Szemünk rendkívül összetett optikai rendszer. Fontosságát jól mutatja, hogy az egyedfejlődés során eme szervünk éri el leghamarabb a kifejlett állapotot. Egy ötéves gyermek szeme már teljesen kifejlett, mérete és fizikai felépítése nem változik tovább. Az is figyelemre méltó, - és jól mutatja a konstrukció kifinomultságát - hogy az evolúció során egymástól független módokon, de sokszor nagyon hasonló felépítéssel több esetben is alakult ki látószerv. Nem véletlen tehát, hogy a Földünkön élő állatfajok jelentős többsége rendelkezik fényingerek feldolgozására alkalmas szervvel.

Az emberi szem – akárcsak a legtöbb összetett látószerv - felépítését tekintve két részre bontható. Optikai rendszerre, amely a fényingerek összegyűjtéséért és fókuszálásáért felelős, valamint neurális rendszerre, amely az optikai elemeken keresztüljutó ingerek előfeldolgozását, és az agyba való továbbítását végzi.

2.1.1. A szem optikai rendszere

Ha a fény terjedési iránya által meghatározott sorrendben vizsgáljuk szemünk részeit, az első optikai elem a szaruhártya (2.2. ábra/1) vagy más néven cornea. Optikai szempontból ez, a szemgolyónk elülső felén található kidomborodó terület rendelkezik a legnagyobb törőerővel, ezáltal ennek alakja határozza meg leginkább látásunk minőségét. Az előző fejezetben taglalt törési törvény ismeretében nem meglepő, hogy optikai szempontból ez a legnagyobb hatással bíró elem . Mivel a szemlencse által képzett optikai határfelület egyik oldalán levegő, a másik oldalán pedig a szaruhártya anyaga található, könnyedén belátható, hogy a törésmutatók közötti különbség itt lesz a legnagyobb az egész rendszeren belül. Ez az oka annak is, hogy lézeres szemműtétek során a szaruhártya görbületének megváltoztatásával érnek el látásjavulást.

2.2. ábra - Az emberi szem felépítése

A szaruhártya mögött az elülső csarnok található (2.2. ábra/2), amelyet vízszerű, viszkózus folyadék – csarnokvíz - tölt ki. Ennek szerepe a szaruhártya alakjának megtartása, illetve a szemlencse és a szaruhártya tápanyagokkal való ellátása, hiszen ezeket nem hálózzák be erek. Ennek megfelelően a csarnokvíz folyamatosan cserélődik, a csarnokzugban található nyíláson keresztül elfolyik, és újratermelődik. Ha a kivezető nyílás valamilyen okból eltömődik, a csarnokvíz nyomása megemelkedik, amely maradandó látáskárosodáshoz vezethet – ez a zöldhályog.

Az elülső csarnokban még a szemlencse előtt található a pupilla, vagy más néven íriszhártya (2.2. ábra/3), amelynek elsődleges feladata a szem további részeibe bejutó fény mennyiségének szabályozása. Ezt adaptációs mechanizmusnak nevezzük, kiváltó oka pedig a környezetben beálló fénysűrűség változás. A pupilla tágulását és szűkülését a szemben található simaizmok teszik lehetővé, a folyamat szabályozása pedig a retinán található, – többek közt – erre a feladatra specializálódott neuronok által gyors magnocelluláris idegpályákon közvetített jelek révén történik. A hártya sejtjei pigment anyagot is tartalmaznak. Ezen anyagoknak köszönhetően létezhetnek különböző színű szemek, fiziológiai szerepük azonban jelenlegi ismereteink szerint nincs. A környezet fénysűrűségéhez való adaptációval a szem optikai rendszerének tulajdonságai is megváltoznak, hiszen a pupillaátmérő változása egyfajta rekeszelésnek tekinthető.

A pupilla mögött található a szemlencse (2.2. ábra/4), amelynek legfontosabb feladata látószervünk akkomodációs képességének biztosítása. Az akkomodáció során szemünk optikai rendszere alkalmazkodik a vizsgált objektum és nézőpontunk közötti távolsághoz. Ez a szemlencse alakjának módosításával érhető el. Ha a szemlencse görbületi sugara csökken, nézőpontunkhoz közelebbi tárgyakra fókuszálunk, ha a görbületi sugár nő, a távolabbi tárgyak képe vetül élesen a retinánkra. A görbületi sugár módosítását a szemlencse hagymához hasonló héjas szerkezete, valamint a hozzá tapadó ciliaris izomzat, az úgynevezett sugártest teszik lehetővé. Az akkomodációs képesség az életkor előrehaladtával csökken, valamint egyénenként is változó lehet.

A fentieken túl szemlencsénk egyfajta szűrőként is funkcionál, megvédve retinánkat a káros, nagy energiájú UV sugárzástól. Ehhez a lencse anyaga a 400 nm-nél rövidebb hullámhosszú sugárzás jó részét elnyeli, vagyis a látható tartomány alsó határát tulajdonképpen a szemlencse transzmissziós karakterisztikája határozza meg. Az elnyelt UV sugárzás hatására a lencse anyaga életünk során fokozatosan bebarnul – sötétedik –, ezzel egyfajta „beépített napszemüvegként” működik. Ezzel párhuzamosan csökken a szembe jutó kék fény mennyisége, amely jelenséget agyunk a neurális feldolgozási folyamatok révén részben korrigál, így a lassú, de folyamatos változás észrevétlen marad. Mindazonáltal a jelenség alapvető különbségeget okoz a fiatal és az idősebb emberek fényérzékelésében, amelyet a tervezési folyamatok során szem előtt kell tartani. A szemlencse – jellemzően idős korban – akár teljesen átlátszatlanná is válhat, ezt nevezzük szürkehályognak. A szürkehályog ma már rutinszerűnek tekinthető műtéti eljárással gyógyítható, amelynek során a páciens szemlencséjét eltávolítják, és egy jellemzően polimer anyagú műszemlencsével helyettesítik. A műszemlencse nem tesz lehetővé akkomodációt, de mivel idős korra ez a képesség már úgyis csak csekély mértékben funkciónál, a páciensek számára ez nem jár különös hátrányokkal.

Szemünk utolsó, a leképzésben szereppel bíró eleme a hátulsó csarnokban található üvegtest (2.2. ábra/5). Ezt a hátulsó csarnokvíz tölti ki, amely átlátszó, kocsonyás anyag. Ez adja szemünk szerkezeti stabilitását, és az optikai szempontból előnyös gömbformát. A hátulsó csarnokvíz nem cserélődik, így törmelékek halmozódnak fel benne az idő előrehaladtával, és apró – néha zavaró – foltokként jelennek meg látóterünkben.

A szemgolyónk hátulsó falát majdnem teljes egészében beborító idegsejtek alkotják a retinát, más néven recehártyát (2.2. ábra/6). Ennek megfelelően a retina sokkal inkább tekinthető agyunk, mintsem szemünk részének. Felépítésével és működésével később külön alfejezetben részletesen foglalkozunk.

2.1.2. A szem leképzési hibái

Mint a legtöbb optikai rendszer a szem is rendelkezik bizonyos leképzési hibákkal, aberrációkkal. Ezek lehetnek a rendszer felépítéséből következő hibák vagy olyan elváltozások, amelyek egyénspecifikusak, esetleg az öregedés folyamatával jelennek meg. Ezek közül néhányat már a korábbiakban említettünk, akad azonban olyan is, amely behatóbb leírást igényel.

Az emberi szem legjellemzőbb leképzési hibája az ametropia, vagyis a retinára való fókuszálás hibája. Ez azt jelenti, hogy a szem optikai rendszere nem éles képet vetít a retinára, rontva ezzel a látórendszer felbontóképességét. Az ametropia a legtöbb embert érinti, hiszen a populáció csak nagyon csekély része rendelkezik tökéletes látással - emmetropiával. Ez a leképzési hiba több okra is visszavezethető, melyek közül a legjellemzőbb, hogy a szem optikai elemeinek alakja eltér az ideális felületi formától. Az ametropia két jellemző típusa a miopia (2.3. ábra/1) vagy közellátás, illetve a hiperopia (2.3. ábra/2) vagy távollátás.

2.3. ábra - Miopia és hiperopia

Távollátásról akkor beszélünk, ha a szaruhártya és a szemlencse törőereje együttesen nem elég nagy ahhoz, hogy a környezet képe megfelelően fókuszálódjon a retinára. Ilyenkor éles kép - korrekció nélkül - a retina mögött keletkezik, ami leginkább a közelebb eső tárgyak szemlélése esetén okoz problémát. A hiperopia korrekciója a szem elé helyezett, megfelelő törőerejű sugarú gyűjtőlencsével történik.

A miopia, avagy közellátás a hiperopia ellentéte. Ilyenkor a szemlencse és a szaruhártya együttes törőereje túl nagy, az éles kép a retina előtt keletkezik, így a távolabb lévő tárgyak éles leképzése válik problémássá. Korrekciójához megfelelő törőerejű szórólencse szükséges.

Az akkomodációs képesség időskori csökkenése szintén ametropiához vezet, hiszen a szemlencse rugalmasságának csökkenésével beszűkül az a távolságtartomány, amelyen belül a látórendszer éles képet tud a retinára vetíteni. Az ilyen típusú szemhiba elnevezése a presbiopia.

2.4. ábra - Kromatikus aberráció a szemben

A fentieken túl a látásélességre ható leképzési hiba a szférikus aberráció. Ez abból adódik, hogy a tökéletes látással rendelkező egyének szemében található optikai elemek felületei sem alkalmasak a tökéletes képalkotásra, csak közelítik azon negyedrendű felületek alakját, amelyek a teljes képtartományon tökéletes leképzést biztosítanának. Gyakorlati szempontból ez a hiba azonban kevésbé fontos, mert a retina felépítésében tapasztalható sajátosságok jelentősen csökkentik e hibának negatív hatásait. Erről a későbbiekben bővebben is szót ejtünk.

A látásélességet befolyásoló, fent említett aberrációs jelenségeken kívül megemlítendő még a szem optikai rendszerének kromatikus aberrációja is. A kromatikus aberráció oka, hogy az egyes optikai elemek törőereje nem független a beeső fény hullámhosszától (2.4. ábra), ennek következtében a különböző színekre különböző fókusztávolsággal bír az optikai rendszer. Ennek azért van jelentősége, mert heterokromatikus fényingerek esetén, főleg ha az inger kvázi-monokromatikus sugárzások additív keverékéből áll össze - például az autók műszerfalán alkalmazott kijelzők esetében - Az egyik színre akkomodálódott látórendszer nem képes a jellemzően más színű ingerek finom részleteinek megkülönböztetésére, hiszen azok képe életlenül vetül a retinára.

2.1.3. A retina felépítése és működése

A retinát több, egymással összeköttetésben álló sejtsor alkotja (2.5. ábra). Az ingerek terjedésének sorrendjében haladva megtaláljuk a fényérzékeny receptorok, azaz fotoreceptorok rétegét, majd a horizontális sejtek sora következik. Ezt a bipoláris és amakrin sejtek rétege követi, legvégül pedig a ganglion sejtek csoportjai következnek. Jelen alfejezetben sorra vesszük a retina fontosabb sejtjeit, azok működését, továbbá a látásérzékelés retinális feldolgozási fázisának fő elemeit. Fontos megjegyezni, hogy a retinát alkotó sejtek némelyikének teljes funkcionalitása a mai napig nem ismert, és habár a látás és színlátás neurális folyamatairól már nagyon komplex modellekkel rendelkezünk, még bőven akad kutatni és felfedezni való ezen a területen. Az mindenesetre biztos, hogy a retina látásérzékelésünk első bástyája, a frontvonalban pedig a fényérzékeny csapok és pálcikák helyezkedek el.

2.5. ábra - A retina felépítése

A fotoreceptorok az úgynevezett transzdukciós mechanizmus során alakítják a vizuális ingereket agyunk számára feldolgozható idegi jelekké. A receptorsejtek felépítése bipoláris (2.6. ábra), külső és belső szegmensre bonthatóak. A belső szegmensben helyezkedik el a minden idegsejtre jellemző szinaptikus végződés, amelynek feladata a többi idegsejttel való kapcsolat kialakítása. Szintén a belső szegmensben találhatóak a hagyományos citoplazmikus sejtszervecskék, többek közt az örökítő anyagot tartalmazó sejtmag és a sejt energiaellátásáért felelős mitokondriumok, valamint a transzdukciós mechanizmusban szerepet játszó nátriumion pumpák. A külső szegmensben találhatóak a fényérzékeny opszin molekulák.

