O espectro das fontes de luz e os níveis baixos de iluminação: o básico

maio, 2010

Edição 50, Março de 2010

Por Wout van Bommel

O espectro das fontes de luz e os níveis baixos de iluminação: o básico

Tipos de visão e aspectos da adequabilidade de espectros específicos das fontes de luz para uso em vias

Há algum tempo ocorrem no mundo inteiro discussões acaloradas sobre o fato de que os espectros de uma determinada lâmpada possuem vantagens quanto à visão em níveis baixos de iluminação. Os termos “visão mesópica” e “visão escotópica” são conceitos-chave nessa discussão, que é importante para a iluminação de vias (ruas e avenidas) e áreas residenciais em que existem níveis relativamente baixos de iluminação. Hoje em dia, esse debate é especialmente importante, pois, com os Leds, todas as variáveis de cores de luz e tipos diferentes de matizes de branco podem ser produzidos.

 

Nessas discussões, surgem às vezes um pouco de “bobagens”. Frequentemente, a razão é a falta de conhecimento, o que é compreensível devido ao papel que diversos aspectos complicados desempenham no caso. Às vezes é feita a comparação direta apenas da visão fotópica e da visão escotópica sem levar em consideração o estado de adaptação e tira-se então, de uma maneira errônea, conclusões para a iluminação de vias.

 

Outro erro frequente é a consideração de apenas um aspecto da visão mesópica. Devemos considerar os dois aspectos da visão direta e periférica juntos com a observação de quanto um determinado espectro de luz, mesmo em nível baixo de iluminação, contribui para o desempenho visual via reconhecimento de cor. Às vezes, as condições de um campo de luminância uniforme, como usado na maioria das investigações, são simplesmente diretas e, erroneamente, usadas para as circunstâncias de iluminação de vias. Por último, mas não menos importante, a transmitância espectral do olho humano, que muda consideravelmente com a idade, frequentemente é desconsiderada. Isso pode trazer sérias consequências negativas para o usuário mais idoso, tanto ao motorista de carro como ao pedestre.

Provavelmente, neste ano, a Comissão Internacional de Iluminação (CIE – International Lighting Comission) produzirá uma extensa e importante publicação focalizando especialmente o aspecto da visão periférica na visão mesópica. Embora isso possa ajudar a dirigir as discussões na direção correta, poderá levar alguns leitores a esquecer de considerar a situação como um todo.

Este artigo está escrito com uma linguagem fácil e o mais resumido possível com o objetivo de fornecer os fundamentos básicos completos sobre este assunto, sem se ater aos detalhes científicos. Não são dadas as conclusões gerais da adequabilidade de espectros específicos das fontes de luz para uso em vias. Os leitores dessa publicação podem tirar suas próprias conclusões corretas com os conceitos básicos apresentados.

 

 

Visão fotópica

Os cones são células de luz sensíveis concentradas na fóvea da retina do olho. O número de cones diminui muito rapidamente do lado de fora da fóvea (Figura 1), que é a área da retina na qual se forma uma imagem bem definida de uma pequena área em volta da direção do olhar: visão “central” ou “direta”. Os cones têm atividade máxima com a adaptação de luminâncias maiores do que 3 a 10 cd m-2. Fala-se então de visão fotópica. A visão colorida é possível, já que temos os cones sensíveis ao vermelho, verde e azul. A sensibilidade espectral com a visão fotópica é caracterizada pela curva V(lambda) e alcança sua sensibilidade máxima em um comprimento de onda em torno de 555 nm, correspondente a uma cor verde-amarelada (Figura 2). Fontes de luz com alto componente amarelo, portanto, podem apresentar altas eficácias. Normalmente, todas as medidas de iluminação (fluxo luminoso, intensidade luminosa, iluminância, luminância, etc.) são feitas usando a função de eficiência luminosa no espectro fotópico.

 

Figura 1 – A densidade dos cones e bastonetes na retina do olho

 

Figura 2 – Sensibilidade espectral com a visão fotópica

 

Visão escotópica

 

Os bastonetes são células sensíveis à luz com alta sensibilidade, sendo que sua concentração aumenta na área periférica da retina. A concentração máxima é de aproximadamente 15o a partir da direção do olhar; a área central da fóvea não possui bastonetes (Figura 1). Os bastonetes são, consequentemente, importantes para a visão “periférica” ou “não central”. Como vários bastonetes são interconectados, a imagem que se forma não é bem definida. Para luminâncias de adaptação menores que 0,01 a 0,003 cd m-2, apenas os bastonetes são ativos e estamos falando de visão escotópica[1].

A visão colorida é impossível de ocorrer com apenas bastonetes. A sensibilidade espectral com a visão escotópica é caracterizada pela curva V’(lambda). Ela alcança sua sensibilidade máxima em um comprimento de onda em torno de 505 nm, correspondente à cor azul-esverdeada; em relação à curva V (lambda) há uma clara mudança em direção ao extremo azul do espectro (Figura 2).

Para termos ideia de quão efetivo o espectro de uma fonte de luz é em uma visão escotópica, usa-se a razão S/P. Ela é a razão entre a luminância escotópica (de acordo com V’(lambda)) e a luminância fotópica (de acordo com a V (lambda)) do espectro[2]). A Tabela 1 fornece valores típicos de S/P para diferentes fontes de luz usadas em iluminação de vias[3],[4].

 

Tabela 1 – Razões aproximadas de S/P para diferentes fontes de luz

 

Visão mesópica

 

Em níveis de adaptação entre aproximadamente 10 e 0,003 cd m-2, tanto os cones como os bastonetes, são ativos. Dos níveis altos aos níveis baixos de adaptação, a atividade dos bastonetes torna-se mais importante. A sensibilidade espectral geral muda em direção dos comprimentos de onda menores, que está na direção do azul. O efeito dessa adaptação dependente é também chamado de “efeito Purkinje”. A fim de determinar o efeito prático da mudança gradual da sensibilidade espectral na área mesópica, temos de distinguir a visão direta (da fóvea) e a não direta (periférica).

 

Visão mesópica direta

Como a fóvea dificilmente possui qualquer bastonete, são os cones que desempenham papel importante nela. De fato, a curva V (lambda) fornece uma previsão que é aceita como boa quanto ao desempenho de uma pequena tarefa de visão direta para níveis de adaptação maiores que 0,01 cd m-2. As unidades fotópicas normais devem ser usadas. Mesmo as vias mal iluminadas possuem níveis de iluminação (muito) maiores que 0,1 cd m-2 (ver a nota 1).

 

Visão mesópica periférica

É difícil, ou quase impossível, determi

nar fundamentalmente a real sensibilidade espectral do sistema visual nas circunstâncias da visão mesópica periférica em diferentes níveis de adaptação. Consequentemente, o procedimento é determinar o efeito dos diferentes espectros sob critérios de desempenho. Para a iluminação de vias, os espectros têm de ser relevantes para a tarefa prevalecente. Rea e Bullough (1), nos Estados Unidos, usaram como critério o tempo de reação dos motoristas. Um consórcio europeu de cinco laboratórios mutuamente independentes (chamados MOVE) usou um critério de três fases: pode um objeto ser visto pelo motorista? Com qual rapidez ele é visto? E, finalmente, ele pode ser reconhecido?[5],[6]. Geralmente, investigações de visão periférica são realizadas para um ângulo periférico de cerca de 10o. Em um Comitê Técnico (TC 1-58 “Desempenho visual da gama mesópica”) da CIE, ambas as partes (e mais) estão trabalhando juntas para definir com base nesse tipo de pesquisa um sistema unificado de fotometria da visão mesópica[7]. Como ilustração do efeito do espectro da fonte de luz na gama mesópica para uma visão periférica, a Tabela 2 fornece os resultados do modelo do MOVE (2). A porcentagem da diferença entre a luminância calculada usando o modelo MOVE e a luminância fotópica para as fontes de luz com diferentes valores de S/P são dados para diferentes luminâncias de adaptação. Comparando sódio de alta pressão (razão de S/P de 0,65) com a luz branca morna de um Led (razão S/P de 1,35) e a luz branca rica em azul de um Led (razão S/P de 2,15), é evidenciado que os níveis de luz com Led de luz branca morna são efetivamente 10 + 9 = 19% maiores e que a luz de Led branco rico em azul é 10 + 28 = 38% maior do que a de sódio de alta pressão em um nível de adaptação de 0,3 cd m-2. Essas porcentagens são referentes apenas à visão periférica.

 

 

Tabela 2 – Diferenças percentuais entre a luminância efetiva e a luminância fotópica para visão mesópica periférica a diferentes fontes de luz caracterizadas por seus valores S/P. Nota (2).

 

Visão colorida na gama mesópica

Como os cones, que permitem a visão colorida, estão parcialmente ativos na gama mesópica, espera-se que o reconhecimento da cor em níveis de iluminação de vias contribua para o desempenho visual. De fato, uma pesquisa relativamente recente mostra que a identificação dos rostos humanos com luz branca com um índice de reprodução de cor melhor do que 50 é bem mais fácil do que com fontes de luz de sódio de alta pressão com IRC de cerca de 25: com luz branca apenas na metade do nível de iluminação necessária para a mesma possibilidade de identificação (5,6). É importante notar que é aqui onde o índice de reprodução de cor é determinante e não a temperatura de cor. Tanto a luz branca rica em azul como a branca morna conferem essas vantagens. Um estudo anterior realizado por Boyce et. al. não mostrou uma diferença significativa (7). Fotios et. al. da Sheffield University, no Reino Unido, deverá publicar um novo estudo sobre este assunto (8). O padrão do Reino Unido BS 5489 permite uma redução na média da iluminância quando se usa uma fonte de luz com índice de reprodução de cor maior que 60.

 

 

Efeito da idade na visão mesópica

Os estudos do MOVE anteriormente mencionados, tal como outros estudos, foram realizados com sujeitos cujas idades variavam entre 20 e 35 anos. As lentes cristalinas do olho do ser humano se tornam amareladas com o tempo. Uma das consequências é a perda da visão do azul e do verde (comprimentos de onda curtos). A Figura 3 mostra a transmissão das lentes do olho para um grupo de idade de 60 a 69 anos comparada com um grupo de 20 a 29. É claro que a absorção dos componentes da luz branca rica em azul nas lentes amareladas das pessoas mais idosas vai diminuir a quantidade total daquela luz, atingindo tanto os cones como os bastonetes. A luz branca rica em azul (altos valores de S/P) é, portanto, menos efetiva para pessoas idosas tanto para a visão direta como para a visão periférica do que a luz branca morna. Como esse efeito de absorção do azul diminui efetivamente a razão S/P, as vantagens da visão mesópica periférica da luz azul são provavelmente ignoradas para os motoristas idosos[8]. Existem estudos em desenvolvimento que tentam quantificar esse efeito da idade mais precisamente (3).

 

Figura 3 – Transmissão das lentes cristalinas do olho humano de um grupo de idade de 60-70 anos relativa ao grupo de idade de 20-30 anos. Calculada com base em (4).

 

 

Luminância de adaptação sob condições de iluminação de vias

Quando usamos anteriormente a expressão “luminância de adaptação” nos referimos à luminância uniforme de um grande e extenso pano de fundo da tarefa. Nas condições de iluminação de via, a luminância do campo não é uniforme. Para tornar as coisas mais simples, frequentemente, a média da luminância da superfície da via é, erroneamente, considerada como luminância de adaptação. Várias outras luminâncias, muitas vezes de alto valor, no campo visual desempenham um papel importante. Pense nas luminárias de vias de alto brilho, os faróis, os sinais luminosos e a luz refletida das superfícies. Todos esses vão aumentar a luminância de adaptação a um valor superior daquele da média da luminância da superfície da via. A visão é consequentemente alterada mais em direção da visão fotópica do que a concluída da média da luminância da superfície da via apenas. Isso pode ser importante, principalmente, na iluminação das áreas residenciais em que a visão dos pedestres que andam regularmente na via pode estar dentro de áreas de alta luminância. Isso é diferente dos motoristas cuja visão é para baixo em direção à via em frente.

 

Agradecimentos

O autor agradece a Teresa Goodman (UK), Terry McGowan (USA) e Janos Schanda (Hungria) por lerem o rascunho e por seus valiosos comentários.

 

Referências bibliográficas

[1] Rea, MS., Bullough, JD. “Making the move to a unified system of photometry”, Lighting Research and Technology 2007, 39: 393-408.

[2] Goodman, T., Forbes, A. Walkey, H., Eloholma, M., Halonen, L., Alferdinck, J., Freiding, A., Bodrogi, P., Varady, G., Szalmas, A. “Mesopic visual efficiency IV: a model with relevance to nighttime driving and other applications”, Lighting Research and Technology 2007; 39: 365-392.

[3] Nakagawa, K., Akashi, Y. “The effect of yellowing human crystalline lens on the mesopic vision”, CIE Midterm meeting, Light and Lighting Conference with special emphasis on LEDs and Solid State Lighting, Budapest, 2009.

[4] CIE Publication 158, “Ocular lighting effects on human physiology and behavior”, Vienna, 2004.

[5] Raynham, P., Saksvikkrønning, T. “White light and facial recognition”, The Lighting Journal 2003; 69: 29-33.

[6] Knight, C., van Kemenade, J. “Wahrnehmung und Wertschätzung der Erdkunden in Bezug auf die öffentliche Beleuchtung“, Licht 2006, 10-13, 2006, Bern.

[7] Boyce, PR., Rea, MS. “Security lighting: effects of illuminance and light sourceon the capabilities of guards and intruders”, Lighti

ng Research and Technology 1990; 22:57-79.

[8] Fotios, SA., Cheal, C. “Road lighting for pedestrians in residential areas: choosing the optimum lamp colour characteristics”, CIE Midterm meeting, Light and Lighting Conference with special emphasis on LEDs and Solid State Lighting, Budapest, 2009.

 

Este artigo foi gentilmente traduzido pelo engenheiro e especialista em iluminação Isac Roizemblatt.

 

*Wout Van Bommel é físico, especializado em iluminação pela Universidade de Tecnologia de Eindhoven (Holanda), foi presidente da Comissão Internacional de Iluminação (CIE) de 2003 a 2007, sendo atualmente um de seus diretores. Integra o corpo diretivo da International Dark Sky Association (IDA), é consultor e professor desde 2004 da Fudan University of Shangai, na China.


[1] Lua cheia nas latitudes não tropicais fornece aproximadamente 0,3 lux de iluminância horizontal ao nível do mar. Em uma superfície de asfalto, a média é de 0,02 a 0,03 cd m-2, portanto, demasiadamente “brilhante” para a visão escotópica. Vias de residências escuras possuem uma luminância média de 0,2 a 0,5 cd m-2, também demasiadamente brilhante para a visão escotópica.

[2] Como exemplo, vamos considerar teoricamente uma fonte de luz com um comprimento de onda de
500 nm. Na Figura 2, observa-se que o valor escotópico relativo V’(lambda) é 0,99 e o valor fotópico relativo V (lambda) é 0,30. Para converter esses valores em valores absolutos, eles têm de ser multiplicados com a sensibilidade máxima do olho da visão escotópica (1700) e fotópica (683), respectivamente. Assim, o valor S/P se iguala nesse exemplo (0,99 * 1700) / (0,30 * 693) = 8,2. Para luz não cromática, esse procedimento tem de ser seguido para todos os comprimentos de onda contidos pela fonte de luz.

[3] Leds coloridos (verde ou azul) possuem razões S/P maiores, mas não devem ser usados para iluminação de vias normais devido à sua impressão de não naturalidade e pobre reprodução de cor (ver item adiante “visão colorida na variação mesópica”) e à ineficiência para olhos mais idosos (ver item “o efeito da idade na visão mesópica”).

[4] Às vezes encontramos em publicações que a razão S/P é usada como a única característica e direta da visão mesópica. Isso está errado. Como será descrito no título “visão mesópica”, o efeito do espectro na variação mesópica é dependente tanto do espectro da fonte de luz (e por tanto da razão S/P), como da real luminância de adaptação.

[5] Como os bastonetes não fornecem uma imagem bem definida, presume-se que, após detectar uma imagem (não bem definida) periférica, os olhos se viram para focar diretamente o objeto para um reconhecimento final.

[6] O projeto MOVE recebeu o prêmio Walsh-Weston 2008 da Sociedade da Luz e Iluminação do Reino Unido.

[7] Maio de 2009: Após a votação do TC ocorrem discussões para acomodar comentários. Depois disso, o relatório vai para votação final. Com resultados positivos, a publicação é editada como um sistema acordado da CIE internacionalmente para visão mesópica periférica.

[8] Hoje em dia, as lentes artificiais usadas em cirurgias de cataratas são do tipo que bloqueiam o azul para proteger a retina do olho. Tal lente possui um filtro para o azul e o verde similar à da lente cristalina natural de uma pessoa de 50 anos, bem inferior à transmissão da lente natural de uma pessoa mais jovem, entre 20 e 30 anos.

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