία στο 50% των περιπτώσεων ανιχνεύεται ένας στόχος. Σχήμα 3.11: Τυπικοί στόχοι που χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό του κατωφλίου της οξύτητας. Το κριτικό μέγεθος είναι η διάσταση d Σχήμα 3.12: Ελάχιστη ανάλυση (σε λεπτά τόξου), ως συνάρτηση της γωνιακής απόστασης του στόχου από το βοθρίο. Τρεις διαφορετικοί στόχοι χρησιμοποιήθηκαν: Δακτύλιοι Landolt σε υπόβαθρο φωτεινότητας 2.45 cd/m 2 (ανοικτό κύκλοι) και 245 cd/m 2 (γεμάτοι κύκλοι), ημιτονοειδές πλέγμα σε φόντο 1118 cd/m 2 (γεμάτα τετράγωνα). Εν γένει, η οξύτητα είναι υψηλή όταν το είδωλο του στόχου πέφτει πάνω στο βοθρίο. Κατώφλι αντίθεσης. Εκφράζει τη μικρότερη αντίθεση φωτεινότητας που μπορεί να εντοπιστεί. Δίνεται από τη σχέση C max min Lmax Lmin L L L L L t b, C b 33

34 Όπου Lmax και Lmin είναι η μέγιστη και ελάχιστη τιμή της φωτεινότητας του αντικειμένου L t και L b η φωτεινότητα του στόχου και του φόντου αντίστοιχα. Σχήμα 3.13: Καθώς η αντίθεση της φωτεινότητας μεταξύ στόχου και φόντου αυξάνεται, ο αριθμός που ο στόχος ανιχνεύεται σωστά αυξάνεται μέχρι το μέγιστο 100%. Όταν μπορεί να ανιχνευθεί σωστά στο 50% των περιπτώσεων, η συγκεκριμένη αντίθεση ονομάζεται κατώφλι αντίθεσης. Κατώφλι χρόνου. Εκφράζει την ταχύτητα της απόκρισης του ανθρώπινου συστήματος όρασης και την ικανότητά του να ανιχνεύει αυξομειώσεις της φωτεινότητας. Δίνεται από τη σχέση: L L max min M L max L min Όπου Lmax και Lmin είναι η μέγιστη και ελάχιστη τιμή της φωτεινότητας της χρονικής μεταβολής. 34

35 Σχήμα 3.14: Χρονική συνάρτηση μεταφοράς διαμόρφωσης (ευαισθησία αντίθεσης) για διάφορες φωτεινότητες προσαρμογής. Σε φωτοπικές συνθήκες το σύστημα της όρασης είναι ευαίσθητο σε συχνότητες Hz. Καθώς η φωτεινότητα ελαττώνεται, η απόλυτη ευαισθησία στο τρεμόπαιγμα ελαττώνεται, η συχνότητα που το μέγιστο της ευαισθησίας εμφανίζεται ελαττώνεται και η υψηλότερη συχνότητα που μπορεί να ανιχνευθεί επίσης ελαττώνεται. Χρωματικό κατώφλι. Εκφράζει τη μικρότερη χρωματική διαφορά που μπορεί να εντοπιστεί. Η βιομηχανία φωτισμού χρησιμοποιεί τις ελλείψεις MacAdam ως όρια ανοχής για τον έλεγχο ποιότητας λαμπτήρων (Σχήμα 3.15). Κάθε έλλειψη αντιπροσωπεύει την απόκλιση στις χρωματικές συντεταγμένες των χρωμάτων που εμφανίζονται πρακτικά όμοια. 35

36 Σχήμα 3.15: Το χρωματικό διάγραμμα CIE με τις ελλείψεις του MacAdam. Ενώ τα κατώφλια ορίζουν τα όρια των δυνατοτήτων του ανθρώπινου συστήματος όρασης, τον περισσότερο χρόνο της ζωής μας το περνάμε κοιτώντας πράγματα που είναι σαφώς πάνω από τα κατώφλια και συνεπώς ευδιάκριτα. Όταν εξετάζουμε προσεκτικά πως αντιλαμβανόμαστε τον κόσμο, η πλειοψηφούσα αντίληψη είναι αυτή της σταθερότητας σε συνθήκες που μεταβάλλονται συνεχώς. Υπάρχουν τέσσερεις θεμελιώδεις ιδιότητες ενός αντικειμένου που παραμένουν αμετάβλητες για ένα μεγάλο εύρος συνθηκών φωτισμού: Λευκότητα: Σχετίζεται με το ποσοστό φωτός που αντανακλά ένα αντικείμενο. Χρώμα: Αν και το χρώμα εξαρτάται από την φασματική κατανομή της ακτινοβολίας φωτισμού μεγάλο εύρος διαφορετικών φασματικών κατανομών μας δίνουν την ίδια εντύπωση χρώματος. Μέγεθος: Ενώ είδωλο ενός αντικειμένου στον αμφιβληστροειδή μικραίνει καθώς απομακρύνεται, δεν αντιλαμβανόμαστε ότι το αντικείμενο μικραίνει αλλά ότι το αντικείμενο απομακρύνεται. Μία ενδιαφέρουσα οφθαλμαπάτη παρουσιάζεται στο Σχήμα Σχήμα: Η μεταβολή του προσανατολισμού ενός αντικειμένου έχει αποτέλεσμα την μεταβολή του ειδώλου του στον αμφιβληστροειδή. Όμως, στις περισσότερες περιπτώσεις η κατανομή του φωτισμού και των σκιών μας βοηθάει να προσδιορίσουμε τον προσανατολισμό του στον χώρο. Έτσι ένα 36

37 κυκλικό αντικείμενο μπορεί να έχει είδωλο έλλειψη λόγω προσανατολισμού αλλά εμείς το αντιλαμβανόμαστε ότι είναι κυκλικό (Σχήμα 3.17). Σχήμα 3.16: Το δωμάτιο του Ames. Μία επίδειξη του ότι με την παροχή παραπλανητικών ενδείξεων για την απόσταση η αντίληψη της σταθερότητας του μεγέθους καταρρέει. Σχήμα 3.17: Αν και το περίγραμμα του φλιτζανιού είναι έλλειψη εξακολουθούμε και το αντιλαμβανόμαστε κυκλικό. 37

38 4 ΤΟ ΚΙΡΚΑΔΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑ 4.1 Εισαγωγή Οι σχεδιαστές συστημάτων φωτισμού, έρχονται αντιμέτωποι με ένα βασικό ερώτημα: Είναι ο θεμελιώδης αντικειμενικός στόχος του φωτισμού το να παρέχει ένα κατάλληλο επίπεδο ορατότητας χωρίς δυσφορία, ή πρέπει να θεωρήσουμε τις φωτο-βιολογικές επιπτώσεις του φωτισμού εξίσου σημαντικές; Η απάντηση σε αυτή την ερώτηση συνδέεται με τις επιδράσεις του φωτισμού στην ανθρώπινη φυσιολογία και συνδέονται με τους βιολογικούς ρυθμούς. Σχήμα 4.1: Απεικόνιση μίας αρμονικής περιοδικής μεταβολής Έχουν παρατηρηθεί κυκλικές (επαναλαμβανόμενες) μεταβολές σε βιολογικές παραμέτρους σε όλα τα είδη του φυτικού και ζωικού βασιλείου. Αυτές οι ρυθμικές μεταβολές ονομάζονται βιολογικοί ρυθμοί. Κάθε ρυθμός έχει χαρακτηριστικό πλάτος ή μέγεθος της περιοδικής μεταβολής και χαρακτηριστική περίοδο ή συχνότητα ταλάντωσης (Σχήμα 4.1). 4.2 Η δομή του κιρκάδιου συστήματος Ο χρονισμός όλων των βιολογικών ρυθμών εμπεριέχει τον συντονισμό εξωτερικών χρονικών σινιάλων με έναν ενδογενή βηματοδότη. Τα σινιάλα προέρχονται από έναν ή περισσότερους από τους τέσσερεις γεωφυσικούς κύκλους που συμβαίνουν στο φυσικό περιβάλλον: το παλιρροϊκό κύκλο, τον ημερήσιο κύκλο, τον σεληνιακό κύκλο και τον εποχικό κύκλο. Πχ οι εποχικοί ρυθμοί, ή circannual, είναι ευρέως εμφανείς όπως στην βλάστηση των σπόρων των φυτών και την εποχιακή αναπαραγωγή πολλών θηλαστικών. 38

39 Σχήμα 4.2: Οι διάφορες φάσεις του κιρκάδιου συστήματος του ανθρώπου Οι κιρκάδιοι ρυθμοί είναι βιολογικοί ρυθμοί που επηρεάζονται από την έκθεση στο φως. Έχουν περίοδο περίπου 24 ώρες (circa+dies). Παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον, επειδή χαρακτηρίζουν το μοτίβο των διακυμάνσεων που παρατηρούνται στην πλειοψηφία των ανθρώπινων φυσιολογικών ρυθμών, όπως η θερμοκρασία του σώματος, ο ύπνος, έκκριση ορμονών, αρτηριακή πίεση κ.α. (Σχήμα 4.2). Αποδεικτικά στοιχεία για ένα εσωτερικό μηχανισμό χρονισμού (ή βιολογικό ρολόι) μπορεί να παραχθούν με την τοποθέτηση ενός οργανισμού σε σταθερές συνθήκες (συνεχές φως ή σκοτάδι) ώστε να μην έχει πρόσβαση σε εξωγενή σινιάλα χρονισμού. Οι οργανισμοί που τίθενται υπό τέτοιες συνθήκες συνεχίζουν να εκδηλώνουν κιρκάδιους ρυθμούς, αλλά σε μια χαρακτηριστική περίοδο των δικών τους εσωτερικών ρολογιών. Τέτοιοι ρυθμοί, οι οποίοι ποικίλλουν σε χρονικό διάστημα μεταξύ των ειδών, λέγεται ότι είναι ελεύθερου χρονισμού (free-running). Τα νυχτόβια θηλαστικά, για παράδειγμα, τείνουν να έχουν ταχύτερα εσωτερικά ρολόγια με περιόδους μικρότερες από 24 ώρες. Τα ημερήσια είδη τείνουν να έχουν πιο αργά ρολόγια με περιόδους μεγαλύτερες από 24 ώρες. Η μέση περίοδος ελεύθερου χρονισμού του ανθρώπου είναι μεγαλύτερη από 24 h. Ο συγχρονισμός επιτυγχάνεται με την έκθεση στο φως μέσω του οφθαλμού. Το φως είναι η κυρίαρχη χρονική υπόδειξη. Η διακύμανσή του μετατρέπεται σε ανάλογα ηλεκτρικά σήματα και κάποια νεύρα μεταφέρουν αυτό το σήμα όχι στο φλοιό της όρασης αλλά στον υπερχιασματικό πυρήνα του εγκεφάλου (SCN) όπου βρίσκεται το βασικό ρολόι του ανθρώπινου σώματος (Σχήμα 4.3, Σχήμα 4.4). 39