2.6. ábra - A fotoreceptor sejtek felépítése

A külső szegmens szerkezete speciális, membrános kialakítású. A pálcikák esetében zárt, korong-szerű membránok alkotják, a csapok esetében pedig harmonikaszerűen egymásra rétegződő, összekapcsolódó membránszalag alkotja ezt a sejtrészt. A membrános felépítés mindkét receptortípusnál nagymértékben megnöveli a sejtfal fajlagos felületét a külső szegmensben, amelynek nagy szerepe van a folyamat működése szempontjából. A membránokhoz kapcsolódó opszin molekulák a beérkező fény hatására izomerizálódnak, ezzel inkompatibilissé válva a membránok csatlakozási pontjaihoz. Az izomerizálódott opszinok leválnak a membránokról, és elindítják a fototranszdukciós kaszkádnak nevezett folyamatot, amelynek során nátriumion csatornák záródnak be a sejtfalon. Ennek hatására a sejt belseje és környezete között potenciálkülönbség alakul ki, amelynek következtében a sejt külső felületén elektromos jel keletkezik. Mivel a keletkező áram arányos a bezáródó ioncsatornák mennyiségével, amely pedig a beérkező fény hatására izomerizálódó molekulák mennyiségének függvénye, a fotoreceptorok által közvetített jel minden pillanatban arányos lesz a beérkező fotonok mennyiségével. Ez jelentősen eltérővé teszi ezen sejteket a többi, jellemzően akciós potenciállal rendelkező idegsejttől, amelyek a jeltüskék sűrűségében kódolva, kvázi-digitális módon továbbítják és dolgozzák fel a jeleket.  A retinán a jelfeldolgozás és továbbítás csak a látókéreg előtti utolsó „állomáson”, a ganglion sejtek kimenetén lesz frekvenciamodulált.

A fotoreceptorok közül a pálcikák az éjszakai, vagy kis megvilágítású környezetben működő, úgynevezett scotopikus látásért felelősek. Egy típusuk van, érzékenységi maximumuk nagyjából az 505 nm-es hullámhossz környékén található. Számuk hozzávetőlegesen 106 millió. A csapok és pálcikák eloszlását a retinán a 2.7. ábra mutatja. Ezen jól látszik, hogy a pálcikák jellemzően a retina perifériális részén helyezkednek el. Ennek oka, hogy mivel az ember jellemzően a nappali órákban aktív, éjszaka jórészt csak veszélyérzékelésre használjuk látásunk. Ehhez a perifériális látóterünkben tapasztalható változások fontosabbak, így itt a jeleket sokkal gyorsabb idegpályákon továbbító pálcikák túlsúlya indokolt.

2.7. ábra - Csapok és pálcikák eloszlása a retinán

Nem csak a gyors jeltovábbítás teszi azonban alkalmassá a pálcikákat a kis megvilágítású környezetben való működéshez, hanem a csapokhoz képest jóval nagyobb érzékenységük. A pálcikák külső szegmensében található opszin molekula a rodopszin, ez egy meglehetősen instabil vegyület, izomerizációja nagyobb valószínűséggel megy végbe - azonos beérkező foton mennyiségnél -, mint a csapok opszinjai esetében. Ennek következtében a pálcikákkal jóval alacsonyabb intenzitású fényingereket is képesek vagyunk érzékelni. A csapok és pálcikák retinán vett eloszlásának, és az érzékenységükben tapasztalható különbségek szemléltetésére a legjobb példa a halvány csillagok megfigyelése. Ha egy tiszta éjszakán felpillantunk az égre, sok olyan csillagot találunk, amelyek nem láthatóak, ha közvetlenül rájuk tekintünk, kissé „mellénézve” azonban érzékelhetővé válnak. Ennek a jelenségnek a magyarázata, hogy látómezőnk közepén a színes látásért felelős csapok helyezkednek el, amelyek kevésbé érzékenyek, mint a pálcikák, így ezek a halovány csillagok érzékelésére nem képesek. Ha a perifériális látómezőnkbe pozícionáljuk a vizsgálni kívánt objektumot, annak fénye jó eséllyel a pálcikákra vetül, amelyek már kellőképpen reszponzívak ahhoz, hogy ezt a csekély fényingert is érzékelhetővé tegyék agyunk számára.

A csapok a nappali, vagy fotopikus látásért felelős fotoreceptorok. Kevésbé érzékenyek, mint a pálcikák, hiszen nappali körülmények között jóval nagyobb intenzitású fényingerek érnek bennünket. A csapoknak három típusa van, ami a gyakorlatban azt jelenti, hogy az egyébként azonos felépítésű csapsejtek kissé eltérő opszin molekulákat termelnek. Eszerint megkülönböztetünk kék-érzékeny, más néven tritos, zöld-érzékeny vagy deuteros, illetve vörös-érzékeny, azaz protos elnevezésű csapokat. Ezen receptorok jeleinek összevetésével válik lehetségessé a színek érzékelése, ennek megfelelően a csapsejtek, illetve a bennük termelődő és fény hatására lebomló fotoszenzitív molekulák alkotják színlátásunk fiziológiai alapjait. A tritos, deuteros és protos receptorok érzékenységi maximumai rendre 420-440 nm, 534-545 nm valamint 564-580 nm közé esnek. A csap receptorok (S(λ), M(λ), L(λ)), valamint a pálcikák (V’(λ)) spektrális érzékenységi karakterisztikáját a 2.8. ábra mutatja be.

2.8. ábra - Csapok és pálcikák spektrális érzékenysége

Ahogy azt a 2.7. ábra is mutatja, a rendelkezésünkre álló hozzávetőlegesen 6 millió csap jellemzően a retina közepén, a foveolának vagy látógödörnek is nevezett gödröcskében található meg nagy mennyiségben, a retina perifériális részein számuk meglehetősen alacsony. A foveola a retinának a szem optikai tengelyéhez legközelebb eső része. Látórendszerünk optikai tulajdonságai ezen a területen a legjobbak, az optikai rendszer szférikus aberrációjának - vagyis az optikai tengelytől távol eső sugarak leképzési hibájának - hatása itt a legkisebb a látásélességre. Ez az elrendezés lehetővé teszi, hogy a szférikus aberrációból adódó leképzési hibák ne terheljék nagymértékben a látórendszer felbontóképességét.

Megjegyzendő, hogy a retina felől az agyba távozó idegrostok száma a látóidegben mintegy két nagyságrenddel kevesebb, mint a retinán megtalálható fotoreceptorok együttes száma. Ennek oka az, hogy a retinán található egyéb sejtek – amakrin, bipoláris és ganglion sejtek – feldolgozzák a receptorokból származó ingerületeket, és az agyba már nem a receptorokból származó közvetlen primer jelek jutnak. Valószínű, hogy a foveola területén elhelyezkedő nagyszámú csap csaknem mindegyike rendelkezik direkt az agyba vezető idegpályával, azonban a perifériális részeken a receptorok jelei nagy számban összegződnek.

A bipoláris, horizontális és amakrin sejtek az úgynevezett interneuronok. Feladatuk az ingerületek továbbítása a fotoreceptoroktól a ganglion sejtek felé, valamint a fotoreceptorokat összefűző receptormezők kialakítása, és megfelelő bemenetek képzése a ganglion sejtek számára. Ganglion sejt és fotoreceptor között két útvonal lehetséges:

• Direkt (vagy vertikális): Fotoreceptor – Bipoláris sejt – Ganglion sejt

• Indirekt (vagy horizontális): Fotoreceptor – / Horizontális sejt / – Bipoláris sejt – / Amakrin sejt / – Ganglion sejt

Ahol:

	„-„ : Rétegek közti direkt kapcsolat
	„/” : Laterális, indirekt kapcsolat

Indirekt útvonalon a jelfolyamba bekapcsolódnak a horizontális és az amakrin sejtek is. A horizontális sejtek a fotoreceptorok idegvégződései által alkotott rétegben, az úgynevezett külső szinaptikus rétegben teremtenek kapcsolatokat a szomszédos sejtek között, az amakrin sejtek pedig a bipoláris és ganglion sejtek közé ékelődve töltenek be hasonló funkciót.

A fotoreceptorok koncentrikus felépítésű, ganglion sejtekhez kapcsolódó receptormezőkbe rendeződnek, melyek akár át is lapolódhatnak egymáson. A pálcikák nagyméretű, homogén mezőket alkotnak, közvetlen kapcsolatban pedig csak egyféle bipoláris sejttel állnak. Egy-egy pálcikákat összekapcsoló bipoláris sejthez hozzávetőlegesen 15-30 receptor tartozik. Ezek a bipoláris sejtek soha nem állnak közvetlen szinaptikus összeköttetésben ganglion sejtekkel, a jelfolyamba minden esetben amakrin sejtek ékelődnek. Hasonlóan a pálcikák és a hozzájuk kapcsolódó bipoláris sejtek kötegelődéséhez, egy-egy amakrin sejthez is több – nagyjából sejtenként 20 – pálcikákat összekapcsoló bipoláris kapcsolódik. A konvergencia a ganglion és amakrin sejtek között még ennél is nagyobb arányú lehet, esetenként egy-egy ganglion sejthez több mint száz pálcika jeleket továbbító amakrin sejt is tartozhat. Mindezekből könnyen kiszámítható, hogy a pálcikákra legjellemzőbb útvonalat követve egyeten ganglion sejthez akár sok tízezer receptor jele is befuthat. Ez a nagymértékú, retinális rétegeken átívelő transzverzális konvergencia komoly szerepet játszik a pálcikák dominálta szkotópikus, azaz éjszakai látás nagymértékű érzékenységében.

A csapok alkotta receptormezők felépítése nem homogén, centrális és perifériális részből áll (2.9. ábra). A centrális és perifériális szegmensek közötti eltéréseket a kétféle, on és off típusú bipoláris sejtek alakítják ki. Ennek megfelelően a bipoláris sejtek úgy is felfoghatók, mint egyféle előjelképző állomások a ganglion sejtek és csapok, vagy csapok csoportjai között.

2.9. ábra - Csapok alkotta retinális receptor mezők felépítése (On-centrum)

Attól függően beszélhetünk on-centrum és off-centrum receptor mezőről, hogy a receptor mezők centrumai milyen típusú bipoláris sejten keresztül kapcsolódnak a hozzájuk tartozó ganglion sejthez(2.10. ábra). Ennek megfelelően a ganglion sejtek viselkedése az előttük lévő bipoláris sejtek viselkedését tükrözik, de egyes esetekben horizontális és amakrin sejtek is módosíthatnak a jelfolyamon. On-centrum esetben a receptor mező perifériális részének ingerlése gátolja, centrális része pedig tüzelésre – jelkibocsájtásra - készteti a ganglion sejtet. Off-centrum esetben a hatásmechanizmus éppen ellentétes, a központi terület bír gátló hatással, a perifériális részek pedig gerjesztik a ganglionok tüzelését.

2.10. ábra - On- és Off- centrum típusú receptor mezők működése

A foveolában található csapok kapcsolódásai jellemzően a direkt utat követik. A receptor mezők mérete itt a legkisebb, akár egyes csapok is rendelkezhetnek külön kapcsolódási útvonallal, amíg a retina perifériális részei felé haladva a receptorok egyre nagyobb méretű receptív mezőket alkotnak. Ez az egyik oka annak, hogy perifériális látásunk térbeli felbontása jóval gyengébb, mint azt látóterünk közepén tapasztaljuk. Ahogy a pálcikák alkotta mezők esetében, úgy a nagyobb méretű csap receptor mezők kialakításában az egyes receptorokból érkező jelek összefűzésével, esetenként a jelfolyam módosításával az amakrin és horizontális sejtek is szerepet játszanak.

