Technika: hogyan lássunk rosszul másképp?

A modern LED lámpák előnyei vitathatatlanok: nagy teljesítmény, gazdaságosság és fantasztikus rugalmasság a dizájn és más szempontokból. Az útra vetített fénymennyiség növekedtével – annak minden biztonsági előnye mellett – természetesen a közelben tartózkodókat érő vakítás is megnövekedett.

Természetesen?

Igen. Ez a probléma ugyanazon érem két oldala: nincs mese, ha gyorsabb autózást, több fényt, és nagyobb biztonságot akarunk, ezt el kell fogadni – mondja a közismert narratíva. Ha azonban megnézzük, hogy a vakítás vagy káprázás milyen hatásra jön létre, kiderül, hogy a kibocsátott fény összmennyisége (fényáram) ebben ugyan szerepet játszik, de csak egy a sok közül. Ráadásul ezek a tényezők külön-külön is manipulálhatóak, a technika fejlődésével számos új lehetőséget adva a vakítás csökkentésére. Ehelyett a modern fényforrások autóipari alkalmazásai olyan komponenseket is kedvezőtlen irányba mozdítottak a káprázást illetően, melyeknek semmilyen előnye nincs (a vezető számára sem). Tehát nem, a vakításban észlelhető negatív változás nem természetes, vagy törvényszerű következménye a jobb láthatóság felé fejlődő világításnak. Ebben a cikkben a „fölösleges” vakításhoz hozzájáruló két legfontosabb tényezőt járom kicsit körül: a fénysűrűség és spektrális (szín-) összetétel kérdéseit. Van még sok egyéb is, de hát valahol el kell kezdeni.

Kezdjük is mindjárt az előzményekkel: a Totalcar több alkalommal is foglalkozott fényszórók vetített képének elemzésével, mellyel jól körül lehet írni, hogy milyen lámpával kb. mit fog látni a sofőr. Hasonló mérések állnak a legtöbb szervezet káprázásra vonatkozó becslése, termék-bírálatai és a főbb törvényi szabályzás kritériumai mögött is. Ezek azonban a káprázás tényezői közül csak egy dolgot mérnek – így annak átfogó becslésére csak korlátozottan alkalmasak. Hogy miért?

Mert a méret (is) számít

A káprázást nem csupán az okozza, hogy mennyi fény esik egy adott célfelületre. Egyik legfontosabb faktora például a forrás fénysűrűsége (a fény intenzitása adott területen, adott irányból nézve). De jöjjön egy kis magyarázat: ugyanazon végeredmény a célfelületen (vetített kép) elérhető nagyobb és kisebb felületről kibocsátott fénnyel – melyek közül az utóbbi arányosan nagyobb fénysűrűséghez, és ez által erőteljesebb káprázáshoz/vakításhoz vezet. (Magyarán: ugyanazt el lehet érni kisebb és nagyobb kilépő felületű lámpával, és a kisebb felületen kilépő fénymennyiség nagyobb káprázást okoz.) Ez a hatás csak olyan esetekben elhanyagolható, ahol a méretkülönbséget a szemünk már képtelen feldolgozni.

Egy egyszerű példa a fenti képen: két világítótest két teljesen azonos fénykört vetít adott távolságból. A kisebb világítótest fénysűrűsége azonban arányosan nagyobb, így jobban vakít, ha szembenézünk vele (minden olyan távolságból, ahonnét a két forrás méretének különbsége jelentős – tipikus régi vs. új autólámpák példájánál maradva ez legalább 30, de inkább 100+ méter). Ez a káprázás becslésére szolgáló egyenletekben is megmutatkozik: a fénysűrűség négyzetesen járul hozzá a végeredményhez! Vagyis kétszeres fénysűrűség négyszer zavaróbb.

Oké, tehát ugyanaz a fényforrás jobban fog vakítani, ha egy kicsi vetítőlencse mögé kerül, mint ha egy régi, nagy reflektorú lámpában foglal helyet, függetlenül attól, hogy az útra vetített fény hogyan néz ki a vezető szemszögéből (pl. akár ugyanúgy is kinézhet). De hogy jön ez a ledhez? Hogy különbözhet a világítótest mérete, ha ugyanazon vetítőlencse mögött halogén vagy led forrás van? (És ha a pozíció stimmel, miért ne lehetne a kettőt csak úgy kicserélni?)

A kérdések mindegyikére a válasz a két fényforrás térbeli intenzitás-eloszlásának különbségében keresendő. Vessünk tehát egy pillantást arra, hogy hogyan terjed tova a fény a térben az egyik, illetve másik esetben. Ha a fényforrás felülete gömbölyű, a fény minden irányban egyenletesen terjed. A kibocsátott fény gyakorlatilag egy egyre táguló gömb, így az, hogy egy pontban mennyi fényt találunk, kizárólag a forrástól mért távolság (négyzetes) függvénye. Ebbe a típusba tartozik az összes égitest (például a Nap), a halogén, a neoncső, a fémhalogén források, a satöbbi.

Velük szemben van két fényforrás, melyek felülete lapos: a led és a lézer. Itt a fény egy alapvetően más mintázat, a Lambert-féle koszinusztörvénynek megfelelő eloszlás szerint távozik. Vagyis a fény a chip közepére állított merőleges mentén a legintenzívebb, és ettől minél nagyobb szögben eltávolodunk, annál kevesebb fényt találunk. Képzeljük el úgy, hogy a kibocsátott fény alakja nem gömb, hanem egy előrefelé elnyújtott, csúcsos forma.

Ha tehát a két fényforrás elé teszünk egy-egy zsírpapírt (vagy mondjuk vetítőlencsét), azon az intenzitás-eloszlás másképp néz ki: a halogén esetében meglehetősen homogén, míg a LED-nél középen van egy fényes pont, körülötte pedig fokozatosan halványabb.

Egy autó lámpájában persze számos optikai elem (reflektor és lencse) módosítja a fény útját. Fontos megjegyezni azonban, hogy a klasszikus optikai elemek az intenzitás-eloszlást csak terelgetni és nyújtani/tömöríteni tudják, tehát az itt illusztrált alapvető különbség a két mintázat közt megmarad. Ismételten: ez a probléma nem arról szól, hogy a vetített kép milyen lesz, mivel megfelelő terelgetéssel mindkét fajta fényforrásból kihozható ugyanaz a vetített kép. Ha viszont szemből nézünk a két világítótestre, azok a fenti módon fognak különbözni.

Ez alól két kivétel létezik:

1) A diffúzorral ellátott LED lámpák, melyek – minden egyéb faktor rögzítése mellett – kevésbé is vakítanak „csupasz” társaiknál. Ez csak a nappali menetfényekre, irányjelzőkre, stb., vonatkozik, fényszórókra nem, hiszen ott a vetített eloszlás kívánalmai miatt irányított fényre van szükség.

2) A szabad formájú optikai elemek, melyekkel bármilyen eloszlás létrehozható. Utóbbiakat azonban az autóipari alkalmazások (egyelőre) nem a világítótest szemből vett látványának megváltoztatására használják, hanem főként a vetített fényeloszlás kialakítására. Így sajnos muszáj mindenkinek „szembenéznie” a fentiekből adódó fénysűrűség-problémával, tehát a fölöslegesen megnövekedett vakítással.

Hogy ezt miért kellene az iskolában tanítani?

Egyrészt mert így 5 perc alatt érthetővé válik, hogy miért nem passzol a led a halogén fixtúrába. (És igen, van olyan eset, különösen projektor optika esetén, ahol ettől mégnagyjából megfelelhet az elvárásoknak – az ideális optika azonban mindig eltérő lesz a két fényforrás-típusnál.

Másrészt mert valahol már remélhetőleg iskolába jár az a zseni, aki majd megfejti, hogy a fénysűrűség fenti problémáját hogyan lehetne számszerűsíteni a káprázást leíró módszereinkben – mivel azok a jelenlegi gyakorlatban nem alkalmasak rá.

Attól függ, honnan mérem...

Ez a kérdés megér egy külön fejezetet, ugyanis két különböző módon is hozzájárul ahhoz, hogy a led lámpákat vakítóbbnak találjuk. Először is a fenti fényeloszlási probléma nehézzé teszi a maximális fénysűrűség meghatározását az adott lámpánál – hiszen minél közelebb mérünk a kibocsátó felület közepéhez, annál nagyobb fénysűrűséget találunk. A kapott érték így annak is függvénye, hogy milyen téri felbontásban (mekkora felületre nézve) vesszük a mérést.

Hasonlóan problémás annak meghatározása, hogy mit is kell így a fényt kibocsátó felületnek tekinteni, például a káprázás szempontjából. Ezért néhány újabb mérőmódszer, jobb híján önkényes módon, határt húz egy adott fénysűrűség-értéknél, és az azon belüli területet kezeli a világítótest felületeként, melyen belül következő lépésként átlagolja a fénysűrűséget. Ez azonban a kérdés nagyon durva leegyszerűsítése, mely nem hű ahhoz, amit az ember észlel. Így megtörténhet az is, hogy egy régebbi lámpa és a ledes utódjának a teljes fényárama és adott fénykibocsátó felületre vett, átlagos fénysűrűsége azonos, plusz a vetített fényeloszlás is nagyjából megegyezik – mégis, a maximális fénysűrűség (és ezáltal a vakítás mértéke) drasztikusan eltér.

Másodsorban, az emberi észlelés eleve elrendelt jelleggel förtelmesnek találja mind a nagy kontrasztot (a fényesebb lámpa nagyobb kontrasztot jelent az adott környezettel szemben), mind a paraboloid jellegű intenzitás-eloszlást. Utóbbi nagyjából megfelel a fény terjedését illusztráló ábra jobb oldalán látható mintázatnak, és emiatt a valósnál fényesebbnek tűnik a fényforrás közepe. Ez a zseniális evolúció! Még ilyen apróságokra is odafigyelt, hogy ne nézzünk bele a napba. A 21. századi közlekedés nehézségeire azonban úgy tűnik, nem gondolt...

Szintén érdemes lehet itt latba vetni, hogy vajh mire is gondolhatott a művész, mikor a fenti fény-mintázatot taszítóvá tette teremtményei számára. Talán ezen mélázik a francia ANSES (Étel-, Környezet- és Munkaegészségügyi Intézet) is, a biztonsági szabályzás elégtelenségét hangsúlyozva a modern lámpák maximális fénysűrűségének szempontjából. Külön kiemelik az autók lámpáit, melyek aprók és ennél fogva roppant fényesek, ezzel a retina egészségét veszélyeztetve – speciális tekintettel a gyerekekre, akik ráadásul városi forgalomban nagyobb arányban tartózkodnak ott, ahol a fénycsóva intenzívebb régiói vannak.

Az autók lámpáinak megítéléséhez használt mutatók fotometriaiak (ideértve mind a hivatalos teszteket, mind Papp Tibor vizsgálatát a fotométerrel), a radiometriai (pusztán fizikai) mérést alapból átkonvertálják egy súlyozó függvény szerint. Ez egy becslés arról, hogy a fény paramétereit egy „átlagos” észlelő hogyan látja. (Gondolom, kedves olvasó, te is átlagosnak tartod magad. Normálisnak, ugye... És nem, nem tévedtem túl messzire a tárgytól: az átlagosság problémája miatt a vakítást illetően is néhányan azzal érvelnek, hogy a szabályzásnak fotometriai helyett radiometriai mércéket kellene használniuk.)

Ahogyan erről már korábbi cikkekben is szó esett, a fenti konverzióhoz használt érzékenységi függvény nem megfelelő a káprázás becslésére: a kékebb fényt erősebbnek észleljük és a vakító hatása is nagyobb, miközben ez nem jár hasonló láthatóság-javulással. Természetesen sok kutatás és vita folyik arról, hogy hogyan kellene ezt a függvényt adaptálni a helyzethez, de a gyakorlatban még nem történtek hatásos lépések. Tehát, hasonlóan a fénysűrűség kérdésénél találtakhoz: azok a mérőmódszerek, melyekkel a halogén lámpák aránylag jól szabályozhatók voltak, az új fényforrások elbírálására kevésbé alkalmasak.

A gyártók között pedig kialakult egy verseny a minél hidegebb fényű lámpák irányába, mely során számos modell át is lépte a „kékség" megengedett határát – eddig még jogi következmények nélkül. (De kérem, tegye fel a kezét az, aki ilyen céges autós igazságügyi izékhez jobban ért, szívesen beszélnék vele.)

További vita tárgya, hogy a kék fény úgynevezett fototoxicitása mennyire van hatással a retina egészségére a közlekedés kontextusában. Ami viszont aránylag tiszta, az az, hogy miért érzi az ember a kékebb fényt kápráztatóbbnak: a természetben a kékség mennyisége a nap magasságával arányos, mely stresszt okoz a szervezetnek és általános aktivációt vált ki. Ez ugye teljesen rendben van, a megfelelő helyen és helyzetben. Azaz ha nem éjjel látjuk, és nem apró, a naphoz hasonló pontokból származik, hanem kizárólag nappal mutatkozik, és a gigantikus égbolt teljes felületéről egyenletesen elosztva jön. Magyarul, egy stresszt kiváltó kulcsingert a természetes közegével tökéletesen ellentétes kontextusba helyeztünk.

