ιπλωµατική Εργασία Μελέτη φωτισµού δρόµου υπό το πρίσµα της µεσοπικής όρασης

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΤΜΗΜΑ ΗΛ/ΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΩΤΟΤΕΧΝΙΑΣ ιπλωµατική Εργασία Μελέτη φωτισµού δρόµου υπό το πρίσµα της µεσοπικής όρασης Υπεύθυνος εργασίας : Χατζηθανάσης Γεώργιος Υπεύθυνος καθηγητής : Τοπαλής Φραγκίσκος Συνεργάτης : Μπισκετζής Νικόλαος ΑΘΗΝΑ, ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ 2003

2 Μελέτη φωτισµού δρόµου υπό το πρίσµα της µεσοπικής όρασης Η εργασία αυτή αφιερώνεται στο συνεργάτη και κυρίως φίλο µου Νίκο για την πολύτιµη βοήθεια του και για τις ευχάριστες στιγµές που περάσαµε µαζί στο εργαστήριο Φωτοτεχνίας. 2

3 Μελέτη φωτισµού δρόµου υπό το πρίσµα της µεσοπικής όρασης 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Κάνοντας κανείς µια βαθύτερη ανάλυση στην µέχρι τώρα ισχύουσα µεθοδολογία φωτισµού δρόµων θα διαπιστώσει ότι όλη η µεθοδολογία στηρίζεται στην ευαισθησία του ανθρώπινου οφθαλµού σε συνθήκες φωτοπικής οράσεως ή διαφορετικά σε επίπεδα λαµπρότητας άνω των 3cd/m 2. Πράγµατι, θεµελιώδεις έννοιες όπως η φωτεινή ροή, η ισχύς φωτισµού, η λαµπρότητα κ.α. ορίζονται µε βάση την φωτοπική καµπύλη ευαισθησίας του µατιού. Η πραγµατικότητα όµως είναι διαφορετική. Ανατρέχοντας στις προδιαγραφές που έχουν καθοριστεί από την ιεθνή Επιτροπή Φωτισµού (C.I.E.) για φωτισµό δρόµων µέσης και αραιής κυκλοφορίας θα διαπιστώσει κανείς ότι τα συνιστώµενα επίπεδα λαµπρότητας δεν βρίσκονται στην περιοχή της φωτοπικής όρασης αλλά στην περιοχή της µεσοπικής δηλαδή την περιοχής της οποίας τα επίπεδα λαµπρότητας κυµαίνονται από cd/m 2. Εξετάζοντας την σπουδαιότητα αυτής της παρατήρησης διαπιστώνουµε ότι κάποιοι τύποι λαµπτήρων δεν αποδίδουν στην πράξη το αποτέλεσµα που είναι επιθυµητό. Με άλλα λόγια είναι απαραίτητο να γίνει αναθεώρηση της µεθοδολογίας διεξαγωγής µελετών φωτισµού εξωτερικών χώρων που απαιτούν µικρές εντάσεις φωτισµού ή καλύτερα λαµπρότητας. Το πρόβληµα όµως δεν είναι απλό αλλά αρκετά σύνθετο. Η περιοχή της µεσοπικής όρασης µόλις τώρα αρχίζει να ερευνάται οπότε και δεν είµαστε έτοιµοι στην παρούσα φάση να αναπροσαρµόσουµε τις µεθοδολογίες φωτισµού στην µεσοπική περιοχή. Η Ευρωπαϊκή Ένωση χρηµατοδοτεί ένα ερευνητικό πρόγραµµα πάνω στο πεδίο της µεσοπικής όρασης αλλά τίποτα δεν έχει ακόµα παρουσιαστεί. Η παρούσα διπλωµατική εργασία δεν αποτελεί έκθεση πειραµατικών στοιχείων στην µεσοπική περιοχή αλλά σαν στόχο έχει τον εντοπισµό του προβλήµατος και την ευαισθητοποίηση του τεχνικού κόσµου για τη δροµολόγηση των διαδικασιών της αναπροσαρµογής. Για τον σκοπό αυτό θα παρουσιάσουµε αρχικά µια µελέτη φωτισµού ενός αστικού δρόµου χρησιµοποιώντας την µέχρι τώρα ισχύουσα διαδικασία. Στη συνέχεια περνώντας υπολογίζοντας την πραγµατική απόδοση των λαµπών που χρησιµοποιήθηκαν στο πρώτο µέρος µε βάση µία καµπύλη φασµατικής ευαισθησίας του µατιού που θεωρητικά µπορεί να ισχύει για τα επίπεδα φωτισµού ενός αστικού δρόµου. Η συνάρτηση αυτή είναι τεχνητά κατασκευασµένη για της ανάγκες της εργασίας και σε καµία περίπτωση δεν αποτελεί απόρροια µελέτης και έρευνας. Τέλος προτείνεται µία λύση στο πρόβληµα της µη νοµιµότητας της χρήσης φωτοπικών φωτοµετρικών µονάδων σε περιοχές µεσοπικής όρασης χρησιµοποιώντας όχι πια την φωτεινή ροή που παράγει η κάθε λάµπα αλλά την συνολική ραδιοµετρική ισχύ της. Με τον τρόπο αυτό λύνουµε το πρόβληµα στηριζόµενοι σε φυσικά µεγέθη που είναι σταθερά και ανεξάρτητα των εκάστοτε επιπέδων λαµπρότητας. 3

4 Μελέτη φωτισµού δρόµου υπό το πρίσµα της µεσοπικής όρασης 2. ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΜΕΣΟΠΙΚΗΣ ΟΡΑΣΗΣ 2.1 Φυσιολογία του οφθαλµού O οφθαλµός είναι ένα όργανο αξιοσηµείωτης κατασκευής. Eίναι κατασκευασµένο από τρία οµόκεντρα στρώµατα, πού λέγονται χιτώνες O Eξωτερικός χιτώνας ή Iνώδης O Eξωτερικός χιτώνας ή Iνώδης χιτώνας χωρίζεται σε δύο διαφορετικά µέρη. Tο εµπρόσθιο (το ένα έκτο) είναι ο Kερατοειδής, ενώ το οπίσθιο (τα πέντε έκτα) είναι ο Σκληρός (το ασπράδι). O Kερατοειδής είναι το πιο σηµαντικό διαθλαστικό στοιχείο του οφθαλµού (δείκτης διαθλάσεως 1,376), συνεισφέροντας το 70% της διαθλαστικής ισχύος του οφθαλµού (43 διοπτρίες, ενώ ο φακός 20 και ολόκληρος ο οφθαλµός 60). O Σκληρός αφετέρου είναι αδιαφανής, ανθεκτικός και ινώδης. Mοναδικός σκοπός του είναι να κρατά τον οφθαλµό σε αυτό το σχήµα O Mέσος χιτώνας O Mέσος χιτώνας χωρίζεται σε τρία µέρη: το Xοροειδές, το Aκτινωτό Σώµα και την Ίριδα. H κύρια λειτουργία του χοροειδούς είναι η διατροφή των εξωτερικών στρωµάτων του Aµφιβληστροειδούς. Tο Aκτινωτό Σώµα αλλάζει το σχήµα του φακού για την εστίαση του ειδώλου και παράγει το Yδατώδες Yγρό στο εξωτερικό διαµέρισµα του οφθαλµού. Tο Yδατώδες αυτό Yγρό βοηθά στην διάθλαση και στο φιλτράρισµα του φωτός. H Ίρις ελέγχει την ποσότητα του φωτός και βοηθά στην αύξηση του βάθους της εστιάσεως. Tο άνοιγµα που αφήνει η Ίριδα λέγεται Kόρη O Aµφιβληστροειδής O Aµφιβληστροειδής είναι η φωτοευαίσθητη περιοχή του οφθαλµού, που µετατρέπει την φωτεινή ενέργεια σε ηλεκτρικούς παλµούς. Tα κύτταρα πού απαρτίζουν τον Aµφιβληστροειδή είναι εξειδικευµένα νευρικά κύτταρα, και έχουν εξελικτική και µορφολογική σχέση µε τα εγκεφαλικά κύτταρα. Aυτό έχει σαν αποτέλεσµα την µερική προεπεξεργασία των οπτικών σηµάτων πριν αυτά αποχωρήσουν από 4