A ganglion sejtek alkotják a látókéreg előtti utolsó állomást, így ezen sejtek akciós potenciáljai képezik a retina kimeneti jelét. Ganglion sejtekből négyféle típust különböztetünk meg: PC (vagy P –parvocelluláris), MC (vagy M – magnocelluláris), KC (vagy K – koniocelluláris) és ipRGC (Photosensitive, azaz fényérzékeny) típust. Az PC és MC ganglion sejtek centrális és perifériális részből álló receptormezővel rendelkeznek, előbbiekhez kisebb méretű, utóbbiakhoz nagyobb kiterjedésű receptor mezők tartoznak, és amíg a PC ganglion sejtek színlátásunk alapjait képezik, és csak nagyon csekély mértékben érzékenyek a kontrasztváltozásokra, az MC típusúak nem játszanak fontos szerepet a színérzékelésben. A KC típusú sejtek a többi ganglion típushoz képest kisméretűek, receptív mezejük csak centrális részt tartalmaz, amely kék csapokhoz kapcsolódva mindig on-, vörös vagy zöld csaphoz csatlakozva pedig mindig off-típusú. Szerepük teljes mértékben még nem tisztázott, de a kontrasztérzékelésben van funkciójuk. Az ipRGC típusú ganglion sejtek receptor mezeje sokkal heterogénebb, csapokat és pálcikákat egyaránt tartalmaz, és az általuk továbbított ingerületek nem a vizuális ingerek kialakításában játszanak szerepet, hanem a fény nonvizuális hatásainak formálásáért felelnek.

2.11. ábra - ipRGC típusú ganglion sejtek jelképzése

A legújabb kutatások szerint az ipRGC ganglionok önmagukban is fényérzékenyek, tartalmaznak ugyanis opszin molekulát, az úgynevezett melanopszint. Ezen vegyület lebomlásával önmagában is eredményezhet jelképzést a sejt kimenetén, azonban a teljes hatásmechanizmus működésében a ganglion sejt receptor mezejében elhelyezkedő csapoknak és pálcikáknak is szerepük van. Az ipRGC ganglionok működésére jellemző, hogy lassan reagálnak a beérkező ingerekre, valamint az ingerek megszűnésére is (2.11. ábra). Az ipRGC ganglionok száma elenyésző a többi ganglion típushoz mérten, eloszlásuk a retinán nagyjából egyenletes.

2.12. ábra - Melatonin szint és a cirkádián ritmus

Működésük elsősorban a cirkádián ritmusra (2.12. ábra), vagyis a napszakokkal változó életritmusunkra van hatással, leginkább a melatonin hormon vérbe való kiömlésének elősegítésével és gátlásával. A melatonin mennyisége határozza meg éberségi szintünket - ha ezen hormon szintje magas a véráramban, szervezetünk pihenő üzemmódba kapcsol, elálmosodunk és végül elalszunk. A cirkádián ritmus számos életfunkció váltakozását foglalja magában. Tartalmazza a pulzusszám, vérnyomás és testhőmérsékletet változását, valamint a melatoninon kívül egyéb hormonok, például a cortisol szintjét is. A melanopszin molekula színképi érzékenységének maximuma a látható tartomány kék és ibolya szegmensébe tehető (2.13. ábra). Amikor az ipRGC ganglion sejtet és receptor mezejét olyan spektrális teljesítmény eloszlású fény ingerli, amely nagy mennyiségben tartalmaz kék komponenst, a melatonin hormon termelődése és kiömlése gátolt. Ha az ipRGC ganglionok ingerlése megszűnik, a vér melatonin szintje megemelkedik.

2.13. ábra - ipRGC ganglion sejtek spektrális érzékenysége

A vizuális érszékelésben résztvevő pálcikák legtöbbje direkt kapcsolattal rendelkező, nagy kiterjedésű receptormezőt alkot. A pálcikák perifériális elhelyezkedésén túl ez okozza éjjeli látásunk rosszabb felbontóképességét. Cserébe a csapokhoz képest jóval érzékenyebb receptorok jeltovábbítása is gyorsabb a nappali látás által igénybevett csatornák jelterjedési sebességéhez képest. Szürkületi látáskor a pálcikák jelei réskapcsolatokon keresztül a csapoknak adódnak át, lehetővé téve ezzel a kétféle receptor együttes működését olyan megvilágítási körülmények között, amely ezt indokolttá teszi – a csapoknak már túl kicsi, a pálcikáknak még túl nagy megvilágítási szint. Sötétben a réskapcsolatok záródnak, a pálcikák jeltovábbítása pedig a bipoláris sejteken keresztül folyik tovább. A szürkületi, vagy más néven mezopos látás különös fontossággal bír járműoptikai alkalmazások esetén, ezért annak sajátosságaival a későbbiekben külön alfejezetben foglalkozunk.

Színlátásunk mechanizmusának alapját a három különböző spektrális érzékenységgel rendelkező csap receptorból származó válaszjelek, valamint az általuk elindított retinális és agyi feldolgozási folyamatok adják. Az előbbiekben ismertettük a fotoreceptorok és a hozzájuk kapcsolódó további retinális neuronok működését, ezen fejezetben pedig a színérzékelés rendszerszintű összefüggéseivel foglalkozunk.

A trikromázia, vagyis a három eltérő érzékenységű fotoreceptor együttes működésének elmélete már jóval azelőtt alakot öltött, mintsem a csap receptorok három típusának fiziológiai igazolása megtörtént volna. Ennek alapját az a megfigyelés képezte, hogy három különböző, egymástól független alapszín additív keverékéből bármelyikszíninger létrehozható - az alapszínek függetlenségének kritériuma azt jelenti, hogy egyik alapszín sem lehet előállítható a másik kettő keverékeként. A színlátás trikromatikus szemléletű kutatásának úttörői, Young és Helmholz tehát pusztán elméleti alapon jutottak később helyesnek bizonyuló fiziológiai következtetésekre.

Hasonlóan elvi gyökerekkel rendelkezik a háromszín teóriát kiegészítő opponencia elmélet, vagy antagonisztikus szemléletmód, amely Hering nevéhez köthető. Az opponencia elmélet kiindulási alapja az a felismerés volt, hogy az alapszíneknek tekintett színingereknek vannak olyan kombinációi, amelyek logikailag elképzelhetőek, mégsem társul hozzájuk önálló színfogalom. Ennek megfelelően nem érzékelünk és nevezünk meg vöröses-zöld, vagy kékes-sárga színingereket, ellentétben a sárgás-zöld és kékes-zöld (vagy türkiz) illetve a sárgás-vörös (narancssárga) vagy kékes-vörös (bíbor) ingerekkel, amelyek minden épszínlátó számára ismeretesek. Ebből az a következtetés vonható le, hogy a „köztes színingerekkel” nem rendelkező színpárok úgynevezett alap színpárok, a színingerekre vonatkozó információ pedig ezeknek megfelelő két kromatikus csatornán az alapszínpárok különbségértékeiként kódolódnak. Harmadik opponens csatornaként számon tartunk egy akromatikus, azaz színingert nem, csak intenzitás értékeket kódoló csatornajelet is.

Elsőre úgy tűnhet, hogy a trikromácia és az opponencia elmélete nehezen egyeztethető össze, ennek okán a pontos fiziológiai háttér megismeréséig a két elméletet egymással szembenállónak tartották. A 20. század második felében elvégzett pszichofizikai kísérletek azonban igazolták, hogy a két elmélet a színlátás két különböző szintjének működését vázolja. A primer szint a három eltérő színképi érzékenységgel rendelkező csap receptor válaszjele, amelyek további retinális feldolgozási mechanizmusokon keresztül alakulnak az opponencia elmélet által leírt csatornajelekké (2.14. ábra).

2.14. ábra - Opponens jelek képzése a retinán

Az akromatikus csatornajel, a környezet objektumainak világosság jellemzőivel kapcsolatban kódol információt. Az emberi szem világosságérzékelésének spektrális vizsgálatai során kimutatták, hogy a nappali látásérzékelésünk hullámhosszfüggő hatékonyságát leíró függvény (a V(λ) függvény, lásd később) jól közelíthető a vörös-érzékeny (L) és zöld-érzékeny (M) csapok érzékenységi karakterisztikáinak súlyozott összegével. Ez az összegzés az erre specializálódott ganglion sejteken keresztül történik. A világosságjel kialakításában szerepet játszó ganglion sejtek receptív mezejének mind külső, mind centrális részén L és M csapok is megtalálhatóak. Ezek jellemzően nagy kiterjedésű, széles laterális kapcsolatrendszerrel bíró mezők, melyek közt mind On- mind Off- centrum típusúak is megtalálhatóak. On-centrum esetében a receptív mező középpontjának ingerlésére nő meg a ganglion sejtek tüzelési frekvenciája, így ez a mechanizmus a sötét háttér előtt megjelenő világos objektumok érzékelését végzi. Off-centrum esetben a hatás pont az előző fordítottja, a környezetet alkotó csapok ingerlése gerjesztő, míg a centrumra eső fény gátló hatású a ganglion sejt kimenetére nézve, így a világos háttér előtt megjelenő sötét objektumok idéznek elő magasabb tüzelési frekvenciát. Különbség még az On-centrum és Off-centrum mezők között, hogy működésük jellegéből adódóan utóbbiak kontrasztérzékenysége nagyobb. Egyenletesen világos környezet esetében mindkét mezőkialakítás kimenete átlagos frekvenciával tüzel, hiszen a gerjesztő és gátló mezők egyszerre ingereltek, egyenletesen sötét háttér esetén pedig egyik esetben sincs jelképzés. Az akromatikus csatornajelet kialakító mechanizmus hatására jön létre a laterális gátlásnak nevezett folyamat, amelynek segítségével a receptor mezők szerkezetéből adódó következmények jól szemléltethetőek. Az ilyen és ehhez hasonló retinális feldolgozási folyamatok esetenként optikai csalódásokon keresztül érhetőek tetten. A laterális gátlás működésének szemléltetésére az úgynevezett Hermann rács alkalmas, ahol nagyobb sötét tartományok között keskeny világos sávok futnak (2.15. ábra). Az ábrát vizsgálva feltűnik, hogy a látómezőnk perifériális részén a csomópontokban sötét foltokat érzékelünk, holott tudjuk, hogy a világos sávok kialakítása homogén. Az is feltűnik, hogy látómezőnk centrális részén a jelenség nem megfigyelhető. A fekete foltok kialakulásának magyarázata az, hogy amikor a szomszédos sötét mezők oldalai közti világos sávok képe On-centrum típusú receptív mezőre esik a retinán, a mezőhöz kapcsolódó ganglion sejt erős gerjesztést kap, hiszen a gátló területekre csak vertikális vagy horizontális irányban esik fény, így a gátló mező területének nagy része nem kap gerjesztést. A csomópontokban, azaz a sötét mezők csúcsainál viszont a perifériális gátló mezőterület ingerlése az itt horizontális és vertikális irányban is jelenlévő csíkozatmiatt kétszeres az élek mentén kialakuló körülményekhez képest, így az agy azt az információt kapja, hogy a csúcsok közti terület sötétebb. Ez egyfajta kontrasztkiemelő hatást eredményez, melynek következtében a kiterjedtebb sötét határral rendelkező világos képrészek intenzívebbnek tűnnek.

2.15. ábra - Hermann rács és a laterális gátlás

Az akromatikus csatorna jeltovábbítása vastagabb, magnocelluláris idegpályákon, MC típusú ganglion sejtek közreműködésével történik, így a jelfolyam gyorsabb, de jóval kisebb térbeli felbontású, azaz nem képes a vizuális ingerek finom részleteinek érzékelésére. Elmondható továbbá, hogy a retina centrális részére nem jellemző ez a fajta mező-szerkezet - ez a (2.15. ábra) ábrán is tetten érhető, hiszen a látómezőnk közepére pozícionált csomópont esetében nem figyelhető meg a periférián jól érzékelhető gátló hatás. Ennek oka, hogy a retina centrális részén a receptív mezők finomabb szerkezetűek. Megemlítendő még, hogy egyes források szerint az S csap is részt vesz az akromatikus csatornajel képzésében, de hatása a végső jelalakra igen csekély, gyakorlati szempontból elhanyagolható.