40 Σχήμα 4.3: Σύνδεση του υπερχιασματικού πυρήνα με το οπτικό περιβάλλον Σχήμα 4.4: Η παρουσία του φωτός ενεργοποιεί τον υπερχιασματικό πυρήνα Όταν ο υπερχιασματικός πυρήνας είναι ενεργοποιημένος λόγω της παρουσίας φωτός, καταστέλλεται η έκκριση μίας ορμόνης, της μελατονίνης της οποίας η παρουσία απουσία ρυθμίζει διάφορες λειτουργίες του ανθρώπινου οργανισμού. Οι κιρκάδιοι ρυθμοί δεν παρατηρούνται μόνο στη θερμοκρασία του σώματος και το επίπεδο της μελατονίνης αλλά και στον κύκλο ύπνου αφύπνισης. Νωρίς το πρωί έχουμε την μικρότερη εγρήγορση ενώ το μέγιστο επιτυγχάνεται νωρίς το απόγευμα. 40

41 Σχήμα 4.5: Οι κιρκάδιοι ρυθμοί δεν παρατηρούνται μόνο στη θερμοκρασία του σώματος και το επίπεδο της μελατονίνης αλλά και στον κύκλο ύπνου αφύπνισης. Νωρίς το πρωί έχουμε την μικρότερη εγρήγορση ενώ το μέγιστο επιτυγχάνεται νωρίς το απόγευμα. Μέχρι πρόσφατα η παραδοχή ήταν ότι τα σήματα του εξωτερικού χρονισμού του κιρκάδιου συστήματος προέρχονται εξίσου από όλους τους φωτοϋποδοχείς του αμφιβληστροειδή χωρίς όμως να μεταφέρεται καμία πληροφορία σχετική με το είδωλο. Δηλαδή σε αντίθεση με το σύστημα της όρασης που λειτουργεί ως σύστημα επεξεργασίας εικόνας, το κιρκάδιο είναι απλώς ένας αισθητήρας φωτός (φωτόμετρο) στον αμφιβληστροειδή. Τελευταία όμως έχει αποδειχτεί η κυρίαρχη συνεισφορά ορισμένων γαγγλιακών κυττάρων στο οπτικό σήμα (Σχήμα 4.6α). 41

42 Σχήμα 4.6: Τα γαγγλιακά κύτταρα που συνδέονται με τον υπερχιασματικό πυρήνα (στο σχέδιο μαυρισμένα) περιέχουν την οψίνη μελανοψίνη με μέγιστο απόκρισης στο μπλε Υπάρχουν συγκεκριμένα γαγγλιακά κύτταρα του αμφιβληστροειδή που ελέγχουν την έκκριση και την καταστολή της μελατονίνης. Περιέχουν μία φωτοχρωστική την μελανοπσίνη, που έχει μέγιστο απορρόφησης στο μπλε (Σχήμα 4.6β). Δηλαδή το μπλε φως παίζει σημαντικό ρόλο στην ρύθμιση και συντονισμό των κιρκάδιων ρυθμών. 4.3 Χαρακτηριστικά του κιρκάδιου συστήματος Σχήμα 4.7: Καμπύλη φάσης-απόκρισης της θερμοκρασίας σώματος. Η καμπύλη δείχνει ότι το φαινόμενο της έκθεσης σε ένα παλμό φωτός εξαρτάται έντονα από τον χρόνο έκθεσης. 42

43 Η απόκριση της θερμοκρασίας σώματος σε ένα παλμό φωτός εξαρτάται έντονα από τον χρονισμό της έκθεσης (Σχήμα 4.7). Αν ο παλμός συμβεί κατά τη διάρκεια της ημέρας, έχει σαν αποτέλεσμα μικρή προώθηση της φάσης. Αν όμως συμβεί μόλις πριν τη χρονική στιγμή της χαμηλότερης θερμοκρασίας σώματος τότε έχουμε μέγιστη καθυστέρηση φάσης. Αν συμβεί αμέσως μετά τη χαμηλότερη θερμοκρασία σώματος τότε έχουμε μέγιστη προώθηση της φάσης. Συνεπώς η κατεύθυνση της μετατόπισης της φάσης εξαρτάται από τον συγχρονισμό. Επίσης εξαρτάται και από μέγεθος του παλμού φωτός. Σε κάθε χρονική στιγμή, εντονότερος φωτεινός παλμός σημαίνει μεγαλύτερη μετατόπιση φάσης. Εν γένει μελέτες έχουν δείξει ότι: Η χρονική στιγμή της έκθεσης στο φως επηρεάζει το αποτέλεσμα του συγχρονισμού Στα ημερήσια είδη, η έκθεση σε έντονο φως μετά από ξύπνημα προχωράει τον κιρκάδιο ρυθμό, ενώ η έκθεση πριν από τον ύπνο τον καθυστερεί Μεγαλύτερες χρονικά εκθέσεις έχουν σημαντικότερη επίδραση από ό, τι μικρότερες Συνεχής έκθεση έχει μεγαλύτερη επίδραση από διακοπτόμενη έκθεση Η ένταση και το μήκος κύματος του φωτός επηρεάζει το αποτέλεσμα του συγχρονισμού Το έντονο φως είναι πιο αποτελεσματικό από το αμυδρό φως Στους ανθρώπους, φως χαμηλής έντασης μικρού μήκους κύματος (μπλε) είναι εξίσου αποτελεσματικό με υψηλής έντασης λευκού 43

44 Σχήμα 4.8: Προσαρμογή του κυρκάδιου ρυθμού λόγω γρήγορης αλλαγής χρονικών ζωνών Απόρροια της μεταβολής φάσεως του εξωτερικού χρονισμού είναι το φαινόμενο του jet lag. Εμφανίζεται όταν αλλάζουμε πολλές χρονικές ζώνες σε σύντομο χρονικό διάστημα. Οφείλεται στην αδυναμία του εσωτερικού βηματοδότη να συγχρονιστεί άμεσα με το εξωτερικό ερέθισμα (φως). Γνωρίζουμε ότι στο ταξίδι από τη Δύση προς την Ανατολή η προσαρμογή είναι δυσκολότερη (Σχήμα 4.8). Αυτό συμβαίνει επειδή ο ελεύθερος χρονισμός είναι μεγαλύτερος από 24h. Αντίθετα είναι πιο εύκολη η προσαρμογή όταν η μετατόπιση της φάσης αντιστοιχεί σε μεγαλύτερη από μικρότερη μέρα, δηλαδή όταν ταξιδεύουμε από Ανατολή προς τη Δύση. 4.4 Συμπεράσματα και επισημάνσεις Ο κύκλος φως σκοτάδι είναι ένας από τους πιο ισχυρούς από όλους τους εξωτερικούς παράγοντες συγχρονισμού του ανθρώπου. Επίσης μεταβάλλοντας το ποσό της έκθεσης στον φως όταν υπάρχει, είναι δυνατόν να μετατοπίσουμε τη φάση του κιρκάδιου ρολογιού ή προς τα μπρος ή προς τα πίσω Επιπλέον είναι επίσης δυνατό να έχουμε ένα άμεσο αποτέλεσμα επαγρύπνησης τη νύχτα με έκθεση στο φως. Το ποσό του φωτός που απαιτείται για να προκαλέσει μετατοπίσεις φάσεως ή κάποιο άμεσο αποτέλεσμα επαγρύπνησης είναι μέσα στα όρια και τις δυνατότητες των συγχρόνων πρακτικών φωτισμού. Δυστυχώς όμως η φασματική απόκριση των φωτοϋποδοχέων του αμφιβληστροειδή που οδηγούν τον εσωτερικό ταλαντωτή δεν είναι η ίδια με αυτήν του πρότυπου φωτοπικού παρατηρητή που χρησιμοποιείται ευρέως για τον ορισμό του φωτός. Χρειάζεται ένας νέος «πρότυπος κιρκάδιος παρατηρητής» πριν αξιολογηθούν τα αποτελέσματα διαφορετικών φασματικών κατανομών. 44

45 Η εν δυνάμει αξία της δυνατότητας να ελέγχουμε το ανθρώπινο κιρκάδιο σύστημα έγκειται στο ότι θα είναι δυνατή η πιο γρήγορη προσαρμογή στην ανάγκη για εργασία σε ώρες που κάποιος φυσιολογικά κοιμάται, π.χ. όταν ξεκινάει ή όταν τελειώνει η βραδινή βάρδια στην εργασία ή μετά από υπερατλαντικές πτήσεις. Τα μέχρι τώρα αποτελέσματα από πειράματα στο εργαστήριο συμφωνούν με τα παραπάνω αλλά είναι δύσκολο να επιτευχθούν στην καθημερινή ζωή, πιθανώς λόγω της ανάγκης ελέγχου στην έκθεση του φωτός σε όλη τη διάρκεια του εικοσιτετραώρου. Τέλος πρέπει να τονιστεί ότι μέχρις ότου οι πιθανές αλληλεπιδράσεις κατανοηθούν και παρενέργειες προσδιοριστούν, θα πρέπει να είμαστε αρκετά προσεκτικοί στο να προσπαθήσουμε να χρησιμοποιήσουμε το φως για να ελέγξουμε ένα τόσο σημαντικό μέρος της φυσιολογίας μας. Υπάρχουν τρεις βασικοί λόγοι: 1. Η πιθανότητα μακροπρόθεσμων παρενεργειών (πχ η καταστολή της μελατονίνης έχει συσχετιστεί με καρκίνο μαστού (αυξημένα οιστρογόνα) 2. Αν και το φως είναι ο κυρίαρχος παράγοντας συγχρονισμού του κιρκάδιου συστήματος δεν είναι και ο μοναδικός 3. Δεν έχει τεκμηριωθεί ακόμη η σχέση της μετατόπισης του κιρκάδιου ρολογιού με την έκθεση στο φως και της ποιοτικής εκτέλεσης διαφόρων εργασιών και καθηκόντων 45

46 5 ΦΩΤΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΕΡΓΑΣΙΑ 5.1 Ανασκόπηση Για να καταλάβουμε τη σχέση μεταξύ φωτισμού και εργασίας είναι καταρχάς απαραίτητο να προσδιορίσουμε τις διαδρομές μέσω των οποίων ο φωτισμός επηρεάζει την απόδοση του ανθρώπου. Αυτές είναι τρεις: μέσω του συστήματος όρασης, μέσω του κιρκάδιου συστήματος και μέσω του συστήματος της αντίληψης. Σχήμα 5.1: Ένα εννοιολογικό διάγραμμα των σύνθετων σχέσεων μεταξύ των ερεθισμάτων στο οπτικό σύστημα και τις επιπτώσεις τους στην οπτική απόδοση και την απόδοση στην εργασία. Τα βέλη δείχνουν την κατεύθυνση των αποτελεσμάτων τους. Το διακεκομμένο βέλος μεταξύ οπτικής απόδοσης και γωνίας όρασης επισημαίνει ότι, εφόσον η οπτική απόδοση δεν είναι ικανοποιητική, μια συνήθης αντίδραση είναι η προσέγγιση στο αντικείμενο ώστε να μεγαλώσει η γωνία όρασης. Κάθε ερέθισμα του συστήματος όρασης μπορεί να περιγραφεί με πέντε παραμέτρους: 1. γωνία όρασης: Είναι η στερεά γωνία με την οποία παρατηρεί το ερέθισμα ο οφθαλμός. Όσο μεγαλύτερη είναι η γωνία τόσο ευκολότερα εντοπίζεται το ερέθισμα. Ο φωτισμός δεν μπορεί να μεταβάλει τη γωνία όρασης δισδιάστατων αντικειμένων, οι σκιές όμως μπορεί να 46