5 Μελέτη φωτισµού δρόµου υπό το πρίσµα της µεσοπικής όρασης τον οφθαλµό για τον εγκέφαλο. Eνδιαφέρον χαρακτηριστικό είναι το ότι η κατασκευή του αµφιβληστροειδούς φαίνεται να έχει γίνει «ανάποδα». ηλ. Το φως πρέπει να περάσει πρώτα από την «καλωδίωση» των νευρικών κυττάρων για να φθάσει στα φωτοευαίσθητα κύτταρα, που είναι στο πίσω µέρος του αµφιβληστροειδούς Tα φωτοευαίσθητα κύτταρα (οι φωτοϋποδοχείς) Yπάρχουν δύο κατηγορίες φωτοϋποδοχέων: τα ραβδία και τα κωνία. Aυτά έχουν παρόµοια κατασκευή: Ένας κεντρικός πυρήνας, πολλά µιτοχόνδρια για να παρέχουν χηµική ενέργεια, και µία συστοιχία από δίσκους, που περιέχουν την φωτοευαίσθητη χρωστική. Tα ραβδία είναι ευαίσθητα σε πολύ χαµηλά επίπεδα φωτισµού, αλλά φθάνουν στην µέγιστη απόδοσή τους σε µέτρια επίπεδα φωτισµού. Aπό εκεί και πέρα η απόδοσή τους δεν εξαρτάται από τον φωτισµό. Eπέρχεται κορεσµός. O κορεσµός αρχίζει περίπου στα 10 cd/m 2 και ολοκληρώνεται στα 300 cd/m 2. Tα ραβδία δεν αντιλαµβάνονται χρώµα, παρά µόνο µαύρο, άσπρο και αποχρώσεις του γκρίζου. Tα κωνία είναι πολύ λιγότερο ευαίσθητα στον χαµηλό φωτισµό, αλλά µπορούν να ανταποκριθούν σε υψηλά επίπεδα φωτισµού. εν υπάρχει γι αυτά κορεσµός, όπως µε τα ραβδία. Tο συνολικό πλήθος των κωνίων στον ένα οφθαλµό είναι

6 Μελέτη φωτισµού δρόµου υπό το πρίσµα της µεσοπικής όρασης 2.2 Η αίσθηση της όρασης Η αίσθηση της όρασης δηµιουργείται, όπως είδαµε, από την ενεργοποίηση των φωτοανιχνευτών του ανθρώπινου οφθαλµού. ηλαδή των τριών ειδών κωνίων και των ραβδίων. Οι διαφορές που παρουσιάζουν, όσον αναφορά τα κατώφλια ενεργοποίησης και κορεσµού, δηµιουργούν µια εξάρτηση της οπτικής ανταπόκρισης του οφθαλµού από τα επίπεδα λαµπρότητας. Έτσι λοιπόν την περιοχή λαµπρότητας εντός της οποίας δηµιουργείται η αίσθηση της όρασης την χωρίζουµε σε τρεις βασικές περιοχές. Την φωτοπική περιοχή για λαµπρότητα µεγαλύτερη από 3cd/m 2, όπου η όραση οφείλεται κατά κύριο λόγο στην διέγερση των κωνίων. Τα ραβδία είναι σε κατάσταση κορεσµού και η συνεισφορά τους µικρή, αλλά παρ όλα αυτά αρκετή για να προκαλέσει διαφοροποίηση της απόκρισης του οφθαλµού, όταν τα πεδία έχουν µεγάλο εύρος η δεν είναι κεντρικά. Την σκοτοπική περιοχή για λαµπρότητα µικρότερη από 10-2 cd/m 2, όπου η όραση οφείλεται αποκλειστικά στην διέγερση των ραβδίων. Τα επίπεδα λαµπρότητας είναι χαµηλότερα από τα κατώφλια ενεργοποίησης των κωνίων. Την µεσοπική περιοχή. Μια µεταβατική περιοχή από το ένα είδος όρασης στο άλλο. Στην µεσοπική περιοχή, στην αίσθηση της όρασης συνεισφέρουν όλα τα είδη φωτοανιχνευτών του οφθαλµού Το γεγονός ότι η οπτική ανταπόκριση του οφθαλµού δεν είναι σταθερή δηµιουργεί ένα κυκλικό πρόβληµα, µάλλον δυσεπίλυτο. Τα φωτοµετρικά µεγέθη και οι µονάδες που τα εκφράζουν ορίζονται µε την βοήθεια της φασµατικής ευαισθησίας του οφθαλµού. Η φασµατική ευαισθησία όµως εξαρτάται από την λαµπρότητα. Η επιπλοκή που δηµιουργείται από τα παραπάνω φαίνεται, για παράδειγµα, από τον ορισµό των διαφόρων περιοχών 6

7 Μελέτη φωτισµού δρόµου υπό το πρίσµα της µεσοπικής όρασης όρασης. Χρησιµοποιήσαµε την έκφραση «λαµπρότητα µεγαλύτερη η µικρότερη από κάποια τιµή σε cd/m 2», η τιµή αυτή είναι όµως υπολογισµένη σε φωτοπικές συνθήκες και δεν εκφράζει την λαµπρότητα σε άλλες περιοχές. Ορίζουµε δηλαδή την µεσοπική περιοχή µε βάση τιµές µεγεθών που έχουν νόηµα σε άλλες συνθήκες. 2.3 Φασµατική ευαισθησία του ανθρώπινου οφθαλµού Ένας πρώτος ορισµός για το φως είναι «φως ονοµάζουµε κάθε ακτινοβολία η οποία µπορεί να ερεθίσει τον ανθρώπινο οφθαλµό». Είναι γνωστό ότι το µέγεθος της ανταπόκρισης του οφθαλµού στο φως εξαρτάται από πολλούς παράγοντες. υο από τους βασικότερους είναι το µήκος κύµατος και η λαµπρότητα της πηγής. Την εξάρτηση της οπτικής ανταπόκρισης του ανθρώπινου οφθαλµού από το µήκος κύµατος της προσπίπτουσας σε αυτό ακτινοβολίας, ονοµάζουµε φασµατική ευαισθησία. Μια κύρια παράµετρος που επηρεάζει την φασµατική ευαισθησία είναι η λαµπρότητα. Ονοµάζουµε σχετική φασµατική ευαισθησία του ανθρώπινου οφθαλµού την «κανονικοποιηµένη» φασµατική ευαισθησία. Αυτή ορίζεται ως εξής : «Η σχετική φασµατική ευαισθησία του οφθαλµού (για µια µονοχρωµατική ακτινοβολία µήκους κύµατος λ) είναι ο λόγος της ροής σε µήκος κύµατος λ m προς αυτήν σε µήκος κύµατος λ, έτσι ώστε και οι δυο ακτινοβολίες να παράγουν ίδια ένταση φωτεινής αίσθησης κάτω από καθορισµένες φωτοµετρικές συνθήκες. ενώ η λ m έχει επιλεγεί µε τέτοιο τρόπο ώστε η µέγιστη τιµή αυτού του λόγου να είναι 1.» Τα πειραµατικά δεδοµένα που απαιτούνται για να κατασκευαστεί η καµπύλη της σχετικής φασµατικής ευαισθησίας εξαρτώνται από παρά πολλές παραµέτρους µερικές από τις οποίες είναι η επιλογή του παρατηρητή, η κατάσταση προσαρµογής του µατιού, το γωνιακό άνοιγµα της δέσµης, καθώς και η γωνιακή της θέση, η µέθοδος µέτρησης, καθώς επίσης και τα επίπεδα λαµπρότητας στα οποία έγιναν οι µετρήσεις. Με σκοπό να δοθεί µια, βάση για συγκρίσεις ακτινοβολιών µε διαφορετικά µήκη κύµατος η C.I.E. εισήγαγε δυο συναρτήσεις: την V (λ) για την φωτοπική και την V (λ) για την σκοτοπική όραση. 7

8 Μελέτη φωτισµού δρόµου υπό το πρίσµα της µεσοπικής όρασης Η συνάρτηση V (λ) (σχετική φασµατική ευαισθησία για την φωτοπική όραση) καθορίσθηκε στην περιοχή 360 έως 830 nm µε βήµα 1 nm. Για ενδιάµεσες τιµές πρέπει να χρησιµοποιηθεί γραµµική παρεµβολή. Οι τελικές τιµές υιοθετήθηκαν από τη C.I.E. το 1970και από την C.I.P.M. το Η V (λ) έχει µέγιστη τιµή στα 555nm. Οι προϋποθέσεις κάτω από τις οποίες έγιναν οι µετρήσεις από τις οποίες κατασκευάστηκε η V (λ) ήταν ότι χρησιµοποιήθηκαν µικρά εύρη οπτικών πεδίων, 2 έως 3 µοίρες, πάνω στον οπτικό άξονα του µατιού, µε λαµπρότητες συχνά κάτω από 10cd m -2, αλλά πάντως αρκετά υψηλές για να εξασφαλίζουν φωτοπική όραση, ενώ οι µέθοδοι µέτρησης ήταν η flicker photometry,ώστε να αποφεύγονται εντελώς η ετεροχρωµατική ταύτιση φωτεινότητας και η step-by-step brightness matching, που δίνει µόνο µικρές διαφορές αποχρώσεων µεταξύ των δυο µερών του φωτοµετρικού πεδίου. Η συνάρτηση V (λ) (σχετική φασµατική ευαισθησία για την σκοτοπική όραση) καθορίσθηκε στο διάστηµα 380 έως 780 nm µε βήµα 1nm. Οι τελικές τιµές υιοθετήθηκαν από τη CIΕ το 1951 και από την CIPM το Η V (λ) έχει µέγιστη τιµή στην περιοχή 506 έως 508 nm. Οι µετρήσεις από τις οποίες κατασκευάστηκε η V (λ) ήταν οι µετρήσεις του Crawford το 1949 και του Wald το Ο Crauford χρησιµοποίησε απευθείας ταύτιση φωτεινότητας µε διµερές πεδίο 20 ο λαµπρότητας περίπου 30µcdm -2 Ο Wald µέτρησε τα κατώφλια όρασης για τα ραβδία σε διάφορα µήκη κύµατος και τα αποτελέσµατα του βρίσκονται σε ικανοποιητική συµφωνία µε τις µετρήσεις του Crauford. Ένας ανιχνευτής ακτινοβολίας του οποίου η φασµατική ευαισθησία συµφωνεί µε τη V (λ) ή την V (λ) αναφέρεται σαν τυπικός παρατηρητής (standard observer) για την φωτοπική η την σκοτοπική όραση. Μετά από αυτά η φωτεινή ροή και η λαµπρότητα µιας φωτεινής πηγής µπορεί να ορισθεί για την φωτοπική η σκοτοπική περιοχή ως εξής: Φωτοπική όραση Φ (ν) = K m Φ e,λ (λ) V (λ) dλ L (ν) = K m L e,λ (λ) V (λ) dλ όπου Κ m είναι η µέγιστη φασµατική ευαισθησία για την φωτοπική όραση και έχει την τιµή Κ m =683,002lmW -1 = 683lmW -1 ενώ η φασµατική ευαισθησία θα δίνεται από K (λ) = Κ m V (λ) (lm/watt). Σκοτοπική όραση Φ (ν) = K m Φ e,λ (λ) V (λ) dλ L (ν) = K m L e,λ (λ) V (λ) dλ όπου Κ m είναι η µέγιστη φασµατική ευαισθησία για την φωτοπική όραση και έχει την τιµή Κ m=1700,06lmw -1 = 1700lmW -1 ενώ η φασµατική ευαισθησία θα δίνεται από K (λ) = Κ m V (λ) ( lm/watt ). Παρατηρούµε από το σχ.2 ότι K (λ) =K (λ) = 683lmW -1 στο µήκος κύµατος 555,016nm η Ηz. 8