A kromatikus, vagyis színi információkat is kódoló csatornák közül a vörös-zöld opponenciát alkotó mechanizmus működése nagyon hasonló az akromatikus csatorna képzéséhez, és a foveális területen a színérzékelés mellett a nagyfelbontású kontrasztérzékelést is az elsősorban a vörös-zöld kromatikus csatorna formálását végző receptorok szolgálják ki. Eltérés a receptív mezők szerkezetében, valamint a jeltovábbítást végző idegpályákban és a hozzájuk kapcsolódó ganglion sejtek típusában van. A vörös-zöld opponens jel képzésében részt vevő receptor mezőket is L és M csapok alkotják, a mezők szerkezete azonban jóval rendezettebb, mint az akromatikus jelcsatorna esetében. Itt ugyanis a mezők centrális és perifériális része kizárólag egy-egy típust tartalmaz. Ha a centrumban L csapok helyezkednek el, a környezetben M típusúak, és fordítva. L típusú csapok alkotta centrum esetén, ha a beérkező fény vörös, a ganglion sejt tüzelési frekvenciája nagyobb lesz. Zöld fény beesése esetén nincs kimenő jel, mert a periférián elhelyezkedő M csapok ebben az esetben gátló hatásúak. Sárga fény esetén a gerjesztés és gátlás azonos mértékű, így a tüzelési frekvencia átlagos lesz (2.16. ábra). Ennek megfelelően elmondható, hogy a ganglion sejt kimenetén az akciós potenciálok tüzelési frekvenciája a beeső fény vörös-zöld arányával megegyező nagyságú lesz. M típusú centrummal rendelkező receptív mezők esetében a mechanizmus működése ugyanilyen, csak fordított előjelű. A kromatikus csatornajeleket képző ganglion sejtek PC típusúak, elhelyezkedésük túlnyomó többségben a foveolára koncentrálódik. A receptív mezők szerkezete jóval finomabb, mint az akromatikus jeleket képző mezőké, akár egyetlen direkt kapcsolattal rendelkező csap is alkothatja a mező centrális részét. Ennek a nagyon finom sejtmintázatnak a kialakításához a vaskos idegpályák nem megfelelőek, így a jeltovábbítás nem a már ismert magnocelluláris pályákon, hanem a sokkal vékonyabb axonok (idegsejt nyúlványok) alkotta parvocelluláris idegpályákon történik. Ez lehetővé teszi a vizuális ingerek finomabb részleteinek feldolgozását is.

2.16. ábra - Vörös-zöld opponens jel kialakulása

A sárga-kék kromatikus csatornajel képzése során a mechanizmus működése a fent vázoltakhoz hasonlóan történik, azzal a különbséggel, hogy itt a retinán jóval ritkábban fellelhető kék érzékeny S csapok is szerephez jutnak. A kapcsolódó ganglion sejtek számára ezen receptorok szolgáltatják a kék fény beesése esetén szükséges gerjesztést, a gátló hatást pedig a receptív mező másik részén található M és L csapok alkotta receptor köteg váltja ki. A sárga ingert nem külön csaptípus, hanem az M és L csapok együttes jelenléte biztosítja a receptor mező gátló területein, amelynek hatására a gátlás mértéke ezen csapok együttes ingerlésének mértékével, azaz az L és M csapok jelének összegeként leírható sárga színinger mértékével lesz arányos. A sárga-kék opponens párt képző receptor mezők felépítése a másik kromatikus csatornával megegyező módon finomszerkezetű, a jeltovábbítás itt is a vékonyabb parvocelluláris idegpályákon keresztül történik.

Az így kialakult kromatikus és akromatikus csatornajelek ezután a látóidegen keresztül az agyba továbbítódnak. A rendezett kötegben futó látóidegpályák mentén még az agy releváns részének elérése előtt megkezdődik a jelek feldolgozása, a kép már itt élekre, formákra, tónusokra bomlik, majd a megfelelő axonok az agy tarkó felöli területén megtalálható látókéregbe, más néven cortexbe továbbítják a jeleket. A cortex egyes részeiben történik a vizuális ingerek végső értelmezése, itt alakulnak ki a tudatunkban, emlékeinkben megjelenő képek.

Látórendszerünk alapvetően kétféle adaptációs mechanizmussal rendelkezik, melyek kialakításában több eltérő funkcionalitással rendelkező folyamat is szerepet játszik. Az összetettebb mechanizmus mindenképpen a világos-sötét illetve a sötét-világos adaptáció többlépcsős folyamata, de a színi adaptáció relatíve egyszerűbb mechanizmusa is komoly hatást fejt ki látásérzékelésünk egészére.

2.3.1. Sötét és világos adaptáció

Ha a sötét-világos arányt, azaz a környezet fénysűrűség értékét, mint környezeti változót vizsgáljuk, elmondható, hogy az emberi látás rendkívül nagy intenzitástartomány átfogására képes. Pusztán néhány foton elegendő ahhoz, hogy jelfolyamot  indítson meg a retina különböző rétegei között, és a meginduló inger vizuális észleletté alakuljon. Ugyanakkor nyáron, a déli napfényben retinánkra záporozó milliárdnyi foton által keltett jelek feldolgozása sem jelent akadályt látórendszerünknek, mi több, ilyen körülmények között is csaknem olyan komfortosan érezzük magunkat, mint alacsony vagy általános fénysűrűségű környezetben. Az említett végletek között az észlelt fénysűrűségben és a környezetben található felületek megvilágítottságát tekintve - figyelemre méltó - 6-8 nagyságrend eltérés van. Jelenleg a műszaki területeken alkalmazott szenzorok meg sem közelítik ezt a dinamika-tartományt.

Látórendszerünk erre a figyelemreméltó teljesítményre több különböző mechanizmus együttes működésével, illetve eltérő körülmények között más-más mechanizmusokat működtetve képes. A fényviszonyok megváltozására adott első reakció a pupillareflex. A retinára beérkező fény intenzitásának növekedésével a szivárványhártya közepén található pupillanyílás mind jobban összeszűkül, csökkentve ezzel a szem belső részébe jutó fény mennyiségét. A pupillareflex vezérléséért a korábban leírtak szerint az ipRGC típusú, azaz fényérzékeny ganglion sejtek és a hozzájuk kapcsolódó fotoreceptorok, valamint a jeleiket feldolgozó neurális folyamatok felelősek. Érdemes megjegyezni, hogy a fényérzékeny ganglion sejtek önmagukban, a hozzájuk kapcsolódó receptorok jelei nélkül is képesek a pupillareflex bizonyos mértékű kivezérlésére. Ugyanez fordítva is elmondható, a melanopszin molekulák eltávolításával, ezzel a W ganglion sejt fényérzékenységének megszüntetésével, pusztán a hozzá kapcsolódó receptorok ingereivel is csökevényes pupillareflex figyelhető meg. A teljes funkcionalitását azonban csak a két receptortípus együttes működése biztosítja. A pupilla összehúzódásának sebessége eltérő hullámhosszú ingerlésre nem állandó. A rövidebb hullámhosszú sugárzás jóval gyorsabb összehúzódásra készteti a szivárványhártyát, mint a hosszabb hullámhosszú. Ennek magyarázata a melanopszin molekulák színképi érzékenységében keresendő, amelynek maximuma a rövidebb hullámhosszú, kék tartományra tehető. Fiziológiai szempontból azért indokolt a rövidebb hullámhosszakra való gyorsabb reakció, mert ezen a spektrumtartományon nagyobb energiájú a sugárzás, vagyis az rövidebb idő alatt fejthet ki káros hatást.

A pupillareflexen túl látórendszerünk egyéb, jóval összetettebb mechanizmusokkal is válaszol a környezeti fénymennyiség megváltozására. A nappali látás során működő csapok a fénymennyiség csökkenésével inaktív állapotba kerülnek, és a jóval érzékenyebb pálcikák aktivizálódnak, ezzel látórendszerünk éjjeli üzemmódba vált. A két mechanizmus közötti átváltás nem diszkrét átmenettel, hanem egy bonyolult működésű köztes folyamaton, a mezopos látásmechanizmuson keresztül történik, amikor mindkét receptortípus működésben van. Ezen mechanizmus járműoptikai szempontból vett fontossága miatt külön alfejezetben részletesebben foglalkozunk. A sötét-világos és világos-sötét adaptáció (a továbbiakban világos(ra), illetve sötét(re) adaptáció) dinamikája között akadnak eltérések, ezért a két folyamat különböző módszerekkel vizsgálható.

A sötét adaptáció vizsgálatához a tesztalanyok egy sötétszobában foglalnak helyet, és megadott időközönként be kell állítaniuk egy tesztfelület fénysűrűségét nulláról, a már éppen észlelhető szintre.  A vázolt mérés eredményeként kapott görbéket mutatja a 2.17. ábra.

2.17. ábra - Sötét adaptációs görbék

A sötét adaptációs görbéket vizsgálva jól elkülöníthető két hasonló karakterisztikájú, de különálló görbeszakasz. Az adaptációs idő elején magasabb fénysűrűség érték beállítása szükséges a tesztfelület észleléséhez. A fénysűrűség küszöbértéke egy darabig rohamos ütemben csökken, majd a görbe fokozatosan ellaposodik. Ez utóbbi/előbbi görbeszakasz a csapok adaptációs mechanizmusát jeleníti meg, így az ellaposodó görbeszakasz a csapok által érzékelhető legalacsonyabb küszöbértéket mutatja. Ha csak csap típusú receptor sejtekkel rendelkeznénk, ennél alacsonyabb fénysűrűség értékeket nem lennénk képesek érzékelni. Azonban a csapok érzékenységi küszöbét elérve működésbe lépnek a sokkal érzékenyebb pálcikák. A pálcikák sötét adaptációs görbéi alkotják a 2.17. ábra által bemutatott adaptációs karakterisztika második, az első szakasztól jól elkülöníthető részét. Ezek a görbék jellegüket tekintve nagyon hasonlóak a csapok esetében tapasztalhatóakhoz, azonban küszöbértéküket jóval alacsonyabb fénysűrűség szinteken érik el. A 2.17. ábragörbéin az is megfigyelhető, hogy a pálcikák érzékenységi küszöbértékének eléréséhez több sötétben töltött idő eltelte szükséges, mint a csapok esetében.

A sötét adaptációs görbék általános megadáskor görbesereget vagy tartományokat, nem pedig individuális görbéket ábrázolunk. Ennek oka, hogy a görbe pontos alakját számos tényező befolyásolja. A vizsgálat előtti elő-adaptációs körülmények, úgymint a pre-adaptációs környezetben eltöltött idő, és a környezet átlagos megvilágítottsága jelentős mértékben megváltoztatják az adaptációs görbék lefutását. Mindezeken túl a görbealakra hatással van még a tesztfelület megvilágítására használt fény spektrális teljesítmény eloszlása, a csapok és pálcikák heterogén retinális eloszlása miatt a teszt során ingerelt retinatartomány pozíciója, valamint hasonló okokból a tesztfelület átmérője is. Az adaptációs mechanizmusokat befolyásolja még a vakítás jelensége is. Vakítás akkor lép fel, ha a retinára eső fény hatására lebomló fotopigmentek száma a receptorokban nagyobb, mint amennyi azonos időegység alatt újratermelődni képes. Amennyiben a pre-adaptációs környezet fénysűrűsége elég nagy, és a vizsgált személyek által itt töltött idő megfelelő hosszúságú ahhoz, hogy a fotopigmentek termelődése és lebomlása közötti egyensúly megbomoljon vagy ne legyen képes beállni a receptorokban, a hatás befolyással lesz a sötét adaptációs görbék alakjára.

Fontos megjegyezni, hogy a vakítás hatása nem lineáris, hanem logaritmikus, valamint a csapok sötétadaptációjára kevésbé van hatással, mint a pálcikákéra. Az receptorokban megtalálható opszin molekulák mennyisége retinális denzitometriával mérhető, ahol a retináról visszaverődő fény spektrális teljesítmény eloszlásának és abszolút intenzitásának elemzésével állapítható meg a lebomlott fotopigment mennyiség. A módszer alapját az az egyszerű jelenség adja, hogy a pigmentek bomlásukhoz fotonokat abszorbeálnak, így minél magasabb a fotoreceptorokban az opszinok mennyisége, annál kevesebb visszavert fény mérhető egyes hullámhossz tartományokon. A pálcikákban található rodopszin 1%-ának lebomlása hozzávetőlegesen 10 egységgel csökkenti az adaptáció elején tapasztalt kezdeti érzékenységet. Ennek megfelelően a rodopszin molekulák 50%-ának lebomlása 10 logaritmikus egységgel csökkenti a kezdeti érzékenységet, ám a csapok esetében ugyanennyi pigment lebomlása csak másfél logaritmikus egységgel csökkenő érzékenységet eredményez. Sötétadaptáció alatt tehát a csapokban és a pálcikákban található fényérzékeny pigmentmolekulák lebomlásának és termelődésének egyensúlyi állapotba kerülését értjük, vagyis a sötét adaptációs görbék a látásérzékeléshez szükséges idegi jeleket lebomlásukkal elindító pigment molekulák sokaságának felépülési dinamikáját mutatják.