47 χρησιμοποιηθούν για να αυξηθεί η ωφέλιμη γωνία όρασης των τρισδιάστατων αντικειμένων. 2. Αντίθεση φωτεινότητας: Εκφράζει τη φωτεινότητα ενός ερεθίσματος σε σχέση με το φόντο του (υπόβαθρο). Όσο μεγαλύτερη είναι η αντίθεση τόσο πιο εύκολα εντοπίζεται το ερέθισμα. Ο φωτισμός αλλάζει την αντίθεση φωτεινότητας ενός ερεθίσματος με κάλυψη των ανακλάσεων από το ερέθισμα. 3. χρωματική διαφορά: Ένα ερέθισμα μπορεί να έχει μηδενική αντίθεση φωτεινότητας με το φόντο του και όμως να εντοπιστεί λόγω διαφοράς χρώματος. Ο φωτισμός μπορεί να μεταβάλει την χρωματική διαφορά όταν χρησιμοποιούνται πηγές φωτός με διαφορετικά φασματικά χαρακτηριστικά. 4. ποιότητα ειδώλου στον αμφιβληστροειδή: Όπως κάθε σύστημα επεξεργασίας εικόνας έτσι το σύστημα της όρασης αποδίδει καλύτερα όταν το είδωλο είναι ευκρινές. Ο φωτισμός μπορεί να επηρεάσει ελάχιστα αυτή την παράμετρο. Έχει αποδειχθεί ότι όταν ο φωτισμός προέρχεται από πηγές πλούσιες σε μικρά μήκη κύματος, έχει σαν αποτέλεσμα μικρότερη κόρη οφθαλμού που οδηγεί σε βελτιωμένη ποιότητα ειδώλου επειδή συνεπάγεται μεγαλύτερο βάθος πεδίου και μικρότερες σφαιρικές και χρωματικές εκτροπές. 5. φωτισμός στον αμφιβληστροειδή: Καθορίζει την κατάσταση προσαρμογής του συστήματος όρασης και συνεπώς μεταβάλει τις δυνατότητές του. Η ποσότητα φωτός που εισέρχεται στον οφθαλμό καθορίζεται κυρίως από τις διάφορες φωτεινότητες στο πεδίο της όρασης. Για εσωτερικούς χώρους, οι φωτεινότητες καθορίζονται από τις ανακλαστικότητες των επιφανειών και του μεγέθους του φωτισμού τους. Για εξωτερικούς χώρους, οι φωτεινότητες είναι αυτές που προέρχονται από ανακλάσεις, π.χ. το έδαφος, και από τις αυτόφωτες πηγές όπως ο ουρανός. Και στις δύο περιπτώσεις το μέγεθος της κόρης προσδιορίζεται από το σκοτοπικό φωτισμό στον αμφιβληστροειδή. Οι περισσότερες εργασίες που βασίζονται στην όραση έχουν τρεις συνιστώσες: Την οπτική, τη γνωστική και την κινητική. Η οπτική συνιστώσα αφορά στη διαδικασία εξαγωγής πληροφοριών σχετικών με την εργασία κάνοντας χρήση της αίσθησης του φωτός. Η γνωστική συνιστώσα αφορά στη διαδικασία κατά την οποία τα ερεθίσματα των αισθήσεων ερμηνεύονται και η κατάλληλη ενέργεια προσδιορίζεται. Η κινητική συνιστώσα αφορά στην εκτέλεση της ενέργειας που προσδιορίστηκε. Η επίδραση του φωτισμού στο κιρκάδιο σύστημα προσδιορίζεται από την ποσότητα, τη φασματική κατανομή του και την χρονική στιγμή και διάρκεια της έκθεσης στο φως. Δεν έχει σχέση μόνο με τον κύκλο ύπνου εγρήγορσης αλλά και με μεταβολές σε ορμονικούς κύκλους. Η έκθεση σε έντονο φως μετά από ξύπνημα προχωράει τον κιρκάδιο ρυθμό, ενώ η έκθεση πριν από τον ύπνο τον 47

48 καθυστερεί. Έκθεση σε έντονο φωτισμό κατά τη διάρκεια της νύχτας μπορεί να αυξήσει την εγρήγορση. Το ποσό του φωτός που απαιτείται για να προκαλέσει μετατοπίσεις φάσεως ή κάποιο άμεσο αποτέλεσμα εγρήγορσης είναι μέσα στα όρια και τις δυνατότητες των συγχρόνων πρακτικών φωτισμού. Κατάλληλος φωτισμός συντελεί σε πιο γρήγορη προσαρμογή στην ανάγκη για εργασία σε ώρες που κάποιος φυσιολογικά κοιμάται, π.χ. όταν ξεκινάει ή όταν τελειώνει η βραδινή βάρδια στην εργασία. Η επίδραση του φωτισμού κατευθείαν στο σύστημα αντίληψης προσδιορίζεται από το «μήνυμα» που στέλνει. Τέτοιο μήνυμα μπορεί να είναι οπτική δυσφορία ή ευχαρίστηση. Κατά μία έννοια, κάθε σύστημα φωτισμού στέλνει ένα μήνυμα το οποίο ερμηνεύεται ανάλογα με το πλαίσιο λειτουργίας του και των προσδοκιών και κουλτούρας του παρατηρητή. Για παράδειγμα ένα περιβάλλον φωτισμού το οποίο μπορεί να προκαλεί δυσφορία σε έναν εργασιακό χώρο είναι επιθυμητό για ένα night club. Ανάλογα με το ποιο είναι το μήνυμα, αλλάζει και η διάθεση και η δραστηριότητα του παρατηρητή. 5.2 Μέθοδοι μελέτης φωτισμού στην εργασία Σχήμα 5.2: Το μοντέλο RVP οπτικής απόδοσης Οι περισσότερες μελέτες για την επίδραση που έχει ο φωτισμός στην εργασία έχουν εστιάσει στην επίδραση μέσω του συστήματος όρασης. Στις περισσότερες περιπτώσεις τα συμπεράσματα είναι ότι η απόδοση μιας εργασίας αυξάνεται με την αύξηση του φωτισμού. Μία αναλυτική προσέγγιση για την περιγραφή 48

49 επιθυμητών συνθηκών φωτισμού είναι το μοντέλο σχετικής οπτικής απόδοσης - RVP όπου περιγράφεται η οπτική επίδοση μίας συγκεκριμένης εργασίας κάτω από ένα εύρος διαφορετικών συνθηκών. Περιγράφει ποιοτικά την επίπτωση της αύξησης της φωτεινής αντίθεσης και του φωτισμού στην οπτική απόδοση. Η φωτεινή αντίθεση δίνεται από τη σχέση: L L Φωτεινή αντίθεση 100 t b L όπου Lt είναι ο φωτισμός της επιφάνειας εργασίας και Lb ο φωτισμός του περιβάλλοντος χώρου. Το μοντέλο δείχνει ότι η οπτική επίδοση βελτιώνεται ραγδαία με την αύξηση της φωτεινής αντίθεσης μέχρι της τιμής 40% και πέρα από αυτή την τιμή η βελτίωση είναι αμελητέα. Επιπλέον ισόποσες αυξήσεις φωτισμού έχουν σαν αποτέλεσμα όλο και μικρότερες μεταβολές στην βελτίωση της οπτικής απόδοσης μέχρις ότου επέρχεται κορεσμός (Σχήμα 5.2). Το μοντέλο RVP βασίζεται σε αριθμητικά δεδομένα του χρόνου αντίδρασης για την ανίχνευση της παρουσίας ενός τετράγωνου στόχου. Ένας τέτοιος στόχος απαιτεί διάκριση αντίθεσης αλλά δεν απαιτεί ανάλυση της λεπτομέρειας. Μια εργασία που απαιτεί ανάλυση λεπτομέρειας είναι η ανάγνωση. Το Σχήμα 5.3 δείχνει μετρήσεις της απόδοσης εργασίας μετρημένη ως ταχύτητα ανάγνωσης συναρτήσει του επιπέδου ορατότητας των γραμμάτων (λόγος του μεγέθους των γραμμάτων προς το μέγεθος κατωφλίου). Φαίνεται ότι η ταχύτητα ανάγνωσης αλλάζει λίγο μέχρις ότου το επίπεδο της ορατότητας πέφτει κάτω από την τιμή 3 όπου μειώνεται γρήγορα ως το κατώτατο όριο διακριτικής ικανότητας (VL = 1). Και εδώ, υπάρχει ένα πλατό (οροπέδιο) και κρημνός στην εκτέλεση των καθηκόντων. b Σχήμα 5.3: Ταχύτητα ανάγνωσης σε λέξεις/δευτερόλεπτο ως συνάρτηση του επιπέδου ορατότητας (μετρήσεις και μοντέλο) 49

50 5.3 Παρατεταμένη εργασία Ενώ η επίδραση των συνθηκών φωτισμού μέσω του συστήματος της όρασης είναι εμφανής άμεσα, υπάρχει επίσης η πιθανότητα και άλλα φαινόμενα να εμφανιστούν εάν ο χρόνος της εργασίας παραταθεί και να αλληλοεπιδράσουν με τα αποτελέσματα των συνθηκών φωτισμού. Τέτοια φαινόμενα είναι η καταπόνηση των οφθαλμών, ζαλάδες, αλλαγή διάθεσης, όλα τα οποία μπορούν να αλλάξουν την απόδοση στη συγκεκριμένη εργασία. Δυστυχώς είναι δύσκολο να προβλεφθεί τι είδους αλλαγή στην απόδοση θα παρουσιαστεί επειδή οι άνθρωποι όσο τους το επιτρέπει η συγκεκριμένη εργασία θα βρουν τρόπο να την φέρουν σε πέρας, μεταβάλουν την απόδοσή τους με την πάροδο του χρόνου και αλλάζουν το επίπεδο των σφαλμάτων που τα κρίνουν ως αποδεκτά. Βεβαίως αν η χρονική διάρκεια της εργασίας περιορίζεται σε μία τυπική μέρα εργασίας δεν υπάρχει λόγος να εμφανιστούν αυτά τα φαινόμενα. Έχοντας εξασφαλίσει ότι ο φωτισμός που παρέχεται επιτρέπει ένα υψηλό επίπεδο οπτικής απόδοσης στην εργασία σε συνδυασμό με την οπτική ανακούφιση, η πιθανότητα δυσμενών επιπτώσεων να συμβούν λόγω παρατεταμένης εργασίας ελαχιστοποιείται. 50