9 Μελέτη φωτισµού δρόµου υπό το πρίσµα της µεσοπικής όρασης 2.4 Προβλήµατα στην χρήση των V (λ) και V (λ) α) Προβλήµατα που οφείλονται στο ότι φασµατική ευαισθησία του ατόµου είναι διαφορετική από αυτή που ορίζει η V (λ). β) Προβλήµατα οφειλόµενα στην αλλαγή της φασµατικής ευαισθησίας εξαιτίας των επιπέδων της λαµπρότητας της πηγής. Όταν η λαµπρότητα είναι χαµηλότερη από τις τιµές που αντιστοιχούν στα όρια της φωτοπικής όρασης τότε προκύπτουν σοβαρά προβλήµατα µε την χρήση της V (λ), που όµως παρ όλα αυτά χρησιµοποιείται. Όταν η λαµπρότητα µειώνεται, τότε τα µικρότερα µήκη κύµατος φαίνονται λαµπρότερα απ' ό,τι αναµενόταν, ενώ τα οπτικά αποτελέσµατα των µεγάλων µήκων κύµατος φαίνονται υπερεκτιµηµένα. Μεταξύ των περιοχών φωτοπικής και σκοτοπικής όρασης στην µεσοπική όραση, καµία από τις δυο συναρτήσεις δεν ανταποκρίνεται ικανοποιητικά. Μια λύση στο πρόβληµα της µεσοπικής όρασης θα ήταν µια σειρά καµπυλών καθεµιά από τις οποίες θα ήταν κατάλληλη για το αντίστοιχο επίπεδο λαµπρότητας. Υπάρχουν ωστόσο πολλά προβλήµατα σε µια τέτοια προσπάθεια.ο λόγος είναι ότι η περιοχή ανάµεσα στην φωτοπική και σκοτοπικη όραση χαρακτηρίζεται από µια σειρά καµπυλών η οποία δεν ταιριάζει αρµονικά από το ένα άκρο στο άλλο.το πόσο θα ταιριάζει σε µια δοσµένη λαµπρότητα εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, όπως το µέγεθος και η γωνιακή θέση του πεδίου και η ικανότητα προσαρµογής του µατιού. Ένα παράδειγµα είναι ότι, καθώς η λαµπρότητα αυξάνεται από το σκοτοπικό όριο, η ευαισθησία του µατιού στα µεγάλα µήκη κύµατος αυξάνεται. Ενώ όµως η ευαισθησία αυτή αυξάνεται κανονικά για αρκετό διάστηµα, η ευαισθησία στα µικρά µήκη κύµατος παραµένει βασικά η ίδια. Το αποτέλεσµα είναι µια προοδευτική πλάτυνση των καµπυλών µέχρις ότου ταιριάξουν µε την φωτοπική καµπύλη στα φωτοπικά όρια. γ) Προβλήµατα που οφείλονται στις µη κατάλληλες συνθήκες φωτισµού. Ενόσω η φασµατική ευαισθησία του ανθρώπινου οφθαλµού εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, η 9

10 Μελέτη φωτισµού δρόµου υπό το πρίσµα της µεσοπικής όρασης εκτίµηση της ροής µπορεί να είναι ακριβής µόνο όταν οι µετρήσεις του φωτός γίνουν κάτω από τις συνθήκες υπό τις οποίες η V (λ) κατασκευάσθηκε. ηλαδή φωτοπικά επίπεδα φωτισµού, µικρά πεδία, κεντρική δέσµη,ουδέτερο υπόβαθρο. Το πιο ενοχλητικό από αυτά είναι το µέγεθος του πεδίου. Συνήθως κάποιος ενδιαφέρεται να µετρήσει µεγάλα πεδία και όχι µικρές δέσµες. Πρόβληµα υπάρχει επίσης και µε τις σηµειακές πήγες, όπου η φασµατική ευαισθησία αλλάζει. δ) Ένα ακόµα µεγαλύτερο και ύπουλο πρόβληµα ξεκινά από το γεγονός ότι η καµπύλη της σχετικής φασµατικής ευαισθησίας εξαρτάται έντονα από την µέθοδο που χρησιµοποιήθηκε για την κατασκευή της. Το ζητούµενο είναι : Με βάση τις φωτοµετρικές µετρήσεις να µπορούµε να υπολογίζουµε την φωτεινότητα και την οπτική ευαισθησία στις συγκεκριµένες συνθήκες.η µέθοδος που θα χρησιµοποιηθεί για να µετρήσουµε την ευαισθησία του οφθαλµού σε µια φασµατική κατανοµή θα έπρεπε να είναι χωρίς σηµασία. Η ακτινοβολούµενη ισχύς που απαιτείται σε κάθε µήκος κύµατος ώστε να προκαλείται µια συγκεκριµένη απόκριση, µπορεί να καθορισθεί. Αυτή η συγκεκριµένη απόκριση θα πρέπει να προκαλεί ίδια φωτεινότητα για διάφορες µεθόδους, όπως απόλυτο κατώφλι, ίση οπτική οξύτητα,κ.α. Στην πραγµατικότητα τα αποτελέσµατα που λαµβάνουµε εξαρτώνται έντονα από τη σταθερή απόκριση που επιλέξαµε σαν µέτρο σύγκρισης, για να αποτιµήσουµε την µονοχρωµατική ακτινοβολία. Αυτό οφείλεται στο ότι άλλες µέθοδοι υπακούουν στον νόµο της προσθετικότητας και άλλες όχι. ε) H V(λ) είναι φτιαγµένη για να µετράει ακτινοβολίες σχεδόν λευκές. Aν το φως δεν είναι σχεδόν λευκό, τότε η χρησιµοποίησή της καταλήγει σε λανθασµένα αποτελέσµατα, λόγω µη προσθετικότητας των χρωµάτων 2.5 ιόρθωση Judd-Woss H καµπύλη V (λ) δεν είναι εντελώς ακριβής. Στα άκρα του ορατού φάσµατος η φασµατική ευαισθησία είναι µεγαλύτερη. Ο Judd το 1951 πρότεινε µια θεµελιώδη επανεξέταση της V (λ), µε σκοπό να βελτιώσει την συνάρτηση στα µικρά µήκη κύµατος. ιατήρησε τις τιµές της συνάρτησης για µήκη κύµατος µεγαλύτερα από τα 460nm και αύξησε τις τιµές στα µικρότερα. Ο Voss to 1978 έκανε περαιτέρω διορθώσεις και έτσι κατασκευάσθηκε η Judd-Voss modified CIE V (λ), η οποία είναι γνωστή και σαν V M(λ). Οι διορθώσεις αυτές όµως συµπληρώνουν την V (λ), δεν την αντικαθιστούν. 10