Világos adaptáció esetén látórendszerünknek a pre-adaptációs környezethez képest magasabb fénysűrűségű háttérhez kell alkalmazkodni, hogy a háttér előtt megjelenő eltérő fénysűrűségű céltárgy detektálható legyen. A világos adaptáció lefolyása az úgynevezett küszöbérték növekményméréssel vizsgálható (2.18. ábra). Ennél a vizsgálati módszernél a vizsgálati személy egy adott fénysűrűségű háttér közepén található célterület fénysűrűségét változtathatja egészen addig, amíg a céltárgy vizuálisan elkülöníthetővé válik a háttértől. Ennek megfelelően a mérés során a háttér fénysűrűsége a független, a céltárgy fénysűrűsége pedig a függő változó.

2.18. ábra - Küszöbérték növekménymérése

A 2.18. ábra által mutatott mérési elrendezés lényege, hogy a vizsgálat a háttér különböző fénysűrűség értékeinek beállításával is megismételhető, így a háttér fénysűrűsége és az észlelési küszöbérték közötti összefüggés grafikon formájában felrajzolható - ez az úgynevezett TVI („threshold-versus-intensity”) görbe. Akárcsak sötét adaptáció esetén, a világos adaptáció működését szemléltető görbe is két részre bontható (2.19. ábra). A háttér alacsonyabb fénysűrűség értékeihez tartozó görbeszakasz a pálcikákhoz tartozó küszöbérték növekményt ábrázolja, a magasabb háttérfénysűrűségek esetén pedig az első görbeszakasztól jól elkülöníthetően látszik a csapok világos adaptációs mechanizmusának lefutása. A görbék ábrázolása a világos adaptáció jellemzésekor logaritmikus skálán történik, lefutásukat pedig a sötét adaptációs görbék esetén fentebb említett külső tényezők befolyásolják.

2.19. ábra - A világos adaptáció küszöbérték növekmény karakterisztikája

Mivel a világos adaptációs görbék mérésekor alkalmazott küszöbérték növekmény függő és független változója is könnyen kontrolálható, ez a módszer a sötét adaptációs méréshez képest jobb lehetőséget ad az adaptációs mechanizmus összetettebb vizsgálatára, hiszen ott a független változó – a sötétben eltöltött idő – természeténél fogva nehézkessé teszi a tesztek precízen kontrolált kivitelezését. A küszöbérték növekmény vizsgálat során a háttér és a célterület spektrális teljesítmény eloszlásának megfelelő megválasztásával a pálcikák alkotta rendszer izoláltan gerjeszthető, így a pálcikák működéséhez tartozó görbék pontos karakterisztikája, finomszerkezete is megfigyelhető (Aguilar és Stiles, 1954). Ehhez a hátteret vörös színűre kell választani, így a célterület környezetének jellemzően hosszú hullámhosszú sugárzása a vakítás mechanizmusa miatt - vagyis a receptorokban található fotopigmentek nagy részének lebontásával – telítésbe viszi a csapok alkotta vizuális rendszert, amelynek következtében megfelelően megválasztott zöld színű célterülettel csak a pálcikák alkotta válaszjelek lesznek befolyással a tesztalanyban keltett végső észleletre, így a mérés eredményére. Az ezzel a módszerrel mért, pálcikákhoz tartozó küszöbérték növekmény görbék jól láthatóan négy részre bonthatóak (2.20. ábra).

2.20. ábra - A világos adaptációs görbe finomszerkezete (Pálcikák esetén)

Az első szakasz az úgynevezett „sötét zaj”, amely a viszonylagos instabilitásuk miatt gerjesztés nélkül, vagy termikus hatások eredményeként lebomló opszinmulekulák által indukált jel, valamint a jelképzés neurális rendszerének más elemeiből származó zajok szuperpozíciójaként adódik.

Ezt követi a négyzetgyök törvény, vagy más néven de Vries-Rose törvény által jellemzett szakasz. Ez a szakasz képez átmenetet a sötét zaj tartománya, és a Weber törvény által jellemzett tartomány között. A látórendszer működésének vizsgálatához annak viselkedését legtöbbször egy teoretikus rendszerhez, az ideális fénydetektor működéséhez hasonlítjuk. Az ideális detektort definíciója szerint minden ráeső fotont elnyel, így érzékelési képességeit kizárólag a fényforrás kvantumfluktuációja, vagyis a fotonok keletkezésének véletlenszerűsége határolja be. Rose (1948) szerint ennek megfelelően a látórendszer érzékenységének is egy adott tartományon erős összefüggést kell mutatnia a háttér kvantumfluktuációjával, így arányosnak kell lennie a háttér fénysűrűségének négyzetgyökével. A világos adaptációs görbe második szakasza nem felel meg tökéletesen ennek a szabályszerűségnek, de jellegét tekintve egyezést mutat, a csekély eltérést pedig a következő görbeszakaszba történő tranziens átfutás okozza.

A harmadik, egyben talán a legfontosabb szakasz a korábban már említetteknek megfelelően a Weber törvény által jellemezett tartomány, illetve az a szakasz, amelyre a törvény igaznak mondható. A Weber törvény szerint a háttér fénysűrűségének és a célterület küszöbérték növekményének aránya állandó. Ez a törvényszerűség látórendszerünk egyik alapvető jellemzőjére világít rá. A mindennapi életben leggyakoribb vizuális feladat adott tárgyak elkülönítése különböző hátterektől. A megkülönböztetéshez a vizsgált tárgyaknak minden esetben rendelkezniük kell valamekkora kontraszttal a háttérhez képest, ezen a kontrasztnak pedig függetlennek kell lennie a megvilágítás intenzitásától. A harmadik görbetartomány az, ahol ez a függetlenség fennáll, így elmondható, hogy látórendszerünk ezen a tartományon működik rendeltetésszerűen. Ezen a szakaszon definiálható az úgynevezett Weber konstans, amely a háttér és a tőle már éppen megkülönböztethető céltárgy közötti kontrasztarány. Ez az arány a pálcikákra 0.14 (Cornsweet, 1970), a vörös és zöld érzékeny csapokra rendre 0.02 és 0.03 (Davson, 1990), a kék érzékeny csapokra pedig 0.09 (Stiles, 1959) értékekre adódik.

A negyedik görbetartomány a szaturációs szakasz. Itt a háttér nagy fénysűrűség értékei telítésbe viszik a gerjesztett pálcikákat, azaz a bennük található fényérzékeny rodpopszin gyorsabban bomlik le, mint ahogy újratermelődni képes. Ezen körülmények között a világos adaptációs görbe pálcikák jellemezte szakaszának meredeksége emelkedni kezd, majd működésbe lépnek a csapok, ezzel pedig a világos adaptáció következő szakasza. A csapok világos adaptációjának működése a pálcikákkal megegyező módon zajlik. Különbség mindössze az intenzitási szintekben, illetve a Weber törvény által jellemzett lineáris szakasz meredekségében tapasztalható.

2.3.2. Színi adaptáció és más színlátást befolyásoló mechanizmusok

A sötét és világos adaptációval látórendszerünk a környezet fénysűrűségének megváltozását követi. Van azonban egy másik, ettől eltérő adaptációs mechanizmus is, amely a környezetet megvilágító sugárzás spektrális teljesítmény eloszlásának globális megváltozására, valamint a vizsgált tárgy környezeti viszonyaira reagál - ez az úgynevezett színi adaptáció, színkonstancia vagy von Kries-féle adaptáció.

Ahhoz, hogy a különböző hátterek előtt ne csak megkülönböztetni, hanem felismerni is képesek legyünk a tárgyakat, a kontrasztérzékelés intenzitásfüggetlenségéhez hasonlóan különböző környezeti körülmények esetén szükség van a színérzékelés bizonyos mértékű függetlenségére is. Egy papírlapot a déli napsugárzás sokkal magasabb színhőmérsékletű, azaz kékesebb fényénél is ugyanúgy fehérnek érzékelünk, mint a felkelő vagy lemenő Nap sugarai által megvilágítva, amikor is a légkör abszorpciós hatásának növekedésével – nagyobb légtömegen halad keresztül a sugárzás – a környezet vörösesebbé válik (2.21. ábra).

2.21. ábra - Napsugárzás változása a nap folyamán

Látórendszerünk ezen alkalmazkodási képességét nevezzük színi adaptációnak. A mechanizmus alapját a vörös-, zöld- és kék-érzékeny fotopigmentek lebomlása és termelődése közötti egyensúly beállása jelenti. A korábban felhozott fehér papírlapos példán keresztül a jelenség könnyen megérthető. Egy céltárgy színét akkor érzékeljük neutrálisnak, azaz fehérnek, ha az arról reflektált fény mind a három különböző típusú csap receptort hozzávetőlegesen azonos mértékben ingerli. Ha alapesetben feltételezzük, hogy a céltárgyat megvilágító fény spektrális teljesítmény eloszlása ekvienergikus – vagyis minden hullámhosszon azonos intenzitású –, a csapreceptorok érzékenységének maximum értékei úgy fognak alakulni egymáshoz képest, hogy a görbék alatti terület egységnyi értéket vegyen fel, azaz a három eltérő érzékenységű receptor által adott válaszjel egyenlő legyen (2.22. ábra).

2.22. ábra - Ekvienergikus környezetre adaptált csap érzékenységi görbék

Abban az esetben, ha a céltárgy megvilágításának spektrális teljesítmény eloszlása megváltozik, a receptorok a korábbitól eltérő mértékben ingerlődnek – ilyen módon pedig a korábbiakban neutrális fehér papírlapot valamilyen színezettel rendelkezőnek érzékeljük. Ilyenkor azonban a receptorokban található pigment molekulák bomlása és termelődése közötti egyensúly is megbomlik. Ez az egyensúly azonban idővel – néhány perc elteltével- helyreáll, és így a fehér papír újra színezet nélküli, neutrális észleletet kelt. A teljes mechanizmus működése ennél jóval összetettebb, a retinális ingerfeldolgozásnál sokkal mélyebb kognitív területeket is érint, azonban elmondható, hogy a színi adaptációs képesség fundamentumait a fényérzékeny pigmentek bomlásának és termelődésének egyensúlya teremti meg. A színi áthangolódás azonban csak bizonyos határok között működik, vagyis neutrális észlelet az észlelő színterében az ekvienergikus környezeti sugárzás hatására beálló neutrális pont meghatározott környezetébe eső színpontokra jöhet létre.

Ha nem neutrális ingerből indulunk ki, hanem egy monokromatikus fényhez keverünk egyre több neutrális hátteret, vagy növeljük a monokromatikus fény spektrális eloszlásának félérték szélességét - azaz a kiinduló színünket tesszük egyre telítetlenebbé -, azt figyelhetjük meg, hogy az észlelt színnek nemcsak a telítettsége, de kis mértékben a színezete is változik (2.23. ábra). Ez az úgynevezett Abney effektus, amely nevét első megfigyelőjéről, Sir William Abneyról kapta. A jelenség érdekessége, hogy eltérő hullámhossz tartományokon más-más irányú eltolódást eredményez. 500 nm alatt a deszaturált inger által keltett észlelet kékesebbnek, 500 nm felett sárgásabbnak tűnik. A telítettség csökkenésével az adott színinger által kiváltott világosság észlelet sem az elvárt módon változik. Azonos fénysűrűség mellett az erősen telített színek világosabb érzetet váltanak ki, mint azok deszaturált árnyalatai. Ez a jelenség az úgynevezett Helmholtz-Kohlrausch effektus, amely alapján elmondható, hogy a kromatikus világosságérzékelés nem követi Weber linearitási törvényét.

2.23. ábra - Az Abney effektus szemléltetése

A környezet spektrális teljesítmény eloszlásán kívül a környezeti fény intenzitásváltozása is hatással van színlátásunkra, ez az úgynevezett Bezold-Brücke eltolódás. Ha növeljük a céltárgyról visszavert fény intenzitását, az Abney effektussal megegyező hatást tapasztalhatunk, azaz 500 nm alatt kékesebbnek, 500 nm felett sárgásabbnak tűnnek az árnyalatok. Ha azonban a céltárgy megvilágítottsága csökken, a hatás leginkább a vörös-zöld tartományon jelentkezik. Egy vörös virágot szemlélve zöld levelek előtt, először a szirmok veszítenek nagyobb mértékben telítettségükből, ahogy csökken a megvilágítás intenzitása, egészen addig, amíg bele nem olvadnak a még kissé zöldnek tűnő levelek alkotta háttérbe, majd a megvilágítás további csökkenésével végül mind a szirmok mind a levelek elveszítik színezetüket.

2.24. ábra - Purkinje effektus

Az úgynevezett Purkinje effektus (2.24. ábra), létrejötte a nappali vagy fotopos fényhatásfok függvény - vagyis a V(λ) görbe - és az éjjeli, más néven szkotopos fényhatásfok függvény – azaz a V’(λ) görbe - közti átmenettel magyarázható. Előbbi esetében a csaplátás a domináns látási mechanizmus, utóbbi esetében pedig a pálcikák dominálta látórendszer működik. A kettő közötti átmenet során látórendszerünk érzékenységi maximuma a rövidebb hullámhosszak felé tolódik - ez az átmeneti tartomány képezi a mezopos látástartományt.

2.3.3. Az emberi látás működése különböző megvilágítási szintek mellett

A korábbiakban már érintőlegesen szó esett a fotopos és szkotopos látásról, valamint a kettő közötti átmenetet képező mezopos látástartományról. Foglaljuk össze röviden, hogy mit is takarnak ezek a fogalmak, és hogyan kapcsolódnak egymáshoz, valamint látórendszerünk működésének más területeihez.

A világosságérzékelés vizsgálatára alkalmazott modern módszer az úgynevezett villogásos fotometria. Az ilyen mérések során látórendszerünk azon sajátossága kerül kihasználásra, hogy a retinális jelképzés során a magasabb neurális szintek felé magnocelluláris idegpályákon közlekedő világosságjel akkor is ad az agy számára értelmezhető jeleket, ha a látómező egyes területeinek gyors változását a parvocelluláris pályákat használó színcsatornák már nem tudják követni.

Ennek kiaknázása méréstechnikai szempontból azért hasznos, mert eltérő színképi összetételű fények világosságának összehasonlítása még rendkívül precíz optikai felépítésű fotométerekkel is nehézkes. Ha azonban a kromatikus és akromatikus jelek terjedési sebessége közötti különbséget kihasználva, adott frekvencián elkezdjük egymással felcserélve „villogtatni” a különböző spektrális teljesítmény eloszlású ingereket, kezdetben azt tapasztaljuk, hogy mind a színezetbeli, mind a világosságbeli pulzálás érzékelhető. A frekvencia növelésével egy adott frekvenciaszintnél - amelynek pontos értéke függ a besugárzás szintjétől, de jellemzően 15-20 Hz környékére tehető – a színezetbeli fluktuáció megszűnik, és csak a világosságszintek közötti vibrálás érzékelhető. A frekvencia további növelésével elérjük az abszolút fúziós frekvenciát, ahol már a világosságértékek közötti különbség sem látható, a két felület megvilágításának átlagértékét érzékeljük.

A köztes szakasz lehetőséget ad arra, hogy a világosságérzékelést közvetlen módon, a színezetbeli eltérések szubjektív kognitív hatásainak kiküszöbölésével vizsgálhassuk. Ha a villogási frekvenciát ilyen értékre választjuk, a két fényforrás által a vizsgálati mező két oldalán keltett megvilágítás relatív értékeinek állításával elérhető a villogás érzetének megszüntetése, amely adott beállítások mellett a mezők világosságának érzékelése közötti egyezést jelenti.

A fenti módszerrel a látómező egyik oldalát heterokromatikus, másik oldalát pedig adott hullámhosszúságú monokromatikus fénnyel megvilágítva, hullámhosszról-hullámhosszra meghatározható az emberi világosságérzékelés színképi karakterisztikája.

A Nemzetközi Világítástechnikai Bizottság (Comission Internationale d‘Éclairage, CIE) 1924-ben rögzítette az átlagos "láthatósági" függvényt, s ezt a visibility szó kezdőbetűje alapján V(λ) függvénynek nevezték. Ahogy arról már korábban is szót ejtettünk, a napjainkban is használt fotometriai rendszer egyik alappillére ez a V(λ)-görbe. A görbe elfogadásakor több eltérő módszerrel és különböző észlelőkkel elvégzett kísérletek eredményeinek összevetésével és közös nevezőre hozásával, valamint a jellemzően 490 és 680 nm közé eső mért tartományokon túl 400 nm-ig és 760 nm-ig történő extrapolálással határozták meg a végső függvényalakot. A görbét az 1924-es ülésen, mint ideiglenes megoldást fogadták el, célul tűzve ki annak későbbi módosítását. A görbék pontosítására csak 1991-ben került sor, módosítások pedig jórészt csak az extrapolált szakaszokon történtek. Az eredeti és a pontosított görbék közötti csekély eltérés jól mutatja az 1924-ben meghatározott függvényalak viszonylagos precizitását.

Az emberi szem érzékenységét így a V(λ) és V’(λ) függvények illusztrálják. A csapok, azaz a nappali látás receptorainak spektrális érzékenységét a V(λ), az éjszakai látás receptorainak (pálcikák) érzékenységét pedig a V’(λ) függvény szemlélteti (2.25. ábra). Ahogyan azt már a retinális jelfeldolgozást taglaló fejezet világosságérzékeléssel kapcsolatos részében említettük, jelenlegi ismereteink szerint a V(λ) görbe képzésében jellemzően vörös és zöld érzékeny csapok alkotta receptormezők vesznek részt. Ennek megfelelően a V(λ) görbe jelenlegi definíciója alapján a Stockman és Sharpe által 2000-ben meghatározott vörös és zöld csapérzékenységi görbék szuperpozíciójaként is megadható.

2.25. ábra - Láthatósági görbék, a nappali látás V(λ) - és az éjszakai látás V‘(λ) - görbe hullámhossz függése

Három látási mechanizmust különböztetünk meg:

• Fotopikus vagy fotopos látás:

  a V(λ) által illusztrált nappali látás, amely során a szem receptorai közül csak a csapok működnek. Ez körülbelül 3 cd/m²-nél nagyobb fénysűrűség esetén teljesül. Ezt hívjuk fotopos fénysűrűségi tartománynak. Egyezményes felső határa nincs, de 10⁵ cd/m² fölött káprázási, majd vakítási jelenségek lépnek fel, ilyen körülmények között a fotometria additivitási, proporcionalítási stb. törvényei már nem teljesülnek, így a fotometriai leírás érvényét veszti.

• Szkotopikus vagy szkotopos látás:

  az éjszakai látás, mely során csak a V’(λ) által meghatározott pálcikák működnek, melyek érzékenysége 1 cd/m² alatt van.

• Mezopikus vagy mezopos látás:

  köztes, úgynevezett szürkületi látás, amikor a csapok és a pálcikák együttesen működnek. A 10^-3 cd/m² és 3 cd/m² közti fénysűrűség tartományt mezopos tartománynak hívjuk. A fotopos tartománytól kezdve folyamatosan csökken a csapok szerepe, és nő a pálcikák szerepe a látásba. Ennek megfelelően fokozatosan tolódik el a fényérzet színképi érzékenysége a V(λ)-tól a V’(λ) görbe felé. Gyakorlati szerepe miatt (például szürkületi vezetés) megismerésére és vizsgálatára jelenleg is kísérletek folynak, de nemzetközileg még egyik rendszert sem fogadták el (CIE 81-1989). A mezopos fotometria kutatásának főbb állomásaival és jellemzőivel fontossága miatt a következő alfejezetben részletesebben is foglalkozunk.

A fotopostól eltérő szkotopos és mezopos fotometria használata bizonyos területeken és helyzetekben jelentős. Egy nem megfelelően használt rendszer (pl. fotopos a mezopos vagy szkotopos helyett) komoly hibákhoz vezethet. Elég csak a közlekedésre vagy a vezetésre gondolnunk. Az útvilágítás területén az előforduló fénysűrűségi értékek általában a mezopos tartományba esnek.

Ezt egy gyakorlati példa szemlélteti. Ha az útburkolat fénysűrűségét 0,05 cd/m²-nek választjuk meg, úgy a mezopos, vagy szkotopos fotometria rendszerét használva kisnyomású nátrium lámpa (aranysárga fényű) és nagynyomású higanylámpa (kékeszöld fényű) mért fénysűrűségének értéke miként változik meg:

	Na (cd/m2)	Hg (cd/m2)
Fotopos	0,050	0,050
Mezopos	0,028	0,061
Szkotopos	0,010	0,070

Ezek alapján látható, hogy a nagynyomású Hg lámpa mezopos vagy szkotopos fotometria szerint magasabb fénysűrűségi értékeket mutat, mint a Na lámpa. Ha például arra vagyunk kíváncsiak, hogy egy úton lévő akadályt milyen könnyen és gyorsan veszünk észre, úgy a szem csap-mechanizmusának ingerlését figyelembe kell venni még szkotopos illetve mezopos tartományban is.

2.3.3.1. A mezopos látás sajátosságai

A fenti példa jól mutatja, hogy a járművekben feladatot teljesítő világító berendezések tervezésekor fontos a mezopos látástartomány behatóbb ismerete, valamint a mezopos fotometriára vonatkozó kísérletek és nemzetközi ajánlások áttekintése.

A korábbiakban a világos és a színi adaptációval kapcsolatban is szó esett a pálcikák dominálta, azaz a szkotopos és a csapok dominálta, azaz a fotopos látás közötti átmenetről. A csapok és pálcikák közötti átváltás az úgynevezett mezopos látás tartományán keresztül történik, ahol a normál körülményekhez képest alacsonyabb hatásfokkal, de mindkét receptor típus működik.

A csapok fénysűrűség érzékelésének lineáris szakaszán Abney törvénye érvényesül, amely szerint, ha A és B színingerek egyforma világosságúak, valamint ha C és D színingerek is egyforma világosságúak, akkor A és C, valamint B és D ingerek additív keverékei is egyforma világosságúak. Ez a törvény képezi a nappali fotometria alapját. A világosság adaptációnál leírtak alapján a mezopos fénysűrűség tartományon a pálcikák már szaturációs állapotban vannak, a csapok pedig még nem értik el a Weber törvény által jellemzett lineáris működési tartományt. Ennek következtében az ilyen háttérfénysűrűséggel jellemezhető környezetben látórendszerünk működése nem lineáris, Abney összegezhetőségi törvénye nem teljesül.

Nem szabad azonban megfeledkezni arról sem, hogy az említett összegezhetőségi törvény csak akromatikus fényekre igaz, látórendszerünk pedig nem tisztán a vizsgált tárgy világossága alapján határozza meg annak láthatóságát, hanem a tárgy és környezete közti szín- és világosságkontraszt alapján – a színészlelés pedig, mint arról korábban szó esett, nem független a világosságtól. A mezopos látás tehát igen összetett jelenség, vizsgálata nagyfokú körültekintést igényel.

A mezopos fotometria kutatásának kezdetekor nagyobb hangsúly került a mezopos világosság észlelés vizsgálatára, mert ezen tartományban a pálcikák alkotta receptormezők nagyobb mérete, és a jelentősen jobb felbontású csapok kismértékű ingerlése miatt a vizuális rendszer részletfelismerő képessége számottevően rosszabb, mint fotopos körülmények között. A Purkinje jelenséget ismerve nyilvánvaló volt, hogy a fénysűrűség csökkenésével a V(λ) görbe maximumhelye fokozatosan eltolódik a rövidebb hullámhosszak felé, és némileg az alakja is módosul.

Ha a szkotopos láthatósági görbéből indulunk ki, azt tapasztalhatjuk, hogy a fénysűrűség növekedésével előbb a hosszabb hullámhosszak felé eső görbeszakaszon növekszik az érzékenység, majd a görbe maximumhelye ezután kezd csak a vörös tartomány felé vándorolni. A 2.26. ábra Walters és Wright által 1943-ban különböző fénysűrűség szintek mellett végzett világosság érzékelésre vonatkozó mérések eredményeként kapott görbéket mutatja.

2.26. ábra - Mezopos fényhatásfok görbék eltérő fénysűrűség szinteken Walters és Wright mérései alapján

Az már a mezopos látással kapcsolatos kísérletek kezdeti szakaszában nyilvánvalóvá vált, hogy az átmenet nem modellezhető a fotopos és szkotopos görbék egyszerű szuperpozíciójaként, más mechanizmusok is szerepet játszanak a köztes görbék lefutásának alakításában. Arra is hamar fény derült, hogy a vizsgálatok során alkalmazott látómező mérete értelemszerűen befolyásolja a kapott görbék lefolyását, ám a fénysűrűség csökkenésével némileg még foveális területen is megnő a rövidebb hullámhosszakra vett érzékenység, holott ezen a retinatartományon nem találhatóak pálcikák.

A mezopos világosság érzékelés mérésére alkalmas módszer meghatározása sem egyértelmű. Mivel a pálcikák és csapok együttes működésével a magnocelluláris és parvocelluláris idegpályák is szerepet játszanak a végső észlelet kialakításában, a villogásos fotometriával – ahol a parvocelluláris pályákon közlekedő jelek hatása nem érvényesül - és a közvetlen összehasonlításos módszerrel elvégzett mérések eredményei egymástól eltérnek, hiszen a közvetlen összehasonlításos módszer alkalmazása esetén heterokromatikus színegyeztetéskor fellép a korábban már említett Helmholtz-Kohlrausch effektus.

Ezen effektusok hatásainak jobb megértésével nyilvánvalóvá vált, hogy a mezopos átmenet nem lineáris folyamat. 1964-ben a CIE ezen nemlinearitások kezelésére és leírására vezette be az egyenértékű fénysűrűség fogalmát. Az egyenértékű fénysűrűség eredeti definíciója szerint „tetszőleges spektrális összetételű vizsgált mező egyenértékű fénysűrűségén azon összehasonlító mező fénysűrűségét értjük, melynek színhőmérséklete 2042 K, és világossága azonos a vizsgált mező világosságával”. A kandela definíciójának módosításakor az egyenértékű fénysűrűség definíciója is módosításra került, a 2042 K-es színhőmérsékletű összehasonlító fényforrás helyett az 540⋅10¹² Hz-es monokromatikus sugárzással megvilágított mező került a definícióba.

Mindezeken túl, ugyanezen az 1964-es ülésen több, Walters és Wright görbéihez hasonló, adott fénysűrűség értékek mellett mért láthatósági függvény is elfogadásra került. A tématerület kutatása azonban inkább az egyenértékű fénysűrűség számításának metódusai felé mozdult el. Előbb Palmer dolgozott ki egy modellt, amely a fotopos és szkotopos fénysűrűségekből származtatja a mezopos egyenértékű fénysűrűség formulát, majd Kokoschka javasolt egy olyan számítási módot, amely mindhárom típusú csap receptor és a pálcikák jeleinek figyelembevételével definiálja a mezopos egyenértékű fénysűrűség értékét. Mindkét modelltípus zsákutcának bizonyult, hiszen a legújabb kutatások eredményeként előtérbe került fényérzékeny ganglion sejtek hatásait nélkülözik. Habár az napjainkban sem bizonyított, hogy létezik-e közvetlen kapcsolat ezen sejtek és a látókéreg között, a pupillareflex kialakításában és működésében bizonyosan részt vesznek, így befolyással bírnak a világosságérzékelés folyamatára.

A mezopos világosságérzékelés jelenlegi legmodernebb formuláját a CIE 2011-ben kiadott műszaki jelentése tartalmazza, amely a világosságmetrika kiegészítő rendszereként mezopos esetben is használható. A formula a korábban már ismertetett egyenértékű fénysűrűség fogalmát használja, és 2°-os foveális, vagy 10°-os perifériális látómezőre alkalmazható. A metrika figyelembe veszi a szkotopos és fotopos látásmechanizmusok sajátosságait, tekintettel van a kromatikus és akromatikus adaptációs folyamatok, valamint a parvocelluláris idegpályákon továbbított színi csatornák jeleinek hatásait is, melyhez mindhárom csap receptor által közvetített jel hozzájárul.

Mivel a kutatások szerint a pálcikák alkotta rendszer 10 cd/m² fénysűrűség fölött telítésbe megy, a módszer itt a fotopos fénysűrűségnek megfelelő egyenértékű fénysűrűséget szolgáltatja. Az is ismert, hogy a csap receptorok csak 0,01 cd/m² fölött kezdenek hozzájárulni a világosság érzékeléshez, így ezen érték alatt a formula által visszaadott eredmény a szkotopos fénysűrűséggel egyenértékű. A két fénysűrűség érték közötti tartományon az ismert mezopos átmeneti folyamatok hatásait is figyelembe vett, ennek megfelelően a (2.27. ábra) ábrán látható modell adja a legjobb lehetőséget a világosság érzékelés univerzális leírására.

A mezopos világosság érzékelés metódusának pontosításán túl a kutatók figyelme az utóbbi években a vizuális teljesítmény fénysűrűség csökkenésével beálló változására irányult. A problémakört a modern fényforrások elterjedése tette különösen aktuálissá a közlekedéssel kapcsolatos vizuális feladatok kutatásában, hiszen a modern fémhalogén lámpák és LED-ek elterjedésével a korábban útvilágításban jellemzően alkalmazott nátriumlámpákénál jóval összetettebb színképi teljesítmény eloszlással rendelkező fényforrások kerültek piacra. A vizsgálatok tárgyát leginkább az képezte, hogy van-e eltérés a fent említett fényforrások alkalmazásával a mezopos körülmények között tapasztalható vizuális teljesítményben, ha a fotopos fénysűrűségek azonosak. A kutatások eredményeként a CIE a 2010-es vonatkozó műszaki jelentésében egy adaptív mezopos modellt tett közzé, amely a mezopos adaptációs fénysűrűséget és színképi érzékenységet a fotopos és szkotopos görbék összegéből származtatja, azonban beiktat egy fénysűrűségfüggő arányossági tagot az alábbiak szerint:

(2.1)

Ahol L _e az adaptációs sugársűrűség, V _mes (λ) pedig:

(2.2)

Ahol M(m) normalizáló függvény, amely V _mes (λ) maximum értékét 1-re normálja, 0 ≤ m ≤ 1 adaptációs viszonyoktól függő arányossági tényező. Az m érték meghatározása az alábbiak szerint történik: L _mes ≥ 5 cd/m² esetén m = 1, L _mes ≤ 0.005 cd/m² esetén m = 0. A köztes tartományon m meghatározása iterációval történik, a következő módon:

(2.3)

Ahol,

(2.4)

Továbbá 0 ≤ m _n ≤ 1, L _p a fotopos, L _s a szkotopos fénysűrűség, V’(λ ₀ ) = 683/1700 λ ₀ = 555 nm-es hullámhosszra, n az iterációs lépésszám, kiindulásként m ₀ = 0.5 választandó, a = 0.767, b = 0.3334.

A fenti formulával kapott V _mes (λ) függvényeket különböző m értékekre a 2.27. ábra mutatja.

2.27. ábra - Mezopos fényhatásfok görbék eltérő m arányossági tényezőkre (Goodman 2012.)

Amennyiben a L _s /L _p fénysűrűség arány, amely megegyezik Φ _s /Φ _p szkotopos és fotopos fényáramok arányával, ismert, L _mes mezopos fénysűrűség számítható. A szkotopos és fotopos viszonyok közötti fotometrikus arányszámot a fényforrásgyártók katalógusaikban jellemzően S/P értékként tüntetik fel.

Fontos megjegyezni, hogy habár a fentiekben szó esik fotopos, szkotopos és mezopos fotometriai mennyiségekről, ezek csak a mennyiségek megnevezésére vonatkozó előtagok, maguknak a mennyiségeknek és hozzájuk kapcsolódó mértékegységeknek nincsenek külön fotopos, szkotopos és mezopos megfelelői, azaz nincsen például mezopos cd/m², vagy lux. Mezopos esetre a mennyiségek közül is kiemelendő a mezopos fényáram kifejezés, amelynek mértéke nem csak a fényforrás tulajdonságaitól, hanem az adaptációs állapottól is függ, így használata nehézkes, és nem is javasolt.

A formula használatát nehezíti, hogy egy adott útvilágítási vagy egyéb vizuális feladat esetén L _mes értéke a látómező különböző pontjaiban nem állandó, helyről-helyre változik. Alkalmazását tovább bonyolítja, hogy jelenleg is kutatások tárgyát képezi, hogy hogyan határozzuk meg az adott feladathoz tartozó adaptációs állapotot, illetve hogy a különböző vizuális feladatok esetén a néző figyelme hova irányul, a nézési irány megváltozása hogyan van hatással az adaptációs állapot alakulására, valamint milyen befolyással van a körülményekre, ha az észlelő mozgásban van.

Összességében elmondható tehát, hogy a mezopos fotometria számos aspektusból komoly fontossággal bír a közlekedésbiztonság területén. Mivel a kérdéskör fiziológiai háttere rendkívül összetett, a látórendszer számos különböző működési metódusának együttese által alkotott mechanizmus, leírása és méréstechnikája is bonyolult összefüggésekre, mérési és számítási módszerekre vezet. Járműoptikában különösen fontos a mezopos tartományban vett vizuális teljesítmény alakulása a fénysűrűség változásával, hiszen ez számos éjszakai vezetéshez kapcsolódó kérdéskört, így műszaki megoldást és szabványosítási folyamatot is meghatároz vagy meg fog határozni a közeljövőben.

2.3.3.2. Káprázás és vakítás

Látórendszerünk dinamikatartománya rendkívül nagy átfogású, azonban határai így is elérhetőek, számos különböző általános vizuális körülmény között is, zavarva ezzel látásérzékelésük normális működését. Mivel éjszakai autóvezetéskor látórendszerünk nehezen definiálható állapotban működik, ekkor az ilyen zavaró hatásokra különösen érzékenyek vagyunk, így ezek részletesebb tárgyalása mindenképpen indokolt. A két jellegzetes vizuális zavaró hatás közül az egyikről alapjait tekintve már korábban is szó esett bizonyos látásmechanizmusok határátmeneteinek tárgyalásakor, ez a vakítás jelensége, amelyet a látótér nagy fénysűrűségű pontjai által telítésbe vitt receptorok jelképzésének pontatlansága okoz, és jellemzően a látótér foveális részén lép fel. A másik jelenség a káprázás, amelynek fundamentumai a vakításhoz hasonlóak, azonban maga a jelenség kissé más hatásmechanizmusok mentén értelmezhető.

2.3.3.2.1. Káprázás fajtái, kapcsolatuk az autóvezetéssel

A káprázás jelensége akkor lép fel, amikor a szem receptorainak maximális érzékenységét meghaladó, körülbelül 10⁵ cd/m² külső behatás, fénysűrűség éri a szemet, jellemzően szórt fény formájában vagy parafoveális területen, azaz látóterünk perifériális részén.

Az MSZ EN 12665 a káprázást a következő formában határozza meg:

„A látás kényelmetlensége és/vagy a tárgyak felismerhetőségének a csökkenése, a fénysűrűség szokatlan eloszlásának vagy szokatlan értékének, illetve a térben vagy időben fellépő igen erős kontrasztnak a következtében.”

Ez a szabvány azonban nem tesz különbséget a rontó és zavaró káprázás között. A világítástechnikában nemzetközileg a két jelenség között különbséget kell tenni.

A Nemzetközi Világítástechnikai Szótár alapján:

• Rontó káprázás: Olyan káprázás, amely rontja a tárgyak látását anélkül, hogy szükségképpen kényelmetlenséget okozna. A szemgolyóban létrejövő fényszórásra vezethető vissza [5.] .

• Zavaró káprázás: A kápráztató hatások közül azt nevezzük zavaró káprázásnak (vagy pszichológiai káprázásnak), amely látási kényelmetlenséget okoz anélkül, hogy szükségképpen rontaná a tárgy látását. Ilyen zavart okozhat, ha pl. egy nagy fénysűrűségű tárgy van a perifériás látás területén.

A zavaró káprázás objektív okait mind a mai napig nem sikerült felderíteni, annak vizsgálatát rendszerint csak kérdőíves kiértékelés alapján végzik, újabban mérési eljárásokat próbálnak az észleletekhez hozzárendelni, az ilyenkor fellépő hunyorítást alapul véve [6.] .

Az ezzel kapcsolatos korábbi kutatások két fő csoportra oszthatók:

• pszichometrikus vizsgálatok (pl. VCP Visual Comfort Probability = látási komfort valószínűsége);

• a káprázás fotometriai leírása.

A CIE az UGR (Unified Glare Rating) egységes káprázás érzékelési skálát deklarálta általánosan használt módszernek a zavaró káprázás meghatározásához, amelynek értéke 10-tõl 28-ig terjedhet a legkisebb kápráztató hatástól a legnagyobbig.

(2.5)

ahol:

	L b	a háttér fénysűrűsége
	Ω	térszög, amely alatt a világítótestek látszanak
	p²	pozíció index
	l	a világítótestek fénysűrűsége

Az UGR formula nem a megvilágítást, hanem a háttér fénysűrűséget tartalmazza. (A helyiségben létesült átlagos megvilágítás természetesen befolyásolja a háttér fénysűrűséget).

Egy gyakorlati példa az UGR használatára:

Kutatások [9.] , [10.] arra a következtetésre jutottak, hogy a zavaró káprázás-érzést elsősorban a kék-érzékeny (rövidhullámhossz-érzékeny) csapok közvetítik, de a fotopos színképi érzékenységnek is lényeges szerepe van.

A káprázást befolyásoló elsődleges tényezők:

• a kápráztató fényforrás fénysűrűsége;

• a térszög, amely alatt a szemlélési pontból nézve a kápráztató fényforrás látszik;

• a kápráztató fényforrás elhelyezkedése a nézési irányhoz viszonyítva;

• a kápráztató fényforrások száma, elrendezése;

• a helyiség geometriai méretei;

• valamint a környezet megvilágítása, ill. fénysűrűsége.

Közlekedésben gyakran előforduló káprázási jelenségek:

Egy izzólámpán, valamint egy Xe-lámpán végzett kísérlet során arra a következtetésre jutottak, hogy azonos zavaró káprázást beállítva, a fotopos vertikális megvilágítás (azaz a szem síkjában mérhető megvilágítás) mintegy másfélszer akkora volt halogén izzólámpa használatakor, mint Xe-lámpa esetén. Azaz, ha a Xe-lámpás és a halogén izzólámpás fényszóró esetén azonos fényeloszlást és útburkolat megvilágítást hoztak létre, akkor a Xe-lámpa által keltett zavaró káprázás nagyobb volt. Továbbá vizsgálták azt is [8.] , hogy ez a jelenség lehet-e az életkor illetve a fényforrások színének függvénye, s azt találták, hogy az idősebb és fiatalabb gépkocsivezetők különbözőképpen reagálnak a kétféle fényforrásra (2.28. ábra). Látható, hogy életkortól függetlenül a kékesebb árnyalatú gázkisülő lámpa erősebben kápráztat, de idősebb korban ez a hatás nagyobb.

2.28. ábra - Azonos zavaró káprázáshoz tartozó vertikális megvilágítás fiatal és idősebb gépkocsivezető, valamint halogén izzólámpa és Xe-lámpa esetén

Az úttest kivilágítása annál kedvezőbb, minél nagyobb az átlagos megvilágítás erőssége, és minél kisebb az egyes helyek megvilágításában fennálló különbség. Ha az úttest egyes részeinek megvilágításában nagyok az eltérések, akkor a jó adaptációs képességű szem sem tudja követni a gyors fényerősség változásokat. Ezt a hatást mindenki ismeri, aki világos nappali közlekedés során szakszerűtlenül kivilágított alagúton hajtott át (2.29. ábra).

2.29. ábra - Káprázás alagútban

2.3.3.2.2. Vakítás jelensége, kapcsolata az autóvezetéssel

A vakítás a káprázáshoz hasonló optikai jelenség, de még fokozottabban veszélyes. Ilyen helyzet alakulhat ki a szembejövő jármű tompítatlan fényszóróival való találkozáskor. De olyan vakítás is felléphet, amelyet a síkfelületekről visszavert polarizált fény okoz (például vízfelszínről, autószélvédőről visszaverődő napfény).

A szem nappali receptorait, a csapokat ilyenkor maximális érzékenységüknél jóval nagyobb fénysűrűségű behatás éri, és ilyenkor a fotopos fotometria szabályai érvényüket vesztik. A vakítás

• csökkenti a látáskomfortot

• zavarja a színérzékelést

• rontja a tér- és mélységérzékelést

• extrém diszkomfortot okoz.

Vakítás esetében beszélhetünk fiziológiai és pszichológiai vakításról.

Hosszú másodpercekig tarthat, amíg az erős fénytől átmenetileg elvakított gépkocsivezető visszanyeri korábbi látóképességét. Amíg ez be nem következik, vakon és csak ösztönösen vezet, a baleseti veszély pedig óriási mértékben megnő. Az elvakított személy tulajdonképpen néhány másodpercig alkalmatlanná válik az autóvezetésre. A vakítási tilalmat viszonylag sokan megszegik, részint udvariatlanságból, ill. erőszakosságból, részint pedig a fényszórók hibás beállítása folytán.

A vakító jelenség a szabadban bárhol jelentkezhet:

• vízfelszínen, havon, jégen

• ködben, párában, szmogban

• autók szélvédőjén, úttesten,ablakokon, tükröző felületeken.

A vakítás elleni védekezés egyedüli eszköze lehet a polarizált szemüvegek használata. A lencsék anyagára felvitt filmréteg sajátos tulajdonságainak köszönhetően a vízszintes felületekről visszaverődő fénysugarakat blokkolja, így védi a szemet a zavaró vakítástól (2.30. ábra).

2.30. ábra - Polarizált szemüveg használata

A geometria eszköztárában a szög fogalma két egymást metsző egyenes egymástól való elhajlását jelenti. E két egyenes metszéspontja körül behúzott egységnyi sugarú kör területén a két egyenes által kimetszett l hosszúságú ívdarabbal, azaz ívmértékkel magát a szöget jellemezzük. Nem egységnyi, hanem r sugarú kör esetén a szög

Az SI-rendszer szerint tehát a síkszög egysége a radián [rad].

3.1. ábra - A térszög szemléltetése

Ha az előzőek analógiájára értelmezzük egy r sugarú gömbből kimetszett A felület és egy gömb sugara négyzetének arányát, akkor eljutunk a térszög fogalmához (3.1. ábra), melynek mértékegysége a szteradián.

Egységnyi sugarú gömb esetén a lehetséges legnagyobb, az egész teret befogó térszög mértéke 4π⋅sr .

Az optikai sugárzástartomány alatt az ultraibolya (UV) sugárzástól az infravörös (IR) tartományig terjedő elektromágneses sugárzás tartományt értjük (3.2. ábra). A sugárzás hullámhossza λ, mely két hullámhegy csúcspontja között megtett úthossz [m].

3.2. ábra - Az optikai sugárzás az emberi szem által érzékelhető része

A fény az elektromágneses sugárzás szemünk által érzékelhető hányada. A látható hullámhossz tartomány (VIS) hozzávetőlegesen 380-780 nm-ig terjed, ezen belül szemünk a hullámhossztól függően képes a sugárzást fényérzetté alakítani.

3.2.1. A fény kettős természete

A rövidebb hullámhosszú, azaz nagy energiájú elektromágneses sugárzások, mint a Röntgen vagy a gamma-sugárzás inkább részecsketulajdonságokat mutatnak, míg hosszú hullámhossznál, mint a mikrohullám, inkább hullámtulajdonságok jellemzők. A látható fény a két tartomány között helyezkedik el, ezért kettős természete figyelhető meg. Egyrészt vizsgálható elektromágneses hullámként, mely a terjedésre és a hullámjelenségekre (interferencia, diffrakció, polarizáltság) ad magyarázatot, másrészt részecskeként (kvantumként), mellyel a keletkezés és a detektálás értelmezhető.

A részecske vagy kvantumelmélet szerint a fény a sugárzó energia egy formája, energia által keletkezik és energiává alakul át. Kvantumokban, azaz fotonokban továbbít energiát. A Planck-összefüggés szerint az optikai sugárzásokra érvényes teljesítmény a fotonok számának és a hullámhossznak a függvénye, mértékegysége a watt (W). A foton energiáját az alábbi összefüggés írja le,

(3.3)

ahol

	Q	a foton energiája [J],
	h	a Planck állandó - 6,63⋅10-34 [J·s],
	c	a fénysebesség - 2.998 x 108 [m/s],

A fenti összefüggés alapján a foton energiája hullámhossztól függ:

3.3. ábra - Az optikai sugárzások energiája [28.]

Ezért minél rövidebb hullámhosszúságú egy adott elektromágneses sugárzás, a benne továbbított energia annál nagyobb. Ezzel magyarázható az UV sugárzás számos biológiai hatása, de egyben ez alapozza meg a fluoreszcens fényforrások működési elvét is.

A nagyobb energiájú UV-B sugárzás káros biológiai hatásával gyakran szembesülünk, ez okozza ugyanis bőrünk leégését (Erythem), ezt az ózonréteg vastagságától függően képes elnyelni. Az UV-C sugárzás baktériumölő (Baktericid) hatása ismert, de kötőhártya gyulladást (Conjuctivitis) is képes okozni, mindemellett ózonképző hatású. Szerencsére az atmoszférában teljes egészében elnyelődik.

A higanykisüléses fényforrások által gerjesztett nagy energiájú fotonok UV-A tartományba esnek, melyek elnyelődnek a fénycsövek felültén található fénypor rétegben. A fénypor olyan kémiai anyag, mely fotolumineszcenciára képes, gerjesztés hatására a látható tartományban emittál (kisebb energiájú) fotonokat.

A fény detektálásakor az érzékelőre eső fotonok energiája érzékelhető, ezért IR tartományban nagyjából 1100 nm-ig képesek mérni a hagyományos kvantum-detektorok.

A fotometriai és radiometriai mennyiségek tárgyalásához, és a köztük lévő különbségek megértéséhez vissza kell utalnunk szemünk érzékenységi függvényére, a V(λ) görbére (lásd Emberi látás fejezet), amely alapján az emberi látórendszer nem egyformán érzékeny a különböző hullámhosszúságú sugárzásokra, és körülbelül 380 nm és 780 nm között érzékeli az optikai sugárzásokat. Ezen törvényszerűségeket szem előtt tartva lehet megérteni a két megközelítés létjogosultságát. A különböző fényforrások működési elvüktől függően emittálhatnak olyan tartományokban is fotonokban, melyeket szemünkkel nem érzékelünk (pl. UV, IR), de azok hatása élettani vagy energetikai szempontból elhanyagolhatatlan.

A radiometria a teljes optikai színképet vizsgálja, annak energiáját fizikai mennyiségek formájában határozza meg. Tehát az emberi szem érzékenységétől független. A radiometriában a sugárzási jelenségek tárgyalására a teljesítmény, az energia idő szerinti deriváltja alkalmas. Alapmértékegysége a Watt (W). A radiometriában használatos energetikai mennyiségek spektrális mennyiségek.

Ezzel szemben a fotometria az optikai sugárzást az átlagos emberi megfigyelő látására jellemző V(λ) színképi függvény alapján értékeli, azaz kizárólag a 380 nm-től 780 nm-ig terjedő tartományt veszi alapul. Ezek nem spektrális, hanem integrált mennyiségek. Tehát a radiometriai illetve a fotometriai mennyiségek között a kapcsolatot az emberi szem spektrális érzékenysége teremti meg.

A különböző energetikai mennyiségeket ezért általánosságban radiometriailag lehet elsőként definiálni, majd minden radiometriai mennyiségnek a látható tartományon vett integrálásával és V(λ)-val történő súlyozásával előállítható fotometriai megfelelője.

Ezek alapján a világítástechnikában alkalmazott mennyiség-párok az MSZ 9620 szabvány szerint:

A megvilágításhoz kapcsolódó fontos törvényszerűség az úgynevezett távolságtörvény (Photometric distance law) amely leírja, hogy pontszerű fényforrás által létrehozott megvilágítás hogyan függ a megvilágított felület és a sugárzó közti távolságtól.

3.6. ábra - A távolságtörvény

Azt a fény- vagy sugárforrást, melynek mérete az érzékelőtől való távolsághoz képest kicsi, pontszerű forrásnak nevezzük. Egy elméleti pontszerű fényforrás a tér minden irányában sugároz. A fényforrás pontszerűségéből adódóan az árnyékok (amiket a testek vetnek egymásra) borotvaélesek lesznek, átmenet nélkül.

Tehát pontszerű fényforrás esetén a megvilágítás a felülettől való távolság négyzetével arányosan csökken. Vagyis ha egy a munkasíktól merőlegesen 1 méter távolságra lévő fényforrás 100 lx megvilágítást produkál, akkor azt 1 méterrel távolabbra helyezve a megvilágítás 25 lx-ra csökken majd. Véges méretű fényforrás esetében ez az összefüggés közelítