De S/P ratio is al eens eerder uitgelegd. Nu blijkt volgens een tweetal Technical Memorandi (TM 12-12 TM 24-13) van de Illuminating Engineering Society North America (IESNA) hoe en hoeveel er aan voordeel te behalen valt aan licht met een bepaalde (hoge) S/P ratio.

In het kort komt het hierop neer: bij lage lichtniveaus (zoals ’s nachts op straat bij straatverlichting) werkt je oog meer op nachtzichtstand (je verliest kleur maar kunt nog veel zien met bijvoorbeeld maan- en sterrenlicht). Lampen met een specifiek licht (specifiek spectrum) gunstig voor dit nachtzicht (hoge S/P ratio) zorgen voor een extra helderheidsindruk. Dus kunnen we ook met minder licht toe voor dezelfde helderheidsindruk.

Een tweede effect is geldig voor lichtniveau’s binnenshuis (voor lezen, werken aan computer, werken aan elektronische of mechanische opstelling, iets repareren etc). Wanneer je daar licht met meer blauwinhoud gebruikt (dus koudwit, dus ook hoge S/P ratio) dan zorgt dat voor een verkleining van de pupil waardoor je scherper gaat zien. Daardoor kan, voor hetzelfde niveau van zien-efficiëntie, het lichtniveau omlaag.

Voordeel met een hoge S/P ratio, de TM 12-12

Licht met een hoge S/P ratio heeft op twee manieren voordelen, volgens de genoemde TMs. De TM 12-12 als eerste. De naam van dit document is “Spectral Effect of Lighting on Visual Performance at Mesopic Lighting Levels”.

Mesopische lichtniveau’s

De TM 12-12 heeft het over de hogere gevoeligheid van de staafjes bij omgevingen waarbij een laag lichtniveau geldt. Dergelijke omgevingen worden mesopisch genoemd, waarbij gemiddelde luminantiewaardes over het gehele zichtveld gelden van 0.001 Cd/mˆ2 tot 5 Cd/mˆ2. Dit zijn bijvoorbeeld gebieden buiten op de openbare weg gedurende de nacht, bij gebruikmaking van alleen de straatverlichting (dus niet in stadscentra met eventueel veel extra gebouw of reclameverlichting).

Omdat de staafjes hoger gevoelig zijn dan de kegeltjes, en omdat we ons bevinden in mesopische lichtniveaus waar dus de staafjes ook (en kegeltjes minder) meewerken aan onze helderheidsindruk van het lichtbeeld dat we zien, zouden we dus een een grotere helderheidsindruk kunnen krijgen dan die berekend dmv gebruikmaking van de fotopische meetwaardes (waar we standaard in meten).

In het TM wordt gesproken over een vermenigvuldigingsfactor (de Effective Luminance Factor oftewel ELF) die aangeeft dat de winst groter is bij lagere omgevingsluminanties en dat deze nadert tot een factor gelijk aan de S/P ratio waarde (in het scotopische gebied, beneden de 0.001 Cd/mˆ2). En deze waarde gaat naar 1 bij hogere luminanties (5 Cd/mˆ2) omdat dan het effect van de staafjes verwaarloosbaar wordt en we weer alleen gebruik maken van de kegeltjes.

Noot I: de TM herkent dat staafjes (bijna) niet aanwezig zijn in de gele vlek, het centrum van het kijkveld, daar waar we ook scherpstellen en kleur zien (het gebied van de kegeltjes). Toch stelt de TM dat het positieve effect van hoge S/P ratio geldt over het geheel van het zichtveld, inclusief het gedeelte waar we scherpstellen op de gele vlek. Bij het zien in het algemeen bij het interacteren in het verkeer (ook ’s nachts) is niet een blikveld van slechts 2 graden ruimtehoek betrokken (de gele vlek alleen) maar een blikveld dat vele malen breder is. Hierdoor weegt een positief effect door de staafjes mee in het geheel van het blikveld.

Noot II: de TM geeft een berekenmethode die de effectieve luminantie uitrekent voor (deel)gebieden van het gehele zichtveld. Dit noemt men een point-to-point calculatie en houdt daarmee rekening met lokaal lichtere gebieden in het zichtveld, die dan apart worden berekend.