11 Μελέτη φωτισµού δρόµου υπό το πρίσµα της µεσοπικής όρασης 2.6 Ian Lewin Είναι φυσιολογικό ότι δεν υπάρχει ένας µόνο αριθµός που να µπορεί να εφαρµοσθεί στα lumen ή σε κάποιο άλλο φωτοµετρικό µέγεθος και ο οποίος να προσαρµόζει ικανοποιητικά τις διάφορες συνέπειες της φασµατικής κατανοµής των φωτεινών πηγών. Φαίνεται να χρειάζεται ένας συντελεστής η µια σειρά συντελεστών, που να επιτρέπει τον υπολογισµό αυτών των συνεπειών, κατά την διάρκεια του σχεδιασµού µιας εφαρµογής. Πρέπει να αναπτύξουµε µια τεχνική η οποία να µην είναι αδικαιολόγητα επαχθής, αλλά να είναι κατανοητή και σχετικά εύκολη για τους σχεδιαστές ώστε να την ενσωµατώσουν στις µελέτες τους. Εάν δεν ισχύει αυτό δεν θα εφαρµοσθεί. O µεγάλος αριθµός των εργασιών που έχουν δηµοσιευθεί για αυτό το θέµα επί 20 χρόνια και η µη εφαρµογή τους σε κάποιο σηµαντικό βαθµό εµφανίζεται να πιστοποιεί την παραπάνω πρόταση. Ο Lewin προτείνει την χρήση των LEM (Lumen Effectiveness Multipliers) Μια τιµή LEM µπορεί να βρεθεί µε διαδικασίες που θα συζητηθούν αργότερα και να εφαρµοσθεί µε απλό τρόπο. LEM είναι ένας συντελεστής που µετατρέπει τα κανονικά φωτοπικά ή αναγραφόµενα lumen σε προσαρµοσµένα lumen για µια συγκεκριµένη εφαρµογή. Τα προσαρµοσµένα lumen θα περιγράφουν ικανοποιητικότερα τις οπτικές συνθήκες που θα δηµιουργηθούν. Στην περιοχή της µεσοπικής όρασης τα µεσοπικά lumen µπορούν εύκολα να υπολογισθούν µε ολοκλήρωση χρησιµοποιώντας µια µεσοπική φασµατική ευαισθησία στη θέση της V(λ). Οπότε ο συντελεστής LEM θα µας δίδεται από την σχέση: ΜΕΣΟΠΙΚΑ _ LUMEN _ ΠΗΓΗΣ ΚΑΘΟΡΙΣΜΕΝΑ _ LUMEN _ HPS LEM = ΚΑΘΟΡΙΣΜΕΝΑ _ LUMEN _ ΠΗΓΗΣ ΜΕΣΟΠΙΚΑ _ LUMEN _ HPS Είναι αυτονόητο ότι η τιµή του LEM θα εξαρτάται από την συνάρτηση φασµατική ευαισθησίας στην µεσοπική περιοχή που θα χρησιµοποιηθεί στην θέση της V(λ). Αναφορικά µε τις διάφορες µεθόδους ανάπτυξης των LEM µπορούµε να σταθούµε στα εξής: εδοµένα που προέρχονται από φωτεινότητες και µεσοπικές συναρτήσεις που συνάγονται από τέτοια δεδοµένα παράγουν πολύ συντηρητικούς LEM, αν συγκριθούν µε δηµοσιευµένα δεδοµένα µη κεντρικής όρασης. εδοµένα βασισµένα στην φωτεινότητα δίνουν τιµές LEM περίπου 2, ενώ δεδοµένα βασισµένα στην οπτική αντιληπτικότητα δίνουν τιµές για τον LEM περίπου 30. Μεσοπικές συναρτήσεις βασισµένες στην ταύτιση λαµπρότητας έχουν αναπτυχθεί και ενόσω δεν υπάρχουν διεθνώς αποδεκτά δεδοµένα, οι ερευνητές βρίσκονται σε ικανοποιητική συµφωνία µεταξύ τους. Οι µεσοπικές συναρτήσεις, όπως έχουν αναπτυχθεί, είναι τυπικά ένας συνδυασµός κεντρικής και µη κεντρικής όρασης. εν είναι γνωστό αν αυτό εξοµοιώνει τον εξωτερικό φωτισµό. Οι µαρτυρίες δείχνουν ότι πολλά ατυχήµατα µπορεί να προκαλούνται από αντικείµενα που αρχικά ανιχνεύθηκαν µε την περιφερειακή όραση. Έτσι λοιπόν, οι µεσοπικές συναρτήσεις που προέρχονται από ταύτιση φωτεινότητας µπορεί να υποβαθµίζουν την φασµατική κατανοµή στις συνθήκες οδήγησης. Ο αριθµός των παραγόντων που κρύβονται πίσω από τα δεδοµένα που βασίζονται στην οπτική αντίληψη, αποτελεί ένα µειονέκτηµα στην χρήση των ερευνητικών αποτελεσµάτων που λήφθηκαν µε αυτή τη µέθοδο. 11

12 Μελέτη φωτισµού δρόµου υπό το πρίσµα της µεσοπικής όρασης Ο κατευθείαν υπολογισµός των φασµατικών κατανοµών νέων πηγών απαιτεί την χρήση µεσοπικών συναρτήσεων, οι οποίες είναι βασισµένες η σε ταύτιση φωτεινότητας ή σε οπτική αντίληψη. 2.7 Lewis Ο Lewis ερεύνησε την οπτική αντιληπτικότητα κάτω από συνθήκες φωτισµού που δηµιουργούν πέντε διαφορετικές πηγές ( High Pressure Sodium, Low Pressure Sodium,Mercury High Pressure και Metal Halide Lamps ) που έχουν διαφορετικές φασµατικές κατανοµές. Έγιναν µετρήσεις µε την βοήθεια πέντε νέων ανθρώπων µεταξύ ετών. Μετρήθηκαν ο χρόνος αντίδρασης και η ευαισθησία αντίθεσης. Τα επίπεδα λαµπρότητας κυµάνθηκαν από 0,1 σε 10 cd/m 2. Με τον όρο µέτρηση ευαισθησίας αντίθεσης εννοούµε την µέτρηση του κατωφλιού αντίθεσης κάτω από διαφορετικές συνθήκες. Μια πρώτη απαίτηση για την ανθρώπινη όραση είναι η ικανότητα να διακρίνει την αντίθεση που δηµιουργείται από την διάφορα φωτεινότητας µεταξύ ενός αντικειµένου και του υποβάθρου. Όταν το κατώφλι αντίθεσης µικραίνει αυτό σηµαίνει ότι ο οφθαλµός είναι ικανός να διακρίνει µικρότερη αντίθεση ή, µε άλλα λόγια, αυξάνεται η ικανότητα προς όραση. Τα αποτελέσµατα έδειξαν ότι τα µικρά µήκη κύµατος εµφανίζονται φωτεινότερα σε χαµηλές λαµπρότητες και έτσι οδηγούν σε υψηλότερη ευαισθησία αντίθεσης και οπτικής οξύτητας. Η επεξεργασία των αποτελεσµάτων οδήγησε στους λεγόµενους πολλαπλασιαστές του Lewis οι οποίοι νοούνται ως οι απαιτούµενοι πολλαπλασιαστές για να παραχθεί ο ίδιος χρόνο αντίδρασης όπως η πηγή metal halide σε επίπεδο 1,0 cd/m Ειδικά προβλήµατα στη µεσοπική όραση Όλα όσα έχουν αναφερθεί µέχρι τώρα συνηγορούν ότι στην φωτοµετρία πολλά πράγµατα δεν έχουν αποσαφηνισθεί πλήρως. Στον ορισµό της V (λ) η φράση «ίσης έντασης φωτεινό αίσθηµα» καθώς το φωτεινό αίσθηµα δεν έχει ορισθεί, µεταφράζεται συνήθως σαν «ίση φωτεινότητα». Φωτεινότητα λέµε την ιδιότητα της οπτικής αίσθησης σύµφωνα µε την οποία µια περιοχή εµφανίζεται να εκπέµπει περισσότερο η λιγότερο φως. Η ίδια η φωτεινότητα δεν µπορεί να υπολογισθεί µε ακρίβεια µε την χρήση της V (λ). Ολόκληρο το φωτοµετρικό σύστηµα βασίζεται στην V (λ). Η V (λ) προϋποθέτει την ισχύ των νόµων του Abney. Έχουµε δει όµως ότι η απόκριση του ανθρώπινου οφθαλµού δεν υπακούει πάντα σε αυτούς τους νόµους. Να υπενθυµίσουµε βέβαια ότι οι φωτοµετρικές µονάδες, µε το τρόπο µε τον οποίο ορίζονται αντικατοπτρίζουν σχεδόν την πραγµατικότητα µόνο στην περιοχή της φωτοπικής όρασης. Στην µεσοπική περιοχή αυτά τα προβλήµατα είναι περισσότερο έντονα. Ένας τρόπος προσέγγισης του προβλήµατος θα ήταν να εκφρασθεί η µεσοπική όραση σαν συνδυασµός σκοτοπικής - φωτοπικής όρασης. Αυτό µπορεί να γίνει θεωρώντας ότι ένα φωτοµετρικό µέγεθος στην µεσοπική περιοχή µπορεί να προκύψει από ένα συνδυασµό όχι κατ ανάγκη γραµµικό των αντιστοίχων φωτοπικών και σκοτοπικών µεγεθών. Κάτι τέτοιο θα απλοποιούσε πολύ τα πράγµατα γιατί για µετρήσεις στην µεσοπική περιοχή θα χρειάζονταν µόνο ένα σκοτοπικό, ένα φωτοπικό φωτόµετρο, και ένας µικρός υπολογιστής, για να µας δώσει την τιµή του µεγέθους στην µεσοπική περιοχή µε βάση την προκαθορισθείσα σχέση. Οι καµπύλες της φασµατικής ευαισθησίας στην µεσοπική περιοχή θα µπορούσαν επίσης να 12