Ezzel szemben a fa tüzének fénye gyakorlatilag nem tartalmaz kék fényt, mégis igen jó színvisszaadást eredményez, és evolúciós értelemben természetes közegünk még éjjel is. Például az alvás minőségét sem rontja, szemben a bármilyen, kéket tartalmazó fényforrással. Egy halogén lámpa – az autókban használt színhőmérsékletnél valamivel melegebb beállításban – az égő fa spektrális összetételével pontosan egyező fényt bocsát ki. Ezt egy led a teljes spektrumot nézve sosem fogja tudni reprodukálni, de az érzékelés szintjén ügyesen képes közelíteni – mely bőven elég ahhoz, hogy a vakító hatás drasztikusan csökkenjen.

Ráadásul a melegebb fény használata az észleleti teljesítményt (adott megvilágítottsági szint mellett) gyakorlatilag nem érinti negatívan, sőt. A hidegebb fény egyetlen esetben hoz jobb teljesítményt az észlelésben: ez a perifériás látás. Ám ez autóipari alkalmazásokban csak elenyésző különbséget mutat, nagy látószög (40° vagy több) esetén. Vagyis magyarul: ugyanolyan jól észlelünk egy hideg (sok kéket tartalmazó) és meleg fényű (kevés kékeket tartalmazó) fényforrással, ha a fényerejük egyforma, noha az ember úgy érzi, hogy a hideg fénnyel „többet” lát.

Ugyanakkor a kékebb fény negatívan befolyásolja az éleslátást, a szóródó vagy visszatükröződő fény (például csapadékos időben) zavaró hatása is erősebb. Ráadásul kékebb fénynek való kitettség után lassabban alkalmazkodunk a sötéthez, melynek számos negatív következménye közül az egyik a gyakran emlegetett alagúthatás, vagy csőlátás: halogénből átülve, egy modern led fényszóró fényénél többet látunk – a fénycsóván kívül viszont kevesebbet. A terméket persze nem az adja el, hogy mit tud, hanem, hogy a vevő mit hisz róla. És mint láttuk, a kékebb fény meggyőzőbbnek tűnik akkor is, ha valójában nem több.

A szín pedig rögtön át is vezet a következő problémához: a látást tekintve nem, hogy nem vagyunk egyformák, de az egyének közötti különbségek óriásiak! Kezdve mindjárt magával a szemmel, melyben a fény szóródása függ a fény hullámhosszától:

1. a szem optikai közegének fényszóró tulajdonsága alapból úgy működik, hogy a kékebb (rövidhullámú) fényre jobban hat (Rayleigh-szórás) – ez mindenkinél így van;
2. kevésbé pigmentált szemek a hosszú hullámok bizonyos tartományát jobban beengedik a szembe (ez által a szemen belüli fényszóródáshoz azok nagyobb arányban járulnak hozzá) – itt számottevő az egyéni variáció;
3. az öregedéssel mindkét faktor nő: egyrészt, a szemlencse és szaruhártya veszít fényáteresztő képességéből és „besárgul”; másrészt, a szem pigmentációja csökken.

A három tényező szummája tehát hatalmas egyéni különbségeket ad, azonban általánosságban elmondható, hogy a rövid hullámhosszú fény (kék) mindig jobban szóródik, mint a közepes hullámhosszú (sárga). A hosszúhullámú fény (vörös) szóródása egyéni genetika függvénye, a helyzet pedig a korral romlik.

Ez az intraokuláris szóródás nagyban felelős a káprázás azon típusáért, mely a látótér többi részének felismerhetetlenségéhez vezet (rontó káprázás – az észlelés teljesítménye romlik) – és nem feltétlenül függ össze azzal, hogy valakit a káprázás mennyire irritál (zavaró káprázás – kellemetlenség vagy fájdalom, mely mellett az észlelési teljesítmény akár változatlan). Ugyanazon lámpa káprázása egy élesen látó fiatalnak tehát esélyesen jobban fáj, de a közlekedési képességét kevésbé csökkenti.

Most pedig gondoljuk át, hogy a populáció korosodásával egyre több sárgult szem-optikájú sofőr van az úton, miközben az autók lámpája egyre kékebb... Az így vizuális képességeibe vetett hitében megingott vezető pedig, hohó! meg is találta a megoldást a szalonban: magasabbra kell ülni és kell egy jó erős lámpa. Hölgyeim és uraim, az üzleti modell végtelen ciklusba keveredett! Na jó, azért egyszer csak vége lesz – de ha már ilyen jól megy, egy pár kört még biztos futunk vele.

Az elvileg soha el nem romló ledek a valóságban persze elromlanak, és egy-egy új lámpa akár egymillióba is kerülhet. Szerencsére van okos megoldás: a ledes lámpatestek javítása. Ha érdekel, olvasd el ezt a cikket!