Berekenmethode

De TM gaat uit van een aantal stappen in de bepaling van de effectieve Luminantie (die men weer kan omrekenen naar verlichtingssterkte). Let wel, dit is een punt-naar-punt berekening dus het zichtveld wordt in delen opgedeeld en ieder relevant deel wordt apart berekend.

Stap 1: bepaal de gewenste verlichtingssterkte (vanuit design), de E_design [lux].

Stap 2: bepaal voor een oppervlak in het zichtveld de reflecttiefactor rho.

Stap 3: bereken de luminantie die resulteert:

(I).
Stap 4: bereken de conventionele (op fotopische grootheden baserende) verlichtingssterkte E_photopic. Gebruik hiervoor bijvoorbeeld normen of eventueel richtlijnen (voor buiten).

Stap 5: bereken L_photopic:

(II).

Stap 6: gebruik de Effective Luminance Factor (ELF) om de effectieve luminantie (L_effective) te berekenen uit de fotopische (L_photopic):

(III).

Stap 7: pas het design zo aan (de lichtsterkte of oppervlak dat lichtgeeft van de luminaire of de S/P ratio van het licht) dat L_effective = L_design.

Stap 8: Als verlichtingssterkte nodig is dan kan men E_eff berekenen:

(IV).

De Effective Luminance Factor (ELF)

Deze factor wordt gebruikt om de effectieve luminantie (Cd/mˆ2) of de effective verlichtingssterkte (lux) te berekenen. Deze factor is afhankelijk van de S/P ratio van het licht van de lichtbron en van de fotopische adaptatie luminantie (daar waar het oog op geadapteerd is, en lokaal bekeken dus niet voor het gehele kijkveld één factor).

Tabel met Multiplier (ELF) als functie van S/P ratio en lokaal geadapteerde fotopische luminantie

De ELF is ongeveer 1 bij hogere geadapteerde lokale fotopische luminantie en nadert de S/P ratio waarde bij zeer lage geadapteerde lokale fotopische luminantie.

Lokaal en globaal

De berekening van de ELF waarde dient voor lokale gebieden te gebeuren. Want het oog kan verschillende adaptatietoestanden hebben voor verschillende gebieden van één compleet kijkveld. Een algemeen gemiddelde effectieve luminantie (indien nodig) kan berekend worden door dan het totaal van lokale effectieve luminanties te middelen.

Het punt-tot-punt berekenen van een ELF waarde zorgt ervoor dat de effectieve luminanties homogener zullen zijn dan de fotopische; de ELF waarde is, voor licht met hoge S/P, hoger bij lokaal lagere geadapteerde luminantie en zal dus de lagere fotopische luminanties meer opkrikken.

Een aantal extra zaken die nog onderzoek behoeven

Een paar uit het TM genomen:

Glare – bij lage adaptatieluminanties is dit effect sneller hinderlijk dan bij hoge(re) adaptatieluminanties.

Chromatische (kleur) effecten – kleur kan tot extra performance leiden in het zien als de scene veel lage contrasten heeft.

Leeftijd van de observeerder – het lijkt erop dat het geler worden van de lens geen significant effect heeft op het verschil in helderheid ervaren door licht met hoge S/P ratio in mesopische omstandigheden.

Koplamp effecten – hoge intensiteit ontladingslampen die steeds meer gebruikt worden in auto’s zorgen voor veel klachten over verblinding (glare) van medeweggebruikers. Er is weinig bekend over de adaptatie van een visueel systeem gedurende het rijden dus kan er niet veel over gezegd worden in hoeverre koplampen een invloed hebben.

Voordeel met een hoge S/P ratio, de TM 24-13

Licht met een hoge S/P ratio heeft op twee manieren voordelen, volgens de genoemde TMs. De TM 24-13 als tweede. De naam van dit document is “(an optional method for) Adjusting the Recommended Illuminance for Visually Demanding Tasks Within IES Illuminance Categories P through Y Based on Light Source Spectum”.

Lichtniveau’s bij binnenverlichting en pupilgrootte

Deze TM gaat over een meer effectieve visuele efficiëntie wanneer licht met hoge S/P factor wordt toegepast. Het stelt dat, door licht met hoge S/P ratio te gebruiken, het blauwe aandeel zorgt voor het verkleinen van de pupilgrootte. En dit zorgt dan weer voor het scherper zien (grotere scherptediepte). Dit scherper zien heeft een positief effect op kijkactiviteiten die veel vragen aan het visueel systeem van de mens, bijvoorbeeld bij lezen, spullen repareren, analyseren van zaken etc (details zien én herkennen).

Men moet voldoende lichtniveau’s hebben om van dit effect gebruik te kunnen maken, achtergrond luminantie van minimaal 50 Cd/mˆ2.

Men stelt dus dat men, bij gebruikmaking van licht met hoge S/P ratio, toekan met minder licht. Vooropgesteld dat we het hebben over taken:

– die veel aandacht vragen van het visueel systeem,

– die een groot kijkveld beslaan (staafjes meegenomen),

– waarbij voldoende licht aanwezig is om juist de details te kunnen zien, maar ook weer niet teveel licht waardoor men allang in een comfortzone zit en het lezen zeer gemakkelijk afgaat. Want in dit laatste geval zou een afname van lichthoeveelheid niet meteen leiden tot minder prestatie van het visueel systeem en kan men dus minder licht niet uitwisselen met een hogere S/P ratio, simpelweg omdat minder licht geen impact heeft.

Equivalent Visual Efficiency (EVE) factor berekening

Het concept is als volgt: gegeven een fotopisch lichtniveau ‘A’ onder een lichtbron ‘x’ met een bekende S/P ratio, in totaal A_(x), dan is er een alternatieve lichtbron ‘y’ met een andere S/P ratio die hetzelfde niveau van visuele gezichtsscherpte (Visual Acuity) geeft maar bij een verschillende fotopisch lichtniveau ‘B’, in totaal B_(x). De twee verschillene fotopische lichtniveau’s die als totaal met A_(x) en B_(x) worden weergegeven geven dan eenzelfde visuele effectiviteit.

In formulevorm:

(V).

P_1 is het fotopisch lichtniveau van het licht dat normaliter gebruikt wordt in een bepaalde applicatie en P_2 is het niveau benodigd in dezelfde applicatie, waarbij dezelfde visuele gezichtsscherpe optreedt, gebruik makende van een lamp met andere S/P ratio. Dus we berekenen een nieuw fotopisch lichtniveau uitgaande van een bestaande standaardconfiguratie en een vergelijk van de S/P ratiowaardes.

P kan verschillende grootheden vertegenwoordigen en is gebaseerd op de V(lambda) curve: lumen, lux, Cd/mˆ2.

voorbeeldberekening:

Een vergelijk tussen een 3500 K TL (S/P = 1.4) als de basis lichtbron en een ledbuis van 5000K (S/P = 2.0) als vervanger. De applicatie is een werk in een industriële omgeving die hoge eisen stelt aan oogtaken.

De benodigde verlichtingssterkte bij gebruik van ledbuizen in deze applicatie is dan: , wat neerkomt op 75 % van de originele verlichtingssterktewaarde.

Doordat de visuele efficiëntie wordt behouden (of de visuele gezichtsscherpte) blijft ook de originele taakprestatie behouden.

tabel met EVE vermenigvuldigingswaardes:

Men heeft in de TM al een tabel met als basis verlichting een lichtbron met een S/P van 1.4 en stelt de EVE daar op 1.0. Bij vergelijk met andere lichtbronnen met andere S/P waardes de tabel geeft dan de vermenigvuldigingfactor aan tov de basis configuratie.

Een lamp met S/P van 1.4 komt overeen met typische halogeen – en TL verlichting van 3500 K. Het is ook representatief voor vele binnenverlichtingssituaties waar veeleisende visuele oogtaken worden uitgevoerd (inclusief volledig blikveld en de taak achtergrondluminantie is minimaal 50 Cd/mˆ2).

Noot: wanneer in een specifiek geval de S/P ratio van de te vervangen lamp bekend is en anders is dan de hierbij als richtlijn genomen waarde van 1.4, dan kan met behulp van formule (V) de echte EVE berekend worden door gebruik te maken van de huidige lamp’s S/P ratio en die van de nieuwe lamp die de huidige vervangt.

Die vermenigvuldigingfactor in de tabel kan men dan toepassen in het berekenen van de equivalente lichtgrootheid (in lux, lumen of Cd/mˆ2).

S/P ratio	EVE factor	.	S/P ratio	EVE factor
0.6	1.97	.	1.5	0.95
0.7	1.74	.	1.6	0.90
0.8	1.56	.	1.7	0.86
0.9	1.42	.	1.8	0.82
1.0	1.31	.	1.9	0.78
1.1	1.21	.	2.0	0.75
1.2	1.13	.	2.1	0.72
1.3	1.06	.	2.2	0.70
1.4	1.0	.	2.3	0.67

Noot: de mogelijke winst in verlaging van de verlichtingssterkte zonder impact op de visuele efficiëntie komt dus door de verkleining van de pupil. Het blijkt dat de S/P ratio tot de macht 0.8 een goede benadering is van dit effect. Het kan zijn dat in de toekomst men achter een nauwkeurigere bepaling van de relatie pupilgrootte en spectrale inhoud van het omgevingslicht kan komen waardoor dit verband nog aangepast (verfijnd) wordt.

Onderzoekenanalyse

De TM heeft een aantal onderzoeken geanalyseerd waaruit blijkt dat bovenstaande van toepassing is. Men heeft gezien dat werkruimtes waar eerst 3000 K werd gebruikt men naar 70 % van die waarde toekon door gebruik te maken van 5000 K verlichting waarbij de mensen ook de nieuwe verlichting accepteerden.

Een aantal onderzoeken die bovenstaande tegenspraken of niet konden bekrachtigen liepen spaak op een of meerdere van onderstaande aannames waaraan dan niet werd voldaan:

– het betreft een taak waarvoor volledig blikveld nodig is waardoor ook niet centrale netvliesfotoreceptoren worden gebruikt.

– het betreft een taak waarop het oog volledig geadapteerd is, want de pupil kan zich zo kwa grootte goed aanpassen. Binnenverlichting en werktaken daarin hebben een constante achtergrond- en taakverlichting waardoor deze eis vervuld wordt.

– een correct vergelijk tussen lichtspectra en lichtniveau. Wanneer men een vergelijk hiertussen wil kunnen aantonen moet de variatie in lichtniveau en S/P ratio kunnen passen in de toegepaste formule van , dus niet onderzoeken waarbij er een veel groter verschil werd aangebracht; in dat geval zou de pupil dergelijke variaties niet meer kunnen volgen. Daarnaast moet de gevoeligheid voldoende zijn om te kunnen resulteren in een significant effect op prestatie; dus we moeten ons niet bevinden in een situatie waar zoveel licht is dat een met bovenstaande formule berekende verlaging van het lichtniveau eigenlijk geen impact heeft op de visuele prestatie (saturatie van lichthoeveelheid).

– het betreft een taak die veel vraagt van het visuele systeem, die een hoge visuele gezichtsscherpte nodig heeft. Wanneer dit het geval is, heeft het variëren van lichthoeveelheid zowel als S/P ratio een effect op de visuele prestatie.

– de afstand tot de taak blijft constant. Hiermee wordt verzekerd dat het kijkveld niet verandert en volledig blijft.

Conclusies

De twee genoemde Technical Memorandi (TMs) laten zien dat er voordeel te behalen valt uit het toepassen van licht met hoge S/P ratio’s; men kan met minder licht een gelijke helderheidsindruk of visuele efficiëntie behalen wanneer de S/P ratio van het toegepaste licht hoger is (dan de standaardwaarde).

Beide TMs komen met een berekenmodel dat laat zien in welke mate er kwantitatief gebruik gemaakt van kan worden.

De TMs bestrijken ieder een ander toepassingsgebied en lichtniveau’s; de ene voor mesopische lichtniveau’s (veelal buiten) en de andere voor verlichtingssituaties binnen.

De achtergrond van beide verschilt ook: de ene gaat uit van de bijdrage van de staafjes die een verbetering op het gehele zichtveld kunnen brengen en de andere op het effect van pupilverkleining dat zorgt voor een verbetering van visuele efficiëntie.