13 Μελέτη φωτισµού δρόµου υπό το πρίσµα της µεσοπικής όρασης παραχθούν από ένα συνδυασµό των φασµατικών ευαισθησιών στην φωτοπική και σκοτοπική περιοχή. Βέβαια υπάρχει ο αντίλογος ότι σε αυτή την προσέγγιση εµπεριέχεται µια αντίφαση. Η φωτοπική συνάρτηση λαµπρότητας συνδέεται µε την οπτική οξύτητα και την διακρισιµότητα ορίων. Η σκοτοπικη συνάρτηση λαµπρότητας συνδέεται µε την φωτεινότητα. Εκφράζοντας λοιπόν την µεσοπική φωτεινότητα µε την χρήση φωτοπικών και σκοτοπικών συναρτήσεων, στην πραγµατικότητα προσπαθούµε να συνδυάσουµε τις περιγραφές δυο διαφορετικών φαινοµένων. 2.9 Η συνάρτηση ευαισθησίας V(λ)" Στην µεσοπική περιοχή δεν έχουµε µια µόνο καµπύλη φασµατικής ευαισθησίας αλλά µια οικογένεια καµπυλών και αυτό διότι η καµπύλη φασµατικής ευαισθησίας του ανθρώπινου οφθαλµού όπως είπαµε εξαρτάται από την λαµπρότητα. Η δυσκολία που παρουσιάζει η πειραµατική µελέτη της µεσοπικής όρασης είναι αρκετά µεγάλη. Έχουν γίνει πολλές µελέτες αλλά ωστόσο από την CIE δεν έχει γίνει αποδεκτή καµία καµπύλη φασµατικής ευαισθησίας του ανθρώπινου οφθαλµού στην περιοχή της µεσοπικής όρασης µε εξαίρεση τις καµπύλες του Kinney που έχουν υιοθετηθεί από αυτή για περαιτέρω µελέτη. Για το λόγο αυτό απαραίτητος είναι ο διαχωρισµός της µεσοπικής περιοχής σε µικρότερες περιοχές, µε βάση την λαµπρότητα και η δηµιουργία καµπυλών φασµατικής ευαισθησίας του µατιού για κάθε περιοχή. Οι καµπύλες αυτές µπορούν να κατασκευαστούν µετά από πειραµατική µελέτη. Σε αντιστοιχία λοιπόν µε τους ορισµούς των φωτοπικών και σκοτοπικών µεγεθών τα αντίστοιχα µεσοπικά µεγέθη θα πρέπει να ορισθούν ως εξής: mes mes Φ = Κ P ( λ ) V ( λ ) dλ L mes mes m e mes mes = Κ L ( λ ) V ( λ ) dλ m e mes όπου V (λ ) είναι η καµπύλη φασµατικής ευαισθησίας στην συγκεκριµένη περιοχή mes λαµπρότητας και Κ m είναι η µέγιστη φασµατική ευαισθησία στην συγκεκριµένη µεσοπική mes mes mes περιοχή και προσδιορίζεται από την σχέση Κ m V (555) = Κ m V k 555 m " =795lm/W. Βασιζόµενοι λοιπόν V(λ)" µετατρέπουµε τη φωτοπική φωτεινή ροή σε µεσοπική από όπου και θα εξάγουµε τα συµπεράσµατα µας για την κάθε λάµπα στη συγκεκριµένη περιοχή λαµπρότητας. Στόχος είναι η δηµιουργία πολλαπλασιαστών τέτοιων ώστε γνωρίζοντας την κατανοµή της ραδιοµετρικής ισχύος σε ένα κοµµάτι του δρόµου να µπορούµε να υπολογίσουµε απευθείας τα προσαρµοσµένα επίπεδα λαµπρότητας που θα απεικονίζουν ακριβότερα την πραγµατικότητα. H τυχαία µεσοπική καµπύλη φαίνεται παρακάτω και προκύπτει από τη κανονικοποιηµένη σχέση: V(λ)"=(3*Υ10(λ)+ V'(λ))/4 13

14 Μελέτη φωτισµού δρόµου υπό το πρίσµα της µεσοπικής όρασης Oι τιµές της συναρτήσεως Y10(λ) (CIE 1964) Oι τιµές της συναρτήσεως V (λ) (σκοτοπική) Οι τιµές της συναρτήσεως V(λ)" (µεσοπική) 14

15 Μελέτη φωτισµού δρόµου υπό το πρίσµα της µεσοπικής όρασης 3. ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΦΩΤΙΣΜΟΥ ΡΟΜΩΝ 3.1 Φωτισµός ως παράµετρος οδικής ασφάλειας Κύριος στόχος του οδικού φωτισµού είναι η βελτίωση του επιπέδου οδικής ασφάλειας και κατά συνέπεια η µείωση του αριθµού των οδικών ατυχηµάτων, των θανάτων και των τραυµατιών από αυτά. Κατά την κυκλοφορία των οχηµάτων µε µεγάλες ταχύτητες η ζωή των επιβατών των οχηµάτων εξαρτάται από την καλή ορατότητα, η οποία θα εξασφαλίσει στον οδηγό τη δυνατότητα να αντιληφθεί έγκαιρα τυχόν εµπόδια και θα µπορέσει να αντιδράσει και να κάνει τους σωστούς ελιγµούς για να τα αποφύγει. Η καλή ορατότητα τη νύχτα µπορεί να επιτευχθεί µε την εγκατάσταση ικανοποιητικού τεχνητού φωτισµού. Ένα συµπέρασµα µιας µελετών έχει δείξει ότι ο συνολικός αριθµός των ατυχηµάτων αλλά και η σοβαρότητα αυτών µειώνεται µε τη βελτίωση του τεχνητού φωτισµού. Έτσι, πολλές µελέτες ατυχηµάτων «πριν και µετά» (before-after studies) τη βελτίωση του οδικού φωτισµού έχουν δείξει ότι η βελτίωση αυτή έχει σαν αποτέλεσµα τη µείωση των ατυχηµάτων κατά τη διάρκεια της νύχτας. Για παράδειγµα σε µια έρευνα (P.P. Scott) η οποία εξέτασε τις επιδράσεις της µετατροπής της ποιότητας του φωτισµού σε στεγνές οδούς δύο λωρίδων κυκλοφορίας κατέληξε στο συµπέρασµα ότι µια αύξηση στη µέση λαµπρότητα του οδοστρώµατος κατά 1cd/m 2 είχε ως αποτέλεσµα µια µείωση κατά 35% στο λόγο των ατυχηµάτων κατά τη νύχτα προς τον αριθµό των ατυχηµάτων κατά την ηµέρα. Παρόµοιες µελέτες στη Μ. Βρετανία δείχνουν ότι µε την εγκατάσταση οδικού φωτισµού επέρχεται µείωση στα ατυχήµατα κατά τη διάρκεια της νύχτας κατά 30%. Όσον αφορά στις ελεύθερες λεωφόρους, αποτελέσµατα σχετικών µελετών δείχνουν ότι σε περιοχές όπου απαιτούνται πολύπλοκοι χειρισµοί και συµπληρώνονται υψηλοί κυκλοφοριακοί φόρτοι η επιρροή του φωτισµού στην οδική ασφάλεια είναι ιδιαίτερα σηµαντική. 3.2 Βασικές θεµελιώδεις έννοιες Για την πληρέστερη παρουσίαση της παρούσης διπλωµατικής εργασίας θεωρείται σκόπιµο να δοθούν κάποιες βασικές έννοιες που χρησιµοποιούνται στον σχεδιασµό και την εγκατάσταση του οδικού φωτισµού. Οι έννοιες αυτές είναι η Φωτεινή ένταση, η Φωτεινή ροή, η Ισχύς Φωτισµού, η Λαµπρότητα, η Οµοιοµορφία λαµπρότητας, η Θάµβωση και η Ανάκλαση. Πιο αναλυτικά έχουµε: 1. Φωτεινή ένταση (Luminous Intensity, I). Είναι η φωτεινή ροή ανά µονάδα στερεάς γωνίας, από µια δεδοµένη πηγή σε µια δεδοµένη κατεύθυνση. Περιγράφει τη δύναµη µιας πηγής να παρέχει φως (δύναµη κεριού) προς πάσα κατεύθυνση. Η µονάδα µέτρησης είναι το candela (cd), όπου 1 candela ισούται µε 1lumen/steradian. 2. Φωτεινή ροή (Luminous Flux). Αποτελεί την ακτινοβολούµενη ενέργεια (φως) που εκπέµπεται από µία πηγή ή λαµβάνεται από µια επιφάνεια, ασχέτως των διευθύνσεων κατά τις οποίες αυτό κατανέµεται. Η µονάδα µέτρησης της φωτεινής ροής είναι το lumen (lm), το οποίο είναι η ροή που εκπέµπεται από µια στερεά γωνία 1 steradian από µία σηµειακή πηγή, η οποία έχει οµοιόµορφη φωτεινή ένταση 1 candela. 3. Φωτισµός, Ισχύς φωτισµού (Illuminance, E). Ορίζεται ως η πυκνότητα της φωτεινής ροής, δηλαδή η φωτεινή ροή ανά µονάδα επιφάνειας. Η µονάδα µέτρησης είναι το lux (lx), όπου 1lux=1lumen/m 2. Είναι το µέτρο της ακτινοβολίας η οποία προσπίπτει στο οδόστρωµα. 15

16 Μελέτη φωτισµού δρόµου υπό το πρίσµα της µεσοπικής όρασης 4. Λαµπρότητα (Luminance, L). Ορίζεται ως το πηλίκο L=I/S όπου Ι η ένταση της φωτεινής πηγής και S η επιφάνειά της. Είναι λοιπόν η φωτεινή ένταση που ανακλάται από µια µοναδιαία επιφάνεια σε µια καθορισµένη κατεύθυνση. Σε αντίθεση µε την Ισχύ φωτισµού, η οποία εκφράζει την ποσότητα φωτεινής ροής που προσπίπτει στο οδόστρωµα, η Λαµπρότητα είναι το µέτρο της ποσότητας της φωτεινής έντασης, η οποία ανακλάται από το οδόστρωµα προς το µάτι του παρατηρητή. Η µονάδα µέτρησης είναι το candela ανά τετραγωνικό µέτρο (cd /m 2 ). Επειδή το µέγεθος της λαµπρότητας περιγράφει την πραγµατική κατάσταση ενός δρόµου, καθώς εξετάζει την ακτινοβολία που προέρχεται από ανάκλαση στο οδόστρωµα µε κατεύθυνση προς το µάτι του παρατηρητή, καθιστώντας το οδόστρωµα ορατό, θεωρείται το αντικειµενικό µέτρο και το πιο σηµαντικό κριτήριο για το φωτισµό του οδικού δικτύου. 5. Οµοιοµορφία λαµπρότητας (Uniformity, U). Για να είναι ένα αντικείµενο ορατό πάνω στο οδόστρωµα πρέπει η κατανοµή της λαµπρότητας σε αυτό να είναι οµοιόµορφη. Η οµοιοµορφία εκφράζεται είτε για διεύθυνση κάθετη στη διεύθυνση του παρατηρητή (εγκάρσια οµοιοµορφία) είτε για διεύθυνση που συµπίπτει µε τη διεύθυνση του παρατηρητή (διαµήκης οµοιοµορφία). ιακρίνονται τρεις συντελεστές οµοιοµορφίας: Γενικός συντελεστής οµοιοµορφίας Uo, ο οποίος ορίζεται ως ο λόγος L min /L med, ή L min /L max, όπου L min, L med, L max η ελάχιστη, µέση και η µέγιστη αντίστοιχα λαµπρότητα στο σύνολο της εξεταζόµενης επιφάνειας. Συντελεστής διαµήκους ακτινοβολίας U l, ο οποίος ορίζεται ως ο µικρότερος λόγος Lmin/Lmax σε ευθείες παράλληλες προς τον άξονα της οδού. Η ανεπαρκής διαµήκης οµοιοµορφία βλάπτει την άνεση και την ασφάλεια. Συντελεστής εγκάρσιας οµοιοµορφίας U v, ο οποίος ορίζεται ως ο µικρότερος λόγος Lmin/Lmax σε ευθείες κάθετες προς τον άξονα της οδού. καλή εγκάρσια οµοιοµορφία επιτρέπει στον οδηγό να διακρίνει µε ευκρίνεια την επιφάνεια της οδού σο όλο της το πλάτος. 6. Θάµβωση (Glare, G). Θάµβωση δηµιουργείται όταν οι συνθήκες ορατότητας είναι τέτοιες ώστε κάποιος να αισθάνεται ενόχληση και µείωση της ικανότητας να διακρίνει αντικείµενα εξαιτίας της µη κατάλληλης κατανοµής της λαµπρότητας ή εξαιτίας υπερβολικών αντιθέσεων λαµπρότητας. Η θάµβωση παρουσιάζεται σε τρεις µορφές: την απόλυτη θάµβωση, την ψυχολογική θάµβωση ή θάµβωση ενόχλησης και την φυσιολογική θάµβωση ή θάµβωση ανικανότητας. 7. Ανάκλαση (Reflectance). Ως ανάκλαση ορίζεται ο λόγος της ροής που ανακλάται από µία επιφάνεια προς τη ροή που προσπίπτει σε αυτήν την επιφάνεια. Μια σηµαντική διευκόλυνση στον υπολογισµό της λαµπρότητας κατά το σχεδιασµό µιας εγκατάστασης φωτισµού αποτελεί ένα σύστηµα ταξινόµησης των επιφανειών των δρόµων ανάλογα µε τις ιδιότητες ανάκλασης που παρουσιάζουν µε βάση περιγραφικές παραµέτρους. Ένα τέτοιο σύστηµα ταξινόµησης δίνει τη δυνατότητα για δεδοµένο τύπο λαµπροτήτων να υπολογίζονται οι φωτοµετρικοί παράγοντες όπως η λαµπρότητα, η οµοιοµορφία της λαµπρότητας και ο περιορισµός της θάµβωσης, καλύπτοντας όλες τις στεγνές επιφάνειες του δρόµου. Ένα σύστηµα κατάταξης των επιφανειών των δρόµων σύµφωνα µε τη ιεθνή Επιτροπή Φωτισµού (CIE) οµαδοποιεί τις διάφορες επιφάνειες ανάλογα µε την τιµή του κατοπτρικού συντελεστή S1. Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται τα όρια κάθε κατηγορίας στο Σύστηµα κατάταξης στεγνών οδοστρωµάτων R. 16

17 Μελέτη φωτισµού δρόµου υπό το πρίσµα της µεσοπικής όρασης Κατηγορία Πίνακας προτύπων τιµών Όρια S1 Τιµές Q o Είδος ανακλάσεως RI R1 S1< ιάχυτος RII R S1< Ελαφρώς διάχυτος RIII R S1< Ελαφρώς κανονική RIV R S Κανονική Ένα άλλο σύστηµα κατάταξης των επιφανειών των δρόµων σύµφωνα µε τη ιεθνή Επιτροπή Φωτισµού (CIE) οµαδοποιεί τις διάφορες επιφάνειες ανάλογα µε την τιµή του κατοπτρικού συντελεστή S1 όπως αυτός ορίζεται στις δηµοσιεύσεις της CIE CIE :Road Surfaces and Lighting. Επιφάνειες δρόµου µε τιµές µικρότερες του 0.4 ανήκουν στην πρώτη κλάση (CI), ενώ οι επιφάνειες µε τιµές ίσες ή µεγαλύτερες από 0.4 ανήκουν στη δεύτερη κλάση (CII). 3.3 Τύποι συστηµάτων φωτισµού Το φως που παράγεται από τους λαµπτήρες µπορεί να κατευθυνθεί προς το οδόστρωµα µε δύο διαφορετικούς τρόπους: Με κατανοµή ακτινοβολιών σε µία κατεύθυνση (unidirectional) Με κατανοµή ακτινοβολιών σε δύο κατευθύνσεις (bidirectional) Ειδικότερα και σχετικά µε τον δεύτερο τρόπο κατανοµής µε τον οποίο και θα ασχοληθούµε αναφέρονται τα εξής: Τα συστήµατα κατανοµής ακτινοβολιών σε δύο κατευθύνσεις διαχωρίζονται σε συµµετρικά συστήµατα (symmetric lighting) και ασύµµετρα συστήµατα. Τα συµµετρικά συστήµατα φωτισµού µπορούν να θεωρηθούν ως συµβατικός φωτισµός και είναι και αυτός που θα χρησιµοποιήσουµε και πάνω στον οποίο θα βασιστούµε στην παρούσα διπλωµατική εργασία. Υπάρχει µια σηµαντική διεθνής εµπειρία γι αυτόν τον τύπο κατανοµής και είναι στις περισσότερες χώρες το προτιµότερο σύστηµα φωτισµού. Μπορεί να χρησιµοποιηθεί µε όλους τους τύπους λαµπτήρων. Ανάλογα µε την ανακλαστικότητα του αντικειµένου που βρίσκεται µπροστά, αυτό γίνεται ορατό είτε ως ένα σκοτεινό αντικείµενο σε ένα φωτεινό περιβάλλον (αρνητική αντίθεση), είτε ως φωτεινό αντικείµενο σε σκοτεινό περιβάλλον (θετική αντίθεση). Παρόλα αυτά αντικείµενα µε ανακλαστικότητα που κυµαίνεται από χαρακτηρίζονται από µια 17

18 Μελέτη φωτισµού δρόµου υπό το πρίσµα της µεσοπικής όρασης αντίθεση µεταξύ των τιµών 0.2 και +0.2, οι οποίες είναι κάτω από την κρίσιµη τιµή αντίθεσης για την ορατότητα. Σε αυτήν την περίπτωση το αντικείµενο είναι διακριτό στο περιβάλλον λαµπρότητας του οδοστρώµατος. Στην πράξη τα αντικείµενα είναι πιο πολύπλοκα, µε καµπύλες, διαφορετική υφή και γυαλιστερές επιφάνειες. Κάτω από αυτές τις πραγµατικές συνθήκες είναι πιθανό τουλάχιστον ένα τµήµα του αντικειµένου να έχει επαρκή αντίθεση λαµπρότητας για να γίνει ορατό από τον οδηγό. Τα ασύµµετρα συστήµατα µπορούν να χωρισθούν σε αυτά που η κύρια δέσµη ακτινοβολιών κατευθύνεται προς τον οδηγό (counterbeam lighting) και σε αυτά που η κύρια δέσµη έχει την ίδια κατεύθυνση µε αυτή της κυκλοφορίας (pro-beam lighting). Συνήθως µε τη χρήση του όπου ασύµµετρος εννοούµε το φωτισµό κατά τον οποίο το φως κατευθύνεται κατά το µεγαλύτερο ποσοστό στην αντίθετη προς τη ροή των οχηµάτων κατεύθυνση. Η µέθοδος αυτή φωτισµού προέρχεται από την Ελβετία και χρησιµοποιείται συχνά σε Γερµανία, Αυστρία, Γαλλία, Ιταλία και Ολλανδία λόγω των οικονοµικών και περιβαλλοντικών πλεονεκτηµάτων που το χαρακτηρίζουν. Από µια συνολική συγκριτική θεώρηση του ασύµµετρου και του συµµετρικού φωτισµού εξάγονται τα παρακάτω συµπεράσµατα: Τα ανακλαστικά χαρακτηριστικά της επιφάνειας του δρόµου προσφέρουν τη µέγιστη λαµπρότητα για τον ασύµµετρο φωτισµό για ίσο οριζόντιο φωτισµό. Η οπτική καθοδήγηση, δηλαδή τα µέσα µε τα οποία υποδεικνύεται η πορεία της διεύθυνσης του δρόµου, είναι καλύτερη για τον ασύµµετρο φωτισµό, καθώς οι πηγές του φωτός είναι πιο εµφανείς. Ο ασύµµετρος φωτισµός προκαλεί µεγαλύτερο κίνδυνο θάµβωσης. Ο συµµετρικός φωτισµός επιτυγχάνει καλύτερη οµοιοµορφία της λαµπρότητας της επιφάνειας του οδοστρώµατος. Στο συµµετρικό φωτισµό απαιτούνται περισσότεροι λαµπτήρες και συνεπώς πιο περίπλοκα συστήµατα τροφοδότησης και ελέγχου, καθώς και µεγαλύτερο κόστος συντήρησης. Το ασύµµετρο σύστηµα φωτισµού αποδείχθηκε πιο οικονοµικό όσον αφορά στην κατανάλωση ενέργειας, καθώς επιτρέπει τη χρήση λαµπτήρων µικρότερης ροής. 3.4 Γενικές αρχές οδικού φωτισµού - Προδιαγραφές Ο οδικός φωτισµός πρέπει να περιέχει ασφάλεια και άνεση σε κάθε χρήστη του δρόµου. Πιο συγκεκριµένα ο χρήστης της οδού θα πρέπει να µπορεί να βλέπει τη µορφή του δρόµου, να εντοπίζει και να αναγνωρίζει εγκαίρως και µε βεβαιότητα κάθε ειδική σήµανση και κάθε εµπόδιο. Σύµφωνα µε τις συστάσεις τις ιεθνούς Επιτροπής Φωτισµού (CIE ) τα θεµελιώδη κριτήρια ποιότητας για καλή εφαρµογή οδικού φωτισµού είναι: Η µέση λαµπρότητα Η οµοιοµορφία λαµπρότητας Ο περιορισµός της θάµβωσης Ο φωτισµός του περιβάλλοντος χώρου Η οπτική καθοδήγηση Ανάλογα µε την κατάσταση και το ρόλο του δρόµου διαµορφώθηκαν κλάσεις φωτισµού, οι οποίες παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα. 18

19 Μελέτη φωτισµού δρόµου υπό το πρίσµα της µεσοπικής όρασης Περιγραφή του δρόµου ρόµοι ταχείας κυκλοφορίας µε διαχωρισµένα οδοστρώµατα, χωρίς ισόπεδες διασταυρώσεις και µε ολοκληρωµένο έλεγχο προσέγγισης: Αυτοκινητόδροµοι Πυκνότητα και πολυπλοκότητα κυκλοφορίας: Υψηλή Μέση Χαµηλή ρόµοι ταχείας κυκλοφορίας, µε διπλό κατάστρωµα οδού Έλεγχος κυκλοφορίας και διαχωρισµός των διαφορετικών χρηστών της οδού: Φτωχός Καλός Σηµαντικές αστικές αρτηρίες, δρόµοι διανοµής της κυκλοφορίας Έλεγχος κυκλοφορίας και διαχωρισµός των διαφορετικών χρηστών της οδού: Φτωχός Καλός Συνδετήριες, µικρότερης σηµασίας οδοί, συλλέκτριες οδοί, τοπικοί οδοί Έλεγχος κυκλοφορίας και διαχωρισµός των διαφορετικών χρηστών της οδού Φτωχός Καλός Κλάση Φωτισµού Μ1 Μ2 Μ3 Μ1 Μ2 Μ2 Μ3 Μ4 Μ5 Η πολυπλοκότητα της µορφής του δρόµου αναφέρεται στην κατασκευή, στις επιτρεπόµενες κινήσεις κυκλοφορίας και στον περιβάλλοντα χώρο. Παράµετροι που πρέπει να ληφθούν υπόψη είναι: Ο αριθµός των λωρίδων κυκλοφορίας και η κλίση του δρόµου Η σήµανση Οι ράµπες εισόδου-εξόδου Ο έλεγχος της κυκλοφορίας αναφέρεται στην παρουσία σήµανσης και σηµατοδότησης και στην ύπαρξη ρύθµισης. Μέθοδοι ελέγχου είναι: οι σηµατοδότες, οι κανόνες προτεραιότητας, η σήµανση και η διαγράµµιση του δρόµου. Όπου τα παραπάνω απουσιάζουν ή είναι αραιά τότε ο έλεγχος της κυκλοφορίας θεωρείται φτωχός και το αντίθετο. Ο διαχωρισµός µπορεί να είναι µέσω του περιορισµού της χρήσης από κάποιους τύπους κυκλοφορίας ή µε τον καθορισµό των λωρίδων για κάθε κίνηση. Όταν υπάρχει διαχωρισµός µπορεί να θεωρηθεί µικρό επίπεδο φωτισµού. ιάφοροι τύποι χρηστών της οδού είναι για παράδειγµα, Ι.Χ. επιβατικά, φορτηγά, λεωφορεία, ποδήλατα, πεζοί. Οι απαιτήσεις φωτισµού τώρα για τη µηχανοκίνητη κυκλοφορία δίνονται στον παρακάτω πίνακα. 19

20 Μελέτη φωτισµού δρόµου υπό το πρίσµα της µεσοπικής όρασης Κλάση φωτισµού Όλοι οι δρόµοι Μέση λαµπρότητα L av (cd/m 2 ) (ελάχιστη τιµή) Όλοι οι δρόµοι Συνολική οµοιοµορφία U o (ελάχιστη τιµή) Έκταση Εφαρµογής Όλοι οι ρόµοι µε δρόµοι λίγες ή χωρίς TI(%) Μέγιστη (αρχική τιµή) διασταυρώσεις ιαµήκης οµοιοµορφία U l (ελάχιστη τιµή) ρόµοι µε διαβάσεις πεζών Λαµπρότητα περιβάλλοντα χώρου SR (ελάχιστη τιµή) Μ Μ Μ Μ NR NR Μ NR NR Στην παρούσα διπλωµατική εργασία θα µελετήσουµε τον φωτισµό αστικού δρόµου µε µέση ή αραιή κίνηση και µε ανάκλαση επί της ασφάλτου ελαφρώς διάχυτη (Q o =0.070). Για τα δεδοµένα αυτά επιλέγουµε την κλάση φωτισµού Μ2 που έχει καθοριστεί από την C.I.E.. 20

21 Μελέτη φωτισµού δρόµου υπό το πρίσµα της µεσοπικής όρασης 4. ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΦΩΤΟΠΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΕΣΟΠΙΚΩΝ ΜΕΓΕΘΩΝ 4.1 Μελέτη φωτισµού µε βάση την φωτοπική όραση Για να έχουµε την δυνατότητα να µελετήσουµε διεξοδικότερα το πεδίο το οποίο διαπραγµατευόµαστε, θα χρησιµοποιήσουµε 5 διαφορετικά φωτιστικά. Με τον τρόπο αυτό θα µας δοθεί η ευκαιρία τόσο να συγκρίνουµε αποτελέσµατα όσο και να δούµε από τεχνική σκοπιά την βέλτιστη λύση. Παρακάτω δίνονται οι 5 τύποι φωτιστικών. SGS501 1xHPL-N125W SGS306 P.1 1xSON-TP250W SGS501 T 1xCDM-T150W/830 FRS201/140 1xPL-L40W/830 SDP252/135 1xSOX135W Τα φωτιστικά σώµατα ανήκουν στην οικογένεια φωτιστικών της Philips και τα κωδικά ονόµατα των λαµπών δίνονται στη συνέχεια. High Pressure Mercury High Pressure Sodium Metal Halide Compact Fluorescent Low Pressure Sodium : HPL : SON : CDM/HPI/MHN : PL-L : SOX 21

22 Μελέτη φωτισµού δρόµου υπό το πρίσµα της µεσοπικής όρασης Μελέτη φωτισµού µε το φωτιστικό SGS501 1xHPL-N125W 22

23 1. Project Description D Project Overview A A A A Z Y X A SGS501

24 1.2 Top Project Overview Y(m) A A A X(m) A SGS501 Scale 1:150

25 1.3 Front Project Overview Z(m) A A X(m) A SGS501 Scale 1:75

26 2. Overview of Schemes The overall maintenance factor used for this project is Code A Luminaire Type SGS501 Lamp Type 1 * HPL-N125W Power (W) Flux (lm) 1 * 6200 Unit Carriageway Road Width m Number of Lanes Reflection Table Q0 of Table Luminaire Code Installation Height m Spacing m Overhang m Tilt90 deg L ave cd/m2 L min/ave Ul-1 Ul-2 TI % SR-left SR-right Scheme 1 Single Carriageway Concrete CIE R A Staggered

27 3. Summary 3.1 Main Road Luminaire Type : SGS501 Lamp Type : 1 * HPL-N125W Lamp Flux : 6200 lumen Tilt90 (T) : 2.0 deg Project Maintenance Factor : 1.00 T S H S O W Carriageway : Single Carriageway Road Width (W) : 7.50 m Number of Lanes : 2 Reflection Table : Concrete CIE R2 Q0 of Table : Installation : Staggered Height (H) : 8.00 m Spacing (S) : m Overhang (O) : 1.00 m Luminance Average = 1.52 cd/m2 Minimum/Average = 0.72 Ul-1 ( 1.88,-60.00, 1.50) = 0.91 Ul-2 ( 5.63,-60.00, 1.50) = 0.91 Glare TI ( 5.63,-40.86, 1.50) = 7.7 % Surround Ratios SR-Left = 0.57 SR-Right = 0.57

28 4. Calculation Results 4.1 Main L: Textual Table Grid : Main at Z = 0.00 m Calculation : Luminance towards Main Observer (5.63, , 1.50) (cd/m2) Road Surface : Concrete CIE R2 with Q0 = X (m) Y (m) > < Average Min/Ave Min/Max Project maintenance factor

29 4.2 Main L: Graphical Table Grid : Main at Z = 0.00 m Calculation : Luminance towards Main Observer (5.63, , 1.50) (cd/m2) Road Surface : Concrete CIE R2 with Q0 = Y(m) A A A X(m) A SGS501 Average Min/Ave Min/Max Project maintenance factor Scale 1:150

30 Main L: Iso Contour Grid : Main at Z = 0.00 m Calculation : Luminance towards Main Observer (5.63, , 1.50) (cd/m2) Road Surface : Concrete CIE R2 with Q0 = Y(m) A A A X(m) A SGS501 Average Min/Ave Min/Max Project maintenance factor Scale 1:150

31 4.4 Main L: Filled Iso Contour Grid : Main at Z = 0.00 m Calculation : Luminance towards Main Observer (5.63, , 1.50) (cd/m2) Road Surface : Concrete CIE R2 with Q0 = Y(m) A A A X(m) A SGS501 Average Min/Ave Min/Max Project maintenance factor Scale 1:150

32 4.5 Main L: Mountain Plot Grid : Main at Z = 0.00 m Calculation : Luminance towards Main Observer (5.63, , 1.50) (cd/m2) Road Surface : Concrete CIE R2 with Q0 = X(m) Y(m) Average Min/Ave Min/Max Project maintenance factor

33 5. Luminaire Details 5.1 Project Luminaires SGS501 1xHPL-N125W Luminous 120 o Intensity 150 o Diagram(candela/ o 150 o lumen) 120 o 90 o 90 o 60 o 60 o Light output ratios DLOR : 0.70 ULOR : 0.01 TLOR : 0.71 Ballast : Standard Lamp flux : 6200 lm Luminaire wattage : W Measurement code : LVM Note: This luminaire is a special version of the mentioned measurement code. 30 o 250 C = 180 o 0 o 30 o C = 0 o C = 270 o C = 90 o C = 195 o Imax C = 15 o

34 Μελέτη φωτισµού δρόµου υπό το πρίσµα της µεσοπικής όρασης Μελέτη φωτισµού µε το φωτιστικό SGS306 P.1 1xSON-TP250W 34

35 1. Project Description D Project Overview B B B Z Y X B SGS306 P.1

36 1.2 Top Project Overview Y(m) B B B X(m) B SGS306 P.1 Scale 1:400

37 1.3 Front Project Overview Z(m) B B X(m) B SGS306 P.1 Scale 1:75

38 2. Overview of Schemes The overall maintenance factor used for this project is Code B Luminaire Type SGS306 P.1 Lamp Type 1 * SON-TP250W Power (W) Flux (lm) 1 * Unit Carriageway Road Width m Number of Lanes Reflection Table Q0 of Table Luminaire Code Installation Height m Spacing m Overhang m Tilt90 deg L ave cd/m2 L min/ave Ul-1 Ul-2 TI % SR-left SR-right Scheme 1 Single Carriageway Concrete CIE R B Staggered

39 3. Summary 3.1 Main Road Luminaire Type : SGS306 P.1 Lamp Type : 1 * SON-TP250W Lamp Flux : lumen Tilt90 (T) : 2.0 deg Project Maintenance Factor : 1.00 T S H S O W Carriageway : Single Carriageway Road Width (W) : 7.50 m Number of Lanes : 2 Reflection Table : Concrete CIE R2 Q0 of Table : Installation : Staggered Height (H) : m Spacing (S) : m Overhang (O) : 1.00 m Luminance Average = 3.38 cd/m2 Minimum/Average = 0.61 Ul-1 ( 1.88,-60.00, 1.50) = 0.71 Ul-2 ( 5.63,-60.00, 1.50) = 0.71 Glare TI ( 5.63,-85.85, 1.50) = 5.3 % Surround Ratios SR-Left = 0.63 SR-Right = 0.63

40 4. Calculation Results 4.1 Main L: Textual Table Grid : Main at Z = 0.00 m Calculation : Luminance towards Main Observer (5.63, , 1.50) (cd/m2) Road Surface : Concrete CIE R2 with Q0 = X (m) Y (m) > < Average Min/Ave Min/Max Project maintenance factor

41 4.2 Main L: Graphical Table Grid : Main at Z = 0.00 m Calculation : Luminance towards Main Observer (5.63, , 1.50) (cd/m2) Road Surface : Concrete CIE R2 with Q0 = Y(m) B B B X(m) B SGS306 P.1 Average Min/Ave Min/Max Project maintenance factor Scale 1:400

42 Main L: Iso Contour Grid : Main at Z = 0.00 m Calculation : Luminance towards Main Observer (5.63, , 1.50) (cd/m2) Road Surface : Concrete CIE R2 with Q0 = Y(m) B B B X(m) B SGS306 P.1 Average Min/Ave Min/Max Project maintenance factor Scale 1:400

43 4.4 Main L: Filled Iso Contour Grid : Main at Z = 0.00 m Calculation : Luminance towards Main Observer (5.63, , 1.50) (cd/m2) Road Surface : Concrete CIE R2 with Q0 = Y(m) B B B X(m) B SGS306 P.1 Average Min/Ave Min/Max Project maintenance factor Scale 1:400

44 4.5 Main L: Mountain Plot Grid : Main at Z = 0.00 m Calculation : Luminance towards Main Observer (5.63, , 1.50) (cd/m2) Road Surface : Concrete CIE R2 with Q0 = X(m) Y(m) Average Min/Ave Min/Max Project maintenance factor

45 5. Luminaire Details 5.1 Project Luminaires SGS306 P.1 1xSON-TP250W Luminous 120 o Intensity 150 o Diagram(candela/ o 150 o lumen) 120 o 90 o 90 o 60 o 60 o Light output ratios DLOR : 0.77 ULOR : 0.00 TLOR : 0.77 Ballast : Standard Lamp flux : lm Luminaire wattage : W Measurement code : LVM Note: This luminaire is a special version of the mentioned measurement code. 30 o 500 C = 180 o 0 o 30 o C = 0 o C = 270 o C = 90 o C = 355 o Imax C = 175 o

46 Μελέτη φωτισµού δρόµου υπό το πρίσµα της µεσοπικής όρασης Μελέτη φωτισµού µε το φωτιστικό SGS501 T 1xCDM-T150W/830 46

47 1. Project Description D Project Overview C C C Z Y X C SGS501 T

48 1.2 Top Project Overview Y(m) C C C X(m) C SGS501 T Scale 1:400

49 1.3 Front Project Overview Z(m) C C X(m) C SGS501 T Scale 1:75

50 2. Overview of Schemes The overall maintenance factor used for this project is Code C Luminaire Type SGS501 T Lamp Type 1 * CDM-T150W Power (W) Flux (lm) 1 * Unit Carriageway Road Width m Number of Lanes Reflection Table Q0 of Table Luminaire Code Installation Height m Spacing m Overhang m Tilt90 deg L ave cd/m2 L min/ave Ul-1 Ul-2 TI % SR-left SR-right Scheme 1 Single Carriageway Concrete CIE R C Staggered