شرایط مزوپیک به چه معناست؟

شرایط مزوپیک به چه معناست؟ برای توضیح آن نیاز داریم نوع کارکرد چشم در برابر نور را توضیح دهیم. چشم ما در واقع به نوعی آشکارساز نور است که این در شبکیه چشم اتفاق می افتد. چشم ما دو نوع گیرنده نور میله ای (Rod) و مخروطی (Cone) دارد که بر اساس طول موج ( یا همان رنگ ها ) پاسخ های متفاوتی دارند. گیرنده های میله ای تعداد بیشتری دارند و حدود ۱۲۰ میلیون از این گیرنده ها وجود دارد. این گیرنده ها مسوولیت دید ما را در شب هنگام یا وقتی که نور کم است بر عهده دارند. گیرنده های میله ای عملکرد فوق العاده ای دارند و حساسیت آنها ۱۰۰۰ برابر بیشتر از گیرنده های مخروطی است. نکته ی اصلی در مورد این نوع گیرنده آن است که نسبت به رنگ حساسیت ندارند. همچنین انطباق پذیری آنها در مقابل نور نسبت به گیرنده های مخروطی آهسته تر است. بنابراین زمان انطباق پذیری چشم پس از قرارگرفتن در فضای تاریک را چیزی حدود ۳۰ دقیقه در نظر می گیرند و همه می دانیم که هرچه بیشتر در این شرایط بمانیم، بینایی ما در این شرایط بهبود می یابد. همانطور که گفتیم گیرنده های مخروطی در حدود ۷ میلیون هستند و قابلیت درک رنگ ها را به ما می دهند. ۶۴ درصد از آنها حساس نسبت به نور قرمز ( اصطلاحا مخروط های قرمز ) و ۳۲ درصد از آنها حساس نسبت به نور سبز و ۲ درصد حساس نسبت به نور آبی هستند. گیرنده های مخروطی سبز و قرمز در قسمت فرورفتگی شبکیه چشم ( Fovea ) متمرکز شده اند. گیرنده های مخروطی آبی با حساسیت بالا بیشتر در خارج از این محدوده ی فرورفتگی قرار گرفته اند.

گیرنده های مخروطی حساس به رنگ مسوول دید روزانه ما (Photopic ) و گیرنده های میله ای مسوول دید شبانه ی ما ( Scotopic ) هستند. تفاوت پاسخ های فتوپیک و اسکوتوپیک از نظر رنگ در نمودار قابل مشاهده هستند.

ما اغلب در علم نورپردازی از تابع پاسخ به نور فتوپیک به عنوان مبنای محاسبات روشنایی استفاده می کنیم. این موضوع باعث می شود فقط پاسخ چشم به نور روز را در این محاسبات در نظر بگیریم. اما در شرایطی که مقدار نور بسیار کم است بررسی عملکرد چشم با استفاده از پارامترهای فتوپیک معیار مناسبی برای طراحی نیست. البته در واقعیت در شرایط نور بسیار کم که اسکوتوپیک فعال می باشد، عملا کارایی بصری زیادی نخواهیم داشت. اما شرایط سومی نیز از سطح روشنایی می توان معرفی کرد که نه کاملا روشن و نه کاملا تاریک است و آن را مزوپیک ( Mesopic ) می نامیم.

شرایط مزوپیک در واقع حالتی است که هر دو گیرنده های میله ای و مخروطی فعال هستند و سطح روشنایی بین سطح روشنایی روز (فتوپیک)و تاریکی(اسکوتوپیک) قرار دارد. براساس استاندارد CIE محدوده ی بین ۰٫۰۰۵ تا ۵ کندلا بر مترمربع در شرایط استاندارد قرار می گیرند . به عنوان مثال روشنایی یک جاده در شب هنگام را می توان عنوان کرد. برای مشخص کردن میزان روشنایی مناسب برای داشتن بیشترین کارایی بصری هنگام رانندگی و خواندن تابلوهای راهنما در شرایط مزوپیک، نیاز به سناریوهای مختلفی در حالت های فتوپیک و اسکوتوپیک خواهیم داشت.

مطالعات مختلفی برای بهترین ترکیب نور و شدت روشنایی در حالت مزوپیک و مصرف بهینه انرژی انجام شده است. نسبت سطح روشنایی حالت های اسکوتوپیک و فوتوپیک در حال تبدیل شدن به یک پارامتر مهم در بررسی سطوح روشنایی خاص می باشد. این بخش هیجان انگیزی از مطالعات حال حاضر در روشنایی به ویژه برای جاده ها، مسیرهای نوری و نورپردازی در شهرها می باشد.

محاسبات در حالت شرایط مزوپیک :

برای توضیح محاسبات در حالت مزوپیک لازم است، تعریف شار نوری را مجددا بررسی کنیم .

شار نوری:

شار نوری مشخص کننده کل توان نوری ساطع شده از یک منبع نور می باشد. این مقدار در واحد زمان سنجیده می شود. واحد اندازه گیری شار نوری لومن (Lumen) با نماد اختصاری lm می باشد. اما نکته اینجاست که این روش برای بیان تاثیر نور یک منبع نوری نامناسب یا ناکافی است زیرا تابش ساطع شده بدون در نظر گرفتن تمام طیف طول موج نور مرئی و تاثیر متفاوت آن بر چشم (میزان حساسیت متفاوت چشم انسان به طول موج های مختلف نور مرئی) توصیف می شود. در واقع حساسیت طیفی چشم باید در مقدار نامی لومن گنجانده شود. به عنوان مثال ، تابش ساطع شده به ازای ۱ وات از انرژی در حالت ماکزیمم مقدار حساسیت چشم در نمودار طیف طول موج (فتوپیک،۵۵۵ نانومتر) معادل ۶۸۳ لومن است .در مقابل مقدار تابش ساطع شده در سایر طول موج های نمودار طول موج مریی که چشم نسبت به آنها حساسیت کمتری دارد به همان نسبت دارای شار نوری کمتر است.

برای محاسبات در شرایط مزوپیک نیاز به پارامتر نسبت S/P منابع نوری داریم. طبق استاندارد CIE، این نسبت مقدار شار نوری خروجی از منابع نوری بر اساس میزان بهره نوری منابع در حالت اسکوتوپیک بر مقدار شار نوری خروجی از منابع نوری بر اساس میزان بهره نوری منابع در حالت فتوپیک را نشان می دهد. مقدار بالاتر نسبت S/P نشان دهنده ی بهره ی نوری بالاتر منابع نوری در شرایط مزوپیک است.

جدول زیر نمایش دهنده ی اختلاف بین مقدار درخشندگی محاسبه شده در حالت مزوپیک با میزان بهره نوری در حالت فتوپیک برای منابع نوری متفاوت براساس نسبت S/P است.

جدول نشان می دهد که در محاسبات معمولی برای بالاترین میزان خروجی منابع نوری در طول موج های کوتاه ( محدوده ای که S/P بیشتر از یک است ) سطح روشنایی افزایش خواهد داشت، در حالیکه این شرایط برای منابع نوری در طول موج های کوتاه همراه با کاهش سطح روشنایی خواهد بود. مقادیری که برای محاسبات سطح روشنایی جاده ها که در محدوده ی ۰٫۳ تا ۲ کندلا بر متر مربع روشنایی نیاز دارند ، در جدول با یک مستطیل مشخص شده است.

بسیاری از منابع نوری با رنگ نور سفیدی که در حال حاضر در روشنایی جاده ها مورد استفاده قرار می گیرد، دارای نسبت S/P بین ۰٫۶۵ ( به طور مثال بخار سدیم پرفشار) و ۲٫۵ ( به طور مثال متال هالید ) قرار دارد. استفاده از محاسبات رایج در شرایط مزوپیک برای محاسبه ی درخشندگی موثر منابع نوری به جای استفاده از محاسباتی براساس شرایط فتوپیک که اکنون از آن بهره می بریم، تفاوت های بسیار مهم و موثری را ایجاد خواهد کرد. برای مثال در محاسبات رایج شرایط فتوپیک ۱ کندلا بر مترمربع نتایج متفاوتی از ۵%- تا ۱۵%+ برای منابع نوری با نسبت S/P بین ۰٫۵ تا ۲٫۵ می تواند، داشته باشد. یا برای ۰٫۳ کندلا بر مترمربع می تواند بین ۱۰%- تا ۳۰%+ تغییر کند. از آنجا که نسبت S/P برای منابع نوری هم گروه بسته به نوع و میزان مصرف الکتریکی متفاوت، متغیر است، باید بر اساس جدول فوق نسبت S/P متناظر با هر منبع برای آن در نظر گرفته شود.

مقایسه منابع نوری:

با توجه به تغییر شرایط حالت مزوپیک برای خروجی منابع نوری می توان برای هر شرایط مناسبترین آن ها را در نظر گرفت. جدول زیر نسبت S/P را برای منابع نوری مورد استفاده در فضای خارجی را معرفی می کند. منابع نوری با نسبت S/P بالاتر از ۱ در محدوده ی طول موج های کوتاه تر با شرایط مزوپیک سازگارتر هستند و در این شرایط راندمان بالاتری نسبت به منابع با نسبت S/P پایین تر از ۱ دارند.

توضیحات:

LPS : لامپ بخار سدیم کم فشار

HPS: لامپ بخار سدیم پر فشار

MH: لامپ متال هالید