51 6 ΦΩΤΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΟΠΤΙΚΗ ΔΥΣΦΟΡΙΑ 6.1 Συμπτώματα και αιτίες οπτικής δυσφορίας Η οπτική δυσφορία εκδηλώνεται με κόκκινους και κνησμώδεις οφθαλμούς, δάκρυσμα, πονοκέφαλους, γαστρεντερικά προβλήματα, άλγη που σχετίζονται με κακή στάση του σώματος. Βεβαίως αυτά τα συμπτώματα μπορεί να προέρχονται και από άλλες αιτίες για αυτό πρέπει να είμαστε προσεκτικοί πριν τα αποδώσουμε στις συνθήκες φωτισμού. Στη πιο γενική του έννοια ο τεχνητός φωτισμός σχεδιάζεται έτσι ώστε να επιτρέπει στο σύστημα της όρασης να εξάγει πληροφορίες από το περιβάλλον. Αυτό είναι ένα πρόβλημα τύπου «λόγος σήματος προς θόρυβο». Οι περιστάσεις στο οπτικό περιβάλλον που έχουν μεγαλύτερη πιθανότητα να επηρεάσουν την ικανότητά μας να εξάγουμε αυτές τις πληροφορίες είτε με το να ελαττώσουν το σήμα ή να μεγαλώσουν το θόρυβο είναι: 1. Δυσκολία στο έργο της όρασης. Κάθε οπτική εργασία με οπτική διέγερση κοντά στο κατώφλι εμπεριέχει πληροφορίες που είναι δύσκολο να εξαχθεί. Κάτω από τέτοιες συνθήκες προκαλείται πονοκέφαλος και κόπωση, αν όμως το πρόβλημα προέρχεται από το μικρό μέγεθος του αντικειμένου υπάρχει μία επιπλέον επίπτωση. Η συνήθης αντίδραση είναι να πλησιάσουμε το αντικείμενο και λόγω της έντονης προσαρμογής να προκληθεί μυϊκή κόπωση στον οφθαλμό και συνεπώς οπτική δυσφορία. 2. Υποδιέγερση και υπερδιέγερση: Το ορατό περιβάλλον είναι τέτοιο ώστε να παρέχει είτε πολύ λίγη είτε πάρα πολλή πληροφορία. Πειράματα με ημιδιαφανή οφθαλμικά γυαλιά προκάλεσαν ανησυχία και πανικό. Στην περίπτωση της υπερδιέγερσης έχει βρεθεί ότι δυσφορία προκαλείται όχι μόνο από την παρουσία μεγάλου όγκου πληροφοριών αλλά και με την παρουσία στο οπτικό πεδίο μεγάλων περιοχών συγκεκριμένης χωρικής συχνότητας. 3. Περισπασμός: Η προσοχή του παρατηρητή στρέφεται σε αντικείμενα που δεν εμπεριέχουν την πληροφορία που αναζητείται. Συνήθως αυτά τα αντικείμενα στο περιφερειακό πεδίο είναι λαμπερά, κινούνται, ή αναβοσβήνουν. Η προσπάθεια να τα αγνοήσουμε είναι αγχωτική και μπορεί να καταλήξει σε οπτική δυσφορία. 4. Σύγχυση αντίληψης, κατά την οποία η δομή του φωτισμού μπορεί να μπερδευτεί με τη δομή της ανακλαστικότητας του ορατού περιβάλλοντος. 51

52 6.2 Φωτισμός και οπτική δυσφορία Πιο συγκεκριμένα, οι αιτίες για τις οποίες ο φωτισμός μπορεί να προκαλέσει οπτική δυσφορία είναι: 1. Ο ελλιπής ή υπερβολικός φωτισμός 2. Η μεγάλη μεταβλητότητα του φωτισμού στην επιφάνεια εργασίας 3. Η θάμβωση 4. Οι ανακλάσεις πέπλωσης 5. Οι σκιές 6. Η φωτεινή μαρμαρυγή Ο ελλιπής φωτισμός και οι επιπτώσεις του έχουν παρουσιαστεί στο προηγούμενο κεφάλαιο και εδώ συνεχίζουμε με τις υπόλοιπες αιτίες. Αν και η έκθεση σε ομοιόμορφα φωτισμένο οπτικό πεδίο είναι ανεπιθύμητη, το ίδιο ανεπιθύμητη λόγω οπτικής δυσφορίας είναι και η μεταβλητότητα στην επιφάνεια της εργασίας. Στο Σχήμα 6.1 παρουσιάζονται μετρήσεις μεγέθους οπτικής δυσφορίας ως συνάρτηση της μεταβλητότητας του φωτισμού σε μία επιφάνεια εργασίας. Είναι εμφανές ότι όταν ο λόγος της φωτεινότητας γίνεται μεγαλύτερος του 15:1 έχει ως αποτέλεσμα αξιοσημείωτη αύξηση της οπτικής δυσφορίας. Σχήμα 6.1: Δυσφορία οφθαλμού ως συνάρτηση του λόγου φωτεινότητας μεταξύ εντύπων και οθόνης υπολογιστή όταν χρησιμοποιούνται ταυτόχρονα 52

53 Για εργασίες που γίνονται σε επιφάνεια γραφείου, μετρήσεις έχουν δείξει ότι ο προτεινόμενος φωτισμός είναι αυτός που παρέχει ομοιόμορφη φωτεινότητα σε μια έκταση περίπου ενός τετραγωνικού μέτρου όπου εκτελείται η εργασία και χαμηλότερες φωτεινότητες εκτός αυτής της περιοχής. Η θάμβωση είναι μία πιο ακραία μορφή μεταβλητότητας φωτισμού και συνήθως γίνεται εμφανής άμεσα. Προέρχεται από απροσδόκητη παρουσία σημαντικής φωτεινότητας στο οπτικό πεδίο. Οι δύο μορφές θάμβωσης που συνήθως συναντάμε είναι της οπτικής απενεργοποίησης (π.χ. προσωρινή τύφλωση) και της δυσφορίας (ενόχληση). Η θάμβωση απενεργοποίησης οφείλεται σε φως που προέρχεται από παρακείμενα μέρη της σκηνής που παρατηρούμε και το οποίο σκεδάζεται μέσα στον οφθαλμό δημιουργώντας ένα φωτεινό πέπλο πάνω στο είδωλο της σκηνής που παρατηρούμε. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την προσωρινή απενεργοποίηση του συστήματος της όρασης (πχ τύφλωση από τα φώτα ενός αυτοκινήτου που κινείται στην αντίθετη κατεύθυνση). Ενώ κατανοούμε καλά τον μηχανισμό της θάμβωσης απενεργοποίησης, οι αιτίες της θάμβωσης δυσφορίας δεν έχουν πλήρως εξηγηθεί. Λέγεται ότι εμφανίζεται όταν παραπονούμαστε για οπτική δυσφορία παρουσία λαμπερών φωτεινών πηγών. Πιστεύεται ότι οφείλεται σε διακυμάνσεις του μεγέθους της κόρης αλλά και του περισπασμού. Για την μέτρηση της θάμβωσης χρησιμοποιείται ο ενοποιημένος δείκτης θάμβους UGR: UGR=8log 10 n 0.25 Eb i 1 pi 2 ( Li i) Εb=φωτισμός από το φόντο, Li η φωτεινότητα του i μέρους της πηγής θάμβους στη διεύθυνση του οφθαλμού, ωι η στερεά γωνία του i μέρους της πηγής θάμβους, pi η θέση του του i μέρους της πηγής θάμβους. Το εύρος των τιμών του δείκτη κυμαίνεται από 10 έως 30. Διαφορετικές εφαρμογές φωτισμού έχουν διαφορετικά κριτήρια. Έτσι τα όρια για οικίες και γραφεία καθορίζονται σε UGR<20 και για βιομηχανικές εφαρμογές UGR>20. Στη Βόρεια Αμερική χρησιμοποιούν τον εμπειρικό δείκτη πιθανότητας οπτικής άνεσης (VCP) και η σχέση του με τον δείκτη θάμβους παρουσιάζεται στο Σχήμα

54 Σχήμα 6.2: Η σχέση μεταξύ VCP και του ενοποιημένου δείκτη θάμβους UGR Οι ανακλάσεις που καλύπτουν την κατανομή της φωτεινότητας μίας σκηνής λέγονται ανακλάσεις «πέπλωσης» (ή επικάλυψης, Σχήμα 6.3). Οι ανακλάσεις πέπλωσης και η θάμβωση απενεργοποίησης έχουν κοινό αποτέλεσμα την μεταβολή στην αντίθεση φωτεινότητας του ειδώλου που σχηματίζεται στον αμφιβληστροειδή. Η διαφορά έγκειται στο ότι στην πρώτη περίπτωση η διεργασία συμβαίνει στο χώρο των αντικειμένων ενώ στη δεύτερη στο χώρο των ειδώλων. Σχήμα 6.3: Ένα γυαλιστερό βιβλίο (α) χωρίς ανακλάσεις πέπλωσης και (β) με ανακλάσεις πέπλωσης 54

55 Οι δύο παράγοντες που καθορίζουν τη φύση και το μέγεθος των ανακλάσεων πέπλωσης είναι η κατοπτρικότητα του αντικειμένου (στόχου) που παρατηρείται και η γεωμετρία μεταξύ του παρατηρητή, του στόχου και των άλλων πηγών υψηλής φωτεινότητας. Εάν το αντικείμενο είναι ένας ανακλαστήρας τέλειας διάχυσης (lambertian), δεν εμφανίζονται ανακλάσεις πέπλωσης. Όταν όμως υπάρχει μια συνιστώσα κατοπτρικής ανάκλασης, τότε μπορεί να παρουσιαστούν. Ο βαθμός που οι μεταβολές της αντίθεσης φωτεινότητας επιδρούν στην οπτική απόδοση μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας το μοντέλο της οπτικής απόδοσης RVP που συζητήθηκε νωρίτερα, ο βαθμός όμως που προκαλούν δυσφορία είναι διαφορετικός. Έχει αποδειχθεί ότι μία μείωση στην αντίθεση φωτεινότητας μέχρι περίπου 20% είναι το όριο στο τι είναι αποδεκτό, ανεξάρτητα από την αρχική αντίθεση φωτεινότητας χωρίς την ύπαρξη αντανακλάσεων πέπλωσης (Σχήμα 6.4). Σχήμα 6.4: Η ελάττωση στην αντίθεση φωτεινότητας που θεωρείται αποδεκτή από το 90% των παρατηρητών ως συνάρτηση της αντίθεσης φωτεινότητας των υλικών όταν δεν εμφανίζονται ανακλάσεις πέπλωσης. Οι ανακλάσεις πέπλωσης μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθούν θετικά, αλλά σε αυτές τις περιπτώσεις ονομάζονται «τονισμοί». Από τη φύση τους, οι ανακλάσεις πέπλωσης και οι τονισμοί είναι το ίδιο πράγμα. Ο φωτισμός της βιτρίνας που εκθέτονται αντικείμενα με κατοπτρική ανακλαστικότητα έχει να κάνει με την ανάδειξη της κατοπτρικής φύσης της επιφάνειάς τους (πχ ένας ασημένιος δίσκος, κοσμήματα κλπ). 55

56 Η παρουσία εντόνων σκιών μπορεί να προκαλέσει οπτική δυσφορία. Οι σκιές εμφανίζονται όταν το φως που προέρχεται από μια συγκεκριμένη κατεύθυνση διακόπτεται από ένα αδιαφανές αντικείμενο. Μεγάλα αντικείμενα μειώνουν τον φωτισμό σε μεγάλη έκταση. Αυτό είναι συνήθως το πρόβλημα του βιομηχανικού φωτισμού, όπου ογκώδης μηχανικός εξοπλισμός ρίχνει σκιές στις παρακείμενες περιοχές. Η επίδραση αυτών των σκιών μπορεί να ξεπεραστεί, είτε με την αύξηση του ποσοστού του υπερ-ανακλώμενου φωτός με τη χρήση επιφανειών υψηλής ανακλαστικότητας ή με την παροχή τοπικού φωτισμού στο σκιασμένο χώρο. Εάν το αντικείμενο είναι μικρό και κοντά στην περιοχή ενδιαφέροντος, η σκιά μπορεί να πέφτει πάνω από μια σημαντική περιοχή, η οποία με τη σειρά της μπορεί να προκαλέσει σύγχυση αντίληψης, ιδιαίτερα εάν η σκιά κινείται. Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι η σκιά του χεριού πού πέφτει πάνω σε ένα σχέδιο. Αυτό το πρόβλημα μπορεί να μειωθεί με την αύξηση του ποσοστού του υπερανακλώμενου φωτός στο χώρο ή με την παροχή τοπικού φωτισμού που μπορεί η θέση του να προσαρμόζεται. Αν και οι σκιές μπορούν να προκαλέσουν οπτική δυσφορία, πρέπει να σημειωθεί ότι, είναι ένα πολύτιμο στοιχείο για την ανάδειξη της μορφής τρισδιάστατων αντικειμένων. Οι τεχνικές του φωτισμού βιτρινών βασίζονται γύρω από την ιδέα της δημιουργίας φωτεινών και σκοτεινών περιοχών για να αλλάξουν την αντιληπτή μορφή του αντικειμένου που εκτίθεται. Ο αριθμός και η φύση των σκιών που παράγονται από τις εγκαταστάσεις φωτισμού εξαρτώνται από το μέγεθος και τον αριθμό των φωτεινών πηγών και το βαθμό στον οποίο το φως υπερ-ανακλάται. Οι εντονότερες σκιές παράγονται από μία μόνο σημειακή πηγή σε ένα μαύρο δωμάτιο. Οι απαλές σκιές παράγονται όταν οι πηγές φωτός είναι μεγάλες σε έκταση και ο βαθμός υπερανάκλασης υψηλός. Τέλος, οπτική δυσφορία εμφανίζεται και με την φωτεινή μαρμαρυγή (τρεμόπαιγμα). Μια εγκατάσταση φωτισμού που παράγει ορατό τρεμόπαιγμα είναι σχεδόν καθολικά ενοχλητική, εκτός αν χρησιμοποιείται για ψυχαγωγία. Το γεγονός ότι τα ηλεκτρικά σήματα που σχετίζονται με τη φωτεινή μαρμαρυγή μπορούν να γίνουν αισθητά στον αμφιβληστροειδή, ακόμα και όταν δεν υπάρχει ορατό τρεμόπαιγμα, σημαίνει ότι είναι απαραίτητο ένα σαφές περιθώριο ασφάλειας για να μη γίνει αντιληπτό από κανέναν. Οι κύριες μεταβλητές που καθορίζουν την αντίληψη τρεμοπαίγματος είναι η συχνότητα και το ποσοστό διαμόρφωσης της ταλάντωσης του φωτός, το ποσοστό του οπτικού πεδίου στο οποίο το τρεμόπαιγμα εμφανίζεται, και η φωτεινότητα προσαρμογής. Για να προβλεφθεί κατά πόσον μια δεδομένη διακύμανση του φωτός θα είναι ορατή μπορεί να χρησιμοποιηθούν χρονικές συναρτήσεις μεταφοράς διαμόρφωσης. Για να εξαλειφθεί η αντίληψη της μαρμαρυγής, είναι απαραίτητο να αυξηθεί η συχνότητα της ταλάντωσης πάνω από την κρίσιμη συχνότητα ή να μειωθεί το 56

57 ποσοστό διαμόρφωσης της ταλάντωσης, η περιοχή του οπτικού πεδίου επί του οποίου εμφανίζεται το τρεμόπαιγμα, ή η φωτεινότητα προσαρμογής. Οι δύο τελευταίες επιλογές εφαρμόζονται σπάνια με τον γενικό φωτισμό. Μια πιο κοινή προσέγγιση είναι η χρήση συσκευών ελέγχου υψηλής συχνότητας για τους λαμπτήρες εκκενώσεως και η ανάμιξη του φωτός με λαμπτήρες που τροφοδοτούνται από διαφορετικές φάσεις της παροχής ηλεκτρικής ενέργειας. Η χρήση συσκευών ελέγχου υψηλής συχνότητας έχει συνδεθεί με τη μείωση εμφάνισης πονοκεφάλων. Παρόλο που η φωτεινή μαρμαρυγή που παρουσιάζεται σε μια μεγάλη περιοχή του οπτικού πεδίου είναι σχεδόν πάντα ενοχλητική, το τρεμόπαιγμα που σε ένα πολύ μικρό μέρος του οπτικού πεδίου είναι πολύ λιγότερο ενοχλητικό και είναι ένας πολύ αποτελεσματικός τρόπος για να επιστήσει την προσοχή σε μια συγκεκριμένη τοποθεσία. Η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται ευρέως στα οχήματα έκτακτης ανάγκης. 6.3 Προσεγγίσεις για τη βελτίωση της οπτικής άνεσης Η εξάλειψη της οπτικής δυσφορίας δεν είναι η συνταγή για φωτισμό καλής ποιότητας. Μάλλον είναι η συνταγή για εξάλειψη του κακού φωτισμού και αντικατάστασή του με αδιάφορο φωτισμό γεγονός όμως που μπορεί να εκληφθεί ως σημαντική πρόοδος. Οι στατιστικές δείχνουν ότι μόνον το 70% των ανθρώπων βρίσκουν τον φωτισμό στο γραφείο τους ξεκούραστο. Έχουν εκδοθεί αρκετές οδηγίες στο πώς να αποφευχθεί η οπτική δυσφορία σε τυπικές συνθήκες εργασίας. Μερικές είναι ποιοτικές, π.χ για την αποφυγή σκιών και την ελαχιστοποίηση του τρεμοπαίγματος, ενώ άλλες είναι ποσοτικές π.χ. όρια θαμπώματος και αναλογιών φωτεινοτήτων. Στην καλύτερη περίπτωση όμως πρέπει να χρησιμοποιούνται ως προσεγγίσεις. Για να εξασφαλιστεί η οπτική άνεση και να αποφευχθεί η δυσφορία, είναι αναγκαίο να διασφαλιστεί ότι ο φωτισμός επιτρέπει ένα καλό επίπεδο οπτικής απόδοσης και δεν αποσπά την προσοχή. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με τις ακόλουθες ενέργειες: Προσδιορισμός των οπτικών εργασιών που θα εκτελεστούν και στη συνέχεια καθορισμός των χαρακτηριστικών του φωτισμού που απαιτείται για να επιτραπεί ένα υψηλό επίπεδο οπτικής εκτέλεσης των καθηκόντων, για παράδειγμα, με τη χρήση του μοντέλου RVP. Εξάλειψη του τρεμοπαίγματος του φωτισμού χρησιμοποιώντας συσκευές ελέγχου υψηλής συχνότητας για τους λαμπτήρες εκκένωσης. Αν αυτό δεν είναι δυνατό, επιδιώκεται μείωση του ποσοστού 57

58 διαμόρφωσης του αντιληπτού τρεμοπαίγματος με την ανάμειξη φωτός από πηγές που λειτουργούν σε διαφορετικές φάσεις της παροχής ηλεκτρικού ρεύματος. Μείωση του θάμβους απενεργοποίησης με την ανάλογη επιλογή, τοποθέτηση, και στόχευση των φωτιστικών σωμάτων έτσι ώστε να μειωθεί η φωτεινότητα των φωτιστικών κοντά στην κοινή γραμμή της θέασης. Μείωση του θάμβους δυσφορίας με την επιλογή και τη διάταξη των φωτιστικών σωμάτων. Χρησιμοποίηση του δείκτη UGR για την εκτίμηση του μεγέθους του θάμβους δυσφορίας. Η χρήση επιφανειών υψηλής ανακλαστικότητας στο χώρο, βοηθάει στη μείωση του θάμβους δυσφορίας λόγω της αύξησης της φωτεινότητας του φόντου μέσα στον οποίο βρίσκονται τα φωτιστικά σώματα. Μελέτη της πυκνότητας και της έκτασης των διαφόρων σκιών που είναι πιθανό να εμφανιστούν. Αν οι σκιές δεν είναι επιθυμητές και είναι πιθανό να εμφανιστούν μεγάλης έκτασης σκιές, πρέπει να γίνεται χρήση επιφανειών υψηλής ανακλαστικότητας στο χώρο για να αυξήσουν το ποσό του υπερανακλώμενου φωτός και μικρότερης ισχύος λαμπτήρων για την παροχή της επιθυμητής έντασης φωτισμού. Αν οι σκιάσεις δεν μπορούν να αποφευχθούν λόγω της παρουσίας εμποδίων στο χώρο, πρέπει να παρέχεται συμπληρωματικός φωτισμός στις περιοχές με σκιά. Μείωση των ανακλάσεων πέπλωσης είτε με τη μείωση της κατοπτρικής ανακλαστικότητας της επιφάνειας που παρατηρείται, είτε αλλάζοντας τη γεωμετρία μεταξύ του παρατηρητή και της παρατηρούμενης επιφάνειας, ή αυξάνοντας το ποσό του υπερανακλώμενου φωτός στο χώρο. Αν οι ανακλάσεις συμβαίνουν σε μια αυτόφωτη επιφάνεια, όπως πχ μια οθόνη υπολογιστή, χρησιμοποιούμε σκούρα γράμματα σε φωτεινό φόντο. Αυτό θα περιορίσει τις επιπτώσεις των τυχόν ανακλάσεων πέπλωσης στην οθόνη. 58

59 7 ΦΩΤΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΑΝΤΙΛΗΨΗ ΧΩΡΟΥ ΚΑΙ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΩΝ 7.1 Εισαγωγή Ο σύνδεσμος μεταξύ της διέγερσης του συστήματος της όρασης από ένα φωτεινό περιβάλλον και της αντίληψης αυτού του περιβάλλοντος είναι συχνά πολύ ασθενής. Αυτό οφείλεται στο ότι η αντίληψη του περιβάλλοντος εξαρτάται από την κατάσταση της προσαρμογής του συστήματος της όρασης, το φόντο στον οποίο βρίσκονται τα αντικείμενα και την εμπειρία και γνώση του παρατηρητή. Διαφορετικές καταστάσεις προσαρμογής έχουν διαφορετικές δυνατότητες. Για παράδειγμα όταν το σύστημα της όρασης βρίσκεται σε μεσοπική κατάσταση η δυνατότητα να ξεχωρίσουμε χρώματα είναι μειωμένη σε σχέση με την φωτοπική κατάσταση και όταν βρίσκεται σε σκοτοπική δεν υπάρχει καμία αντίληψη χρωμάτων. Ταυτόχρονα και η ευαισθησία του συστήματος της όρασης μεταβάλλεται. Η φωτεινότητα των προβολέων ενός αυτοκινήτου παραμένει αμετάβλητη αλλά τα αντιλαμβανόμαστε πολύ πιο λαμπερά την νύχτα από την ημέρα. Επίσης τα διάφορα αντικείμενα που αντιλαμβανόμαστε, σπάνια βρίσκονται απομονωμένα από το περιβάλλον αλλά πάντα σε συνδυασμό με άλλα αντικείμενα μέσα σε διαφορετικά υπόβαθρα. Τα διάφορα υπόβαθρα μεταβάλλουν την αντίληψη των αντικειμένων αναλόγως (Σχήμα 7.1) Σχήμα 7.1: Η αλληλεπίδραση μεταξύ των στοιχείων μιας σκηνής επιδρά στην αντίληψη. Η κεντρική λουρίδα αν και έχει την ίδια ανακλαστικότητα σε όλο της το μήκος, εμφανίζεται να έχει διαφορετική λευκότητα λόγω της επιρροής του φόντου. 59

60 Τέλος η αντίληψή μας καθοδηγείται από την παρούσα γνώση και παρελθούσα εμπειρία του φωτεινού περιβάλλοντος που καθορίζουν τις παραδοχές μας για τα αντικείμενα και τον τρόπο με τον οποίο συνήθως φωτίζονται. Η λεγόμενη «οφθαλμαπάτη του φεγγαριού» είναι ένα παράδειγμα της επιρροής αυτών των παραδοχών. Όταν παρατηρούμε το φεγγάρι στον ορίζοντα μας φαίνεται πολύ μεγαλύτερο από ότι όταν βρίσκεται ψηλά στον ουρανό. Στην πραγματικότητα το μέγεθος παραμένει αμετάβλητο αλλά όταν βρίσκεται στον ορίζοντα υποθέτουμε ότι είναι πολύ πιο κοντά από ότι στην πραγματικότητα. Ένα παράδειγμα της δύναμης της παρελθούσας εμπειρίας παρουσιάζεται στο Σχήμα 7.2. Επειδή ασυνείδητα υποθέτουμε ότι το φως που δημιουργεί τις σκιές έρχεται από πάνω η κατανομή του μέσα σε κάθε κυκλική περιοχή καθορίζει αν θα την αντιληφθούμε ως εξόγκωμα ή βαθούλωμα. Αν αναστρέψουμε την σελίδα, τα βαθουλώματα θα γίνουν εξογκώματα και αντίστροφα. Σχήμα 7.2: Μία επιφάνεια με βαθουλώματα και εξογκώματα. Η κατανομή του φωτός μέσα σε κάθε κυκλική περιοχή καθορίζει αν θα την αντιληφθούμε ως εξόγκωμα ή βαθούλωμα. Σε κάθε περίπτωση, το φωτεινό περιβάλλον είναι η αφετηρία της αντίληψης και ο φωτισμός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αλλάξει. Συνεπώς ο φωτισμός μπορεί να αλλάξει την αντίληψη του χώρου και των αντικειμένων μέσα σε αυτόν. 60

61 Το πόσο σταθερή θα είναι η αντίληψη του χώρου εξαρτάται από το πόσο στενά συνδέεται με τη διαδικασία του συστήματος της όρασης και το πόσο συμμετέχουν παράγοντες ανεξάρτητοι του φωτισμού, όπως η εμπειρία και η γνώση. Απλές αντιλήψεις όπως η λευκότητα, η λαμπρότητα και το χρώμα έχουν ισχυρούς δεσμούς με το φωτεινό περιβάλλον. Υψηλότερου βαθμού αντιλήψεις, όπως το σχήμα, όγκος και πολυπλοκότητα έχουν ασθενέστερους. 7.2 Απλές αντιλήψεις Η απλή αντίληψη της λευκότητας, όπως έχει προαναφερθεί, συνδέεται με την ανακλαστικότητα αλλά όταν το εύρος τιμών της φωτεινότητας είναι μεγάλο, ακόμη και η λευκότητα θα μεταβληθεί. Ειδικότερα, καθώς ελαττώνεται η φωτεινότητα, η λευκότητα μιας επιφάνειας ελαττώνεται επίσης. Η απλή αντίληψη της λάμπρότητας είναι συνδεδεμένη με το φυσικό μέγεθος της φωτεινότητας αλλά επηρεάζεται και από την κατανομή του φωτός σε ένα δωμάτιο, τη φωτεινότητα των φωτιστικών σωμάτων και τη φασματική κατανομή του φωτός. Υποθέτοντας ότι η πιο λαμπρή επιφάνεια σε ένα δωμάτιο έχει λαμπρότητα: B max L 0.35 max Όπου Lmax είναι η φωτεινότητα σε cd/m 2 τότε οι άλλες επιφάνειες θα έχουν λαμπρότητα ίση με: B B a L, όπου a 0.6 max 0.6 Lmax Η έρευνα έδειξε ότι αυξάνοντας την φωτεινότητα των επιφανειών ενός δωματίου, ή την θερμοκρασία χρώματος ή την γκάμα χρωμάτων της πηγής, θα αυξηθεί η αντίληψη της λαμπρότητας συνεπώς οι παραπάνω σχέσεις είναι μόνο ενδεικτικές. Το γεγονός ότι η φασματική κατανομή του φωτός που εισέρχεται στον οφθαλμό επηρεάζει τη αίσθηση λαμπρότητας είναι γνωστό από παλιά (φαινόμενο Helmholtz-Kolrausch). Αν δύο πεδία διαφορετικού χρώματος αλλά της ίδιας φωτεινότητας τοποθετηθούν το ένα δίπλα στο άλλο αυτό με τον μεγαλύτερο χρωματικό κορεσμό εμφανίζεται λαμπρότερο. Το φαινόμενο ποσοστικοποιείται με την σχέση: B log( L) C Όπου C είναι ο συντελεστής μετατροπής των Ware και Cowan (Σχήμα 7.3) 61

62 Σχήμα 7.3: Γραμμές ισο-συντελεστή μετατροπής σχεδιασμένες πάνω στο χρωματικό διάγραμμα της CIE. Η απλή αντίληψη των χρωμάτων συνδέεται με την φασματική κατανομή της πηγής φωτός και την φωτεινότητα. Πόσο σημαντική είναι η επίδραση της επιλογής της πηγής φωτός εξαρτάται από το αν ο χώρος είναι πρακτικά αχρωματικός ή περιλαμβάνει χρωματιστές επιφάνειες. Η επίδραση θα είναι εντονότερη για χρωματιστές επιφάνειες επειδή η χρωματική προσαρμογή μπορεί να αντισταθμίσει κάποιες διαφορές λόγω των διαφορετικών φασμάτων σε ένα αχρωματικό δωμάτιο. Δεν μπορεί να αντισταθμίσει την επίδραση του φάσματος στον κορεσμό των χρωμάτων στο δωμάτιο. 7.3 Σύνθετες αντιλήψεις Η επίδραση του φωτεινού περιβάλλοντος σε αντιλήψεις υψηλότερου βαθμού δεν είναι ξεκάθαρη. Αυτό έχει να κάνει με το ότι τέτοιου είδους αντιλήψεις όπως ο όγκος, επηρεάζονται από το σύνολο του περιβάλλοντος και όχι μόνο του φωτεινού, καθώς και τη μορφή του χώρου και την πνευματική καλλιέργεια του παρατηρητή. Πάντως σχεδόν όλοι οι λειτουργικοί χώροι αξιολογούνται από την αίσθηση λαμπρότητας και το οπτικό ενδιαφέρον. Η αίσθηση λαμπρότητας σχετίζεται με το ποσόν του διαθέσιμου φωτισμού ενώ το οπτικό ενδιαφέρον ενισχύεται από μία ανομοιόμορφη κατανομή φωτός εκτός της περιοχής εργασίας (λειτουργικά χώρο). 62

63 Σχήμα 7.4: Ένας χάρτης που δείχνει την θέση και τον τύπο διαφόρων φωτιστικών ενός γραφείου σε δύο διαστάσεις - ενδιαφέρον φωτισμός και λαμπρότητα όπως προσδιορίστηκαν με παραγοντική ανάλυση. Σε υπέρθεση έχουν ζωγραφιστεί γραμμές ίσης προτίμησης. Η περιοχή Α αντιστοιχεί στη μεγαλύτερη προτίμηση και η περιοχή Ε στην μικρότερη. Σε ένα πείραμα που έγινε με διαφορετικούς συνδυασμούς φωτιστικών σωμάτων σε ένα χώρο εργασίας (Σχήμα 7.4) τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι περισσότερο προτιμούμενες φωτιστικές εγκαταστάσεις, αλλά και οι λιγότερο, έχουν κάποια κοινά χαρακτηριστικά. Οι περισσότερο προτιμούμενες αντιστοιχούν σε συνδυασμό φωτισμού μεγάλης λαμπρότητας και ενδιαφέροντος (με ποικιλία). Ομοιόμορφα κατανεμημένα φωτιστικά μπορούν να δίνουν την αίσθηση λαμπρότητας αλλά σπανίως παρουσιάζουν ενδιαφέρον. Ανομοιόμορφες κατανομές φωτιστικών μπορεί να παρουσιάζουν ενδιαφέρον αλλά να μην παράγουν αρκετή λαμπρότητα. Υπάρχουν καθαρές ενδείξεις ότι αλλάζοντας κατάλληλα τον φωτισμό, μπορεί να αλλάξει και η αντίληψη των αντικειμένων από μονότονα και βαρετά σε εντυπωσιακά και «δραματικά». Η καθημερινή εμπειρία υπονοεί ότι το ίδιο είναι αληθές και για μη λειτουργικούς χώρους όπως τα εστιατόρια, καταστήματα και θέατρα. 63

64 Σχήμα 7.5 : Παράδειγμα φωτισμού ενός οπτικού καταστήματος Ο κατάλληλος φωτισμός παραδείγματος χάρη στα οπτικά καταστήματα διαδραματίζει σημαντικό ρόλο μιας και λειτουργεί ως εργαλείο προσανατολισμού για τους πελάτες, επηρεάζει την ψυχολογία τους, συμβάλει στην ενδυνάμωση της εταιρικής εικόνας του καταστήματος και αποτελεί αναπόσπαστο κομμάτι της διαμόρφωσης της βιτρίνας, των προθηκών και του χώρου πωλήσεων (Σχήμα 7.5). Επίσης, ο κατάλληλος φωτισμός συμβάλλει αποφασιστικά στη δημιουργία του κομψού και καλαίσθητου περιβάλλοντος, που είναι απαραίτητο προκειμένου ο πελάτης να κάνει άνετα τις επιλογές του. 64

65 8 ΦΩΤΙΣΜΟΣ ΓΙΑ ΕΙΔΙΚΕΣ ΠΕΡΙΠΤΩΣΕΙΣ 8.1 Φωτισμός γραφείων Στις μέρες μας ο φωτισμός στο χώρο του γραφείου είναι περισσότερο πολύπλοκος από ότι ήταν πιο παλιά λόγω της καθολικής χρήσης των υπολογιστών. Παλιά ο φωτισμός αφορούσε την επιφάνεια του γραφείου γιατί εκεί γινότανε η εργασία. Σήμερα ο φωτισμός πρέπει να σχεδιαστεί έτσι ώστε να είναι ικανοποιητικός ταυτόχρονα και για υλικά που είναι αυτόφωτα δηλ. οθόνες υπολογιστών και για υλικά ετερόφωτα όπως το χαρτί. Ο φωτισμός της επιφάνειας εργασίας είναι ο καθοριστικός παράγων της ικανοποίησης με τον γενικότερο φωτισμό ενός χώρου γραφείου. Η τρέχουσα σύσταση για τον μέσο φωτισμό σε χώρους γραφείων στην Ευρώπη είναι περίπου 500 lux (Σχήμα 8.1). Βέβαια πρέπει να τονιστεί ότι παρέχοντας απλώς αυτό το επίπεδο φωτισμού δεν αρκεί για να εγγυηθεί ξεκούραστο φωτισμό γραφείου από μόνο του. Είναι απαραίτητο να θεωρηθούν όλες οι πλευρές των συνθηκών φωτισμού που προκαλούν δυσφορία και αναφέρθηκαν στο κεφάλαιο 6. Σχήμα 8.1: Η πιθανότητα να ανάψουμε το φως όταν εισερχόμαστε σε ένα χώρο εργασίας ως συνάρτηση του ελάχιστου φωτισμού που υπάρχει την ώρα που εισερχόμαστε. Η βασική απόφαση που πρέπει να παρθεί για την επιλογή πηγής φωτός είναι η ισορροπία μεταξύ φυσικού και ηλεκτρικού φωτός. Το φυσικό φως πρέπει πάντα να λαμβάνεται υπόψη επειδή αρέσει στον κόσμο (εφόσον δεν προκαλεί θερμική και οπτική δυσφορία). Αρέσει στον κόσμο γιατί αν έχει σχεδιαστεί προσεκτικά το φυσικό φως αποκαλύπτει πλήρως και το έργο και τον χώρο και 65

66 παρέχει περιβαλλοντική διέγερση με την κατανοητή χρονική μεταβολή του. Συγκριτικά ο ηλεκτρικός φωτισμός συνήθως παρέχει απλώς καλή ορατότητα για την εργασία και σπάνια παρέχει περιβαλλοντική διέγερση. Οι εγκαταστάσεις ηλεκτρικού φωτισμού κατά κάποιο τρόπο πάντα υπολείπονται του φυσικού φωτισμού. Ωστόσο, ο ηλεκτρικός φωτισμός είναι πάντοτε απαραίτητος επειδή το φυσικό φως δεν είναι αξιόπιστο σε καθημερινή βάση. Ο συνδυασμός του κόστους λειτουργίας και του ύψους της οροφής έχει σαν αποτέλεσμα την καθολική χρήση των λαμπτήρων φθορισμού στο χώρο του γραφείου. Ποιο είναι το κατάλληλο φάσμα που πρέπει να έχει ένας τέτοιος λαμπτήρας? Αυτό εξαρτάται από το είδος της εργασίας. Συνήθως προτιμούνται λαμπτήρες με μεγάλο CRI (>80). Αυτοί οι λαμπτήρες εξασφαλίζουν ότι οι εργασίες που απαιτούν ακριβή διάκριση στα χρώματα ή εργασίες που οι χρωματικές διαφορές είναι σημαντικές ή εργασίες προσδιορισμού χρωμάτων. Όταν εκτελούνται μόνο αχρωματικές εργασίες τότε δεν υπάρχει λόγος να χρησιμοποιηθεί λαμπτήρας συγκεκριμένης φασματικής κατανομής εκτός από την προσωπική προτίμηση. Υπάρχουν ενδείξεις ότι μία πηγή φωτός με φασματική εκπομπή πλούσια σε σκοτοπικά μήκη κύματος μπορεί να βελτιώσει την απόδοση μίας αχρωματικής εργασίας που εκτελείται κοντά στο όριο, λόγω της ελάττωσης του μεγέθους της κόρης από την φασματική κατανομή, αλλά το φαινόμενο εξαφανίζεται σε υπο-οριακές συνθήκες. Όσον αφορά τις προτεινόμενες φασματικές κατανομές για γραφεία, τα μέχρι τώρα υπάρχοντα στοιχεία δείχνουν ότι με δεδομένο σχετικά υψηλό CRI (>65) και ονομαστικό λευκό φως (3000K<CCT<6500K), οι χρωματικές ιδιότητες της πηγής δεν είναι σημαντικές για τον προσδιορισμό της ικανοποίησης που αισθάνεται κανείς με το φωτισμό σε ένα χώρο γραφείου. Το μέγεθος (ποσότητα) του φωτισμού που παρέχεται είναι πιο σημαντικό. Αυτό βέβαια δεν σημαίνει ότι το χρώμα της πηγής φωτός δεν έχει σημασία. Εάν το χρώμα απομακρύνεται από τις προσδοκίες του κόσμου οι πιθανότητες είναι ότι θα υπάρξουν διαμαρτυρίες. Οι υπάρχουσες οδηγίες συνιστούν να μην χρησιμοποιούνται λαμπτήρες με υψηλή θερμοκρασία χρώματος ( CCT) για χαμηλούς φωτισμούς, συνήθως κάτω των lx. Βασίζονται στο φαινόμενο Kruitof (Σχήμα 8.2). Συνδυασμοί φωτισμού και CCT που βρίσκονται στην κάτω σκιασμένη περιοχή δίνουν την αίσθηση ψυχρού και σκοτεινού. Αντιθέτως αυτοί που βρίσκονται στην πάνω σκιασμένη περιοχή δίνουν την αίσθηση υπερβολικά χρωματιστού και αφύσικου. 66

67 Σχήμα 8.2: Η καμπύλη Kruithof. Η σκιασμένη περιοχή οριοθετεί τον βέλτιστο συνδυασμό θερμοκρασίας χρώματος και φωτεινότητας της πηγής. Οι συνδυασμοί που αντιστοιχούν στη περιοχή κάτω από τη σκίαση παράγουν κρύο μονότονο περιβάλλον ενώ αυτοί που αντιστοιχούν στη περιοχή πάνω από τη σκίαση παράγουν ποικιλόχρωμο και αφύσικο περιβάλλον. Η κατανομή του φωτός επηρεάζει την αντίληψη του χώρου του γραφείου. Μία από της σημαντικότερες διαφορές στην αντίληψη είναι το εάν ο χώρος δείχνει να φωτίζεται κυρίως από φυσικό φως ή από ηλεκτρικό. Ο πρακτικός κανόνας είναι ότι αν ο μέσος φωτισμός με φυσικό φως είναι περισσότερο από 5% ο χώρος εμφανίζεται να φωτίζεται φυσικά. Αντιθέτως αν είναι λιγότερο από 2% εμφανίζεται να φωτίζεται τεχνητά ακόμη και κατά τη διάρκεια της ημέρας. Το φυσικός φως μπορεί να καταλήξει σε ένα χώρο γραφείου μέσω κοινών παραθύρων, φωταγωγών, φεγγιτών, η συστημάτων διανομής φωτός από απόσταση (κυματαγωγούς φωτός). Προφανώς ο πλέον συνήθης τρόπος είναι τα κοινά παράθυρα. Τα σημαντικά χαρακτηριστικά ενός παράθυρου είναι το μέγεθος, το σχήμα, η φασματική διαπερατότητα και η ηλιακή προστασία. Όλα τα παραπάνω χαρακτηριστικά είναι αντικείμενο ορίων και όλα πρέπει να ληφθούν υπόψη όταν σχεδιάζονται παράθυρα. Όσον αφορά τα ηλεκτρικά συστήματα φωτισμού, η πιο συνηθισμένη διευθέτηση για γραφεία είναι μία κανονική διάταξη από άμεσα η έμμεσα φωτιστικά σώματα, με ή χωρίς κάποιου συγκεκριμένου τύπου φωτισμού. Έχουν γίνει προσπάθειες για να αποδειχθεί ότι ή μία προσέγγιση είναι καλύτερη από την άλλη, όμως, τα αποτελέσματα δεν είναι ξεκάθαρα. Η χρήση των υπολογιστών στα γραφεία έχει οδηγήσει στο σχεδιασμό φωτιστικών με περιορισμένη λαμπρότητα πέρα από συγκεκριμένες γωνίες. Ο 67

68 σκοπός είναι να ελαχιστοποιηθούν οι ανακλάσεις που εμφανίζονται στις οθόνες των υπολογιστών. Η μη προσεχτική χρήση αυτών των φωτιστικών έχει δημιουργήσει χώρους γραφείων που δείχνουν καταθλιπτικά. Ευτυχώς υπάρχει όλο και λιγότερη ανάγκη για τέτοιου τύπου φωτιστικά. Οι σύγχρονες οθόνες υπολογιστών είναι όλο και λιγότερο ευαίσθητες στις συνθήκες του περιβάλλοντος φωτισμού. Αυτό επιτυγχάνεται με οθόνες μεταβλητής φωτεινότητας και χαμηλής διάχυτης και κατοπτρικής ανακλαστικότητας. Όσον αφορά τον έλεγχο του φωτισμού, στα παράθυρα πού υπάρχει κατευθείαν θέα του ήλιου πρέπει να τοποθετούνται όπου είναι δυνατόν σκίαστρα (στόρια). Χρησιμοποιούνται για την βελτίωση της συμπεριφοράς ενός παραθύρου και είναι εξίσου χρήσιμα για κάποιον που κάθεται δίπλα σε ένα παράθυρο όσο το ίδιο το παράθυρο. Ό ηλεκτρικός έλεγχος του φωτισμού μπορεί να είναι αυτόματος ή χειροκίνητος. Ό αυτόματος απαιτεί ελάχιστη ανθρώπινη παρέμβαση αφού ρυθμιστούν. Συνήθως ο αυτόματος έλεγχος προτιμάται σε δημόσιους χώρους φωτισμού ενώ ο χειροκίνητος σε ιδιωτικούς. Οι συνηθισμένοι τρόποι αυτόματου ελέγχου φωτισμού είναι τρεις: χρονοδιακόπτες, φωτοευαίσθητοι ρεοστάτες και αισθητήρες κατειλημμένου χώρου. Όλοι τους μηδενίζουν την σπατάλη ενέργειας ελαχιστοποιώντας τη χρήση ηλεκτρικού φωτισμού. 8.2 Βιομηχανικός φωτισμός Οι απαιτήσεις όρασης για βιομηχανική εργασία έχουν μεγάλη διακύμανση. Κάποιες βιομηχανικές εργασίες απαιτούν αρκετή οπτική πληροφορία που συνήθως περιλαμβάνει τον εντοπισμό και προσδιορισμό λεπτομερειών και χρωματικών διαφορών. Άλλες βιομηχανικές εργασίες απαιτούν διαφορετικούς τύπους οπτικής πληροφορίας. Για παράδειγμα σχήματα και υφή αντί για λεπτομέρειες και χρώμα. Υπάρχουν όμως και άλλες μορφές βιομηχανικών εργασιών που απαιτούν ελάχιστη πληροφορία. Τα υλικά από τα οποία οπτική πληροφορία πρέπει να εκμαιευτεί μπορεί να είναι θαμπά η στιλπνά, η πληροφορία μπορεί να εμπεριέχεται σε πολλά διαφορετικά επίπεδα και το υλικό που την εμπεριέχει μπορεί να είναι σταθερό ή σε κίνηση. Επιπλέον η φύση της διαδικασίας είναι πιθανόν να επιβάλει περιορισμούς στον τύπο του φωτισμού που μπορεί να χρησιμοποιηθεί, π.χ. εκεί όπου η παρεμπόδιση είναι εκτενής ή εκεί όπου η ατμόσφαιρα είναι επικίνδυνη, διαβρωτική ή απλώς ρυπαρή. Αυτή η μεταβλητότητα σημαίνει ότι ο καλός βιομηχανικός φωτισμός είναι αναπόφευκτα προσαρμοσμένος στη συγκεκριμένη εφαρμογή. 68

69 Ανεξάρτητα από την μεταβλητότητα, οι επιδιώξεις για τον βιομηχανικό φωτισμό είναι οι ίδιες παντού. Είναι η εξασφάλιση γρήγορης και ακριβούς εργασίας, η συνεισφορά στην ασφάλεια εκείνων που εκτελούν την εργασία και η δημιουργία βολικού περιβάλλοντος. Για την εφαρμογή των αρχών φωτισμού για γρήγορη και ακριβή εργασία απαιτείται η κατανόηση της πληροφορίας που χρειάζεται να αντληθεί για την εκτέλεση της εργασίας, το που εκτιμάται ότι πρέπει να βρίσκεται και οι περιορισμοί που επιβάλλονται από την εφαρμογή. Όταν συλλεχθεί η πληροφορία, μπορεί να προσδιοριστεί το απαραίτητο ποσό, η κατανομή, και το φάσμα του φωτισμού που παρέχεται. Για ασφαλή κίνηση συνιστάται ελάχιστος φωτισμός αλλά το μέγεθος του φωτισμού από μόνο του δεν είναι αρκετό. Χρειάζεται ειδική φροντίδα ώστε να αποφευχθεί το θάμπωμα και οι έντονες σκιές. Επίσης οι πηγές φωτός πρέπει να διαλεχτούν έτσι ώστε να αναπαράγουν σωστά τα χρώματα ασφαλείας. Εκεί όπου γίνεται χρήση μηχανημάτων περιστροφής ή παλινδρόμησης, πρέπει να υπάρξει φροντίδα ώστε να ελαχιστοποιηθούν πιθανά στροβοσκοπικά φαινόμενα. Όσον αφορά την άνεση, πρέπει να εφαρμόζονται θεωρητικά οι ίδιες συνθήκες στις εγκαταστάσεις φωτισμού όπου κι αν χρησιμοποιούνται. Δυστυχώς, αυτό, μερικές φορές, δεν είναι ο κανόνας στη βιομηχανία. Πολλές πλευρές του φυσικού περιβάλλοντος είναι λιγότερο άνετε ς στη βιομηχανία απ ότι στα γραφεία και ο φωτισμός είναι συχνά μια από αυτές. Πολλές εγκαταστάσεις βιομηχανικού φωτισμού είναι σχεδιασμένες γύρω από μια γενική τοπική εργοκεντρική προσέγγιση φωτισμού, όπου η τοπική χρησιμοποιείται εκεί όπου η δραστηριότητα είναι έντονη, πχ σε μια γραμμή συναρμολόγησης, ενώ ο εργοκεντρικός φωτισμός χρησιμοποιείται εκεί όπου συγκεκριμένες εργασίες είναι ή κρίσιμες ή περισσότερο δύσκολες απ ότι συνήθως. 69

70 Σχήμα 8.3: (α) Μία παραμόρφωση σε διαφανές υάλινο δοχείο εμφανίζεται με την παραμόρφωση που προκαλεί σε πλέγμα όταν παρατηρηθεί μέσω του δοχείου. (β) Με κατάλληλο πλευρικό φωτισμό γίνεται ορατό ένα κόψιμο σε ένα σαγρέ υλικό. Μια μορφή εργοκεντρικού φωτισμού που απαιτεί ειδική φροντίδα είναι ο φωτισμός για οπτικό έλεγχο. Ένας γρήγορος οπτικός έλεγχος συνεπάγεται εντοπισμό ελαττωμάτων εκτός οπτικού άξονα. Πόσο καλά αυτό μπορεί να επιτευχθεί εξαρτάται στην ορατότητα του ελαττώματος και αν υπάρχουν άλλα αντικείμενα στην περιοχή που ανιχνεύεται από το πόσο ευδιάκριτο είναι το ελάττωμα. Όλα εξαρτώνται από τη χρήση του φωτισμού για να γίνει το ελάττωμα περισσότερο ορατό και ευδιάκριτο (Σχήμα 8.3). 8.3 Φωτισμός διαφυγής Η πρόβλεψη κάποιου τρόπου διαφυγής από ένα κτήριο είναι μέρος του νομικού πλαισίου των περισσότερων χωρών. Συνήθως περιλαμβάνει προκαθορισμένες διαδρομές διαφυγής και τρόπο προειδοποίησης των ενοίκων για το πότε να εκκενώσουν το κτήριο. Ο φωτισμός που έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να οδηγήσει τους ενοίκους στην κατάλληλη διαδρομή διαφυγής και να τη φωτίσει έτσι ώστε οι άνθρωποι να μετακινούνται γρήγορα και με ασφάλεια όταν η παροχή ηλεκτρικού έχει διακοπεί ή υπάρχει καπνός, είναι μία σημαντική συνιστώσα των συστημάτων εξόδου έκτακτης ανάγκης. Τα σήματα εξόδου μας πληροφορούν για το που πρέπει να πάμε ώστε να διαφύγουμε από ένα κτήριο. Περιέχουν είτε λέξεις είτε σχήματα είτε και τα δύο. 70

71 Σε όλες τις περιπτώσεις σχεδιάζονται έτσι ώστε να είναι ορατά και περίβλεπτα σε προκαθορισμένες αποστάσεις. Σχήμα 8.4: Τυπικό σήμα εξόδου που περιέχει και σχήματα και λέξεις. Προτιμάται να έχουν χρώμα πράσινο έτσι ώστε να είναι ορατά και από άτομα με αχρωματοψία. Το άλλο συστατικό στοιχείο ενός συστήματος φωτισμού διαφυγής είναι ο φωτισμός της διαδρομής διαφυγής. Μπορεί να είναι αυτόνομα φωτιστικά σώματα στην οροφή ή στον τοίχο ή να είναι τοποθετημένα χαμηλά έτσι ώστε να επισημαίνουν ένα μονοπάτι διαφυγής. Σχήμα 8.5: Μέση ταχύτητα κίνησης σε επιπλωμένους χώρους νέων και ηλικιωμένων ατόμων σε συνάρτηση με τον φωτισμό του δαπέδου. Σε σχετικά καθαρή ατμόσφαιρα όλες οι παραπάνω επιλογές είναι αποδοτικές αρκεί να παρέχουν ελάχιστο φωτισμό 0,5 lx. Μεγαλύτεροι φωτισμοί επιτρέπουν 71

72 και μεγαλύτερες ταχύτητες διαφυγής. Η διαφορά εμφανίζεται στην παρουσία καπνού οπότε και τα χαμηλά τοποθετημένα φωτιστικά σώματα προτιμώνται (πχ αεροπλάνα). 8.4 Φωτισμός οδήγησης Ο φωτισμός για οδήγηση εμπεριέχει πολλές συνιστώσες. Η πρώτη είναι ο φωτισμός που παρέχει το ίδιο το όχημα. Έχει δύο μορφές:(α) φωτισμός σηματοδότησης και σήμανσης. Υποδεικνύει παρουσία και δίνει πληροφόρηση για την πορεία ενός οχήματος είτε είναι ημέρα είτε νύχτα. (β) Μπροστινός φωτισμός σχεδιασμένος στο να επιτρέπει στον οδηγό να βλέπει τη νύχτα. Φωτίζει μία συγκεκριμένη περιοχή μπροστά από το όχημα και τα αντικείμενα που εμπεριέχει έτσι ώστε να είναι περισσότερο ορατά. Και οι δύο τύποι φωτισμού καθορίζονται από αυστηρούς κανονισμούς. Το ζητούμενο για τον φωτισμό σήμανσης και σηματοδότησης είναι ή ορατότητά του (εξαρτάται από την φωτεινή ένταση που παρέχει το φωτιστικό σώμα, το μέγεθός και το χρώμα). Για τον πρόσθιο φωτισμό, οι κανονισμοί αντανακλούν μία ισορροπία μεταξύ της ανάγκης για να φωτιστεί έντονα οτιδήποτε βρίσκεται μπροστά από το κινούμενο όχημα και αυτής για την αποφυγή τύφλωσης ενός οδηγού που πλησιάζει. Η δεύτερη συνιστώσα του φωτισμού οδήγησης είναι ο φωτισμός του δρόμου. Η βασική αρχή που διέπει τον φωτισμό των δρόμων είναι να φωτισθεί η επιφάνεια του δρόμου τουλάχιστον τόσο λαμπερά όσο να είναι δυνατό να διακριθούν οι σιλουέτες των αντικειμένων. Είναι τεκμηριωμένη η σημασία του φωτισμού των δρόμων ως αποτρεπτικός παράγων για δυστυχήματα που αφορούν πεζούς την νύχτα. Πρόσφατες έρευνες δείξανε ότι μία φασματική κατανομή φωτός που διεγείρει αποτελεσματικά τα ραβδία σε μεσοπικές συνθήκες, οδηγεί σε βραχύτερους χρόνους αντίδρασης. 72

73 Σχήμα 8.6: Φωτισμός οδοστρώματος από προβολείς αυτοκινήτου όπως εξομοιώνεται από υπολογιστικά συστήματα βέλτιστου σχεδιασμού: (α) όπως φαίνεται από την θέση του οδηγού, (β) 20 m πάνω και πίσω από το όχημα, (γ) θέα πουλιού. Ένα εξειδικευμένο πρόβλημα φωτισμού δρόμου είναι αυτό των τούνελ κατά τη διάρκεια της ημέρας. Το πρόβλημα που παρουσιάζεται στου οδηγούς που προσεγγίζουν την είσοδο είναι αυτό της μαύρης τρύπας και της συσκότισης για τους οδηγούς που εισέρχονται. Το φαινόμενο της μαύρης τρύπας οφείλεται στο φως που σκεδάζεται στον οφθαλμό από τον περιβάλλοντα το τούνελ χώρο ενώ το φαινόμενο της συσκότισης οφείλεται στο χρόνο που απαιτείται για την προσαρμογή του οφθαλμού σε χαμηλότερες συνθήκες φωτισμού. Αμφότερα τα προβλήματα μπορούν να αντιμετωπιστούν με κατάλληλη κατασκευή της εισόδου του τούνελ και χρησιμοποιώντας βαθμωτές φωτεινότητες από την είσοδο προς το εσωτερικό του τούνελ (Σχήμα 8.7). Σχήμα 8.7: Φωτισμός επιφάνειας δρόμου από τη ζώνη κατωφλίου μέσω της μεταβατικής ζώνης έως την εσωτερική ζώνη του τούνελ ως συνάρτηση του χρόνου έναρξης της μεταβατικής ζώνης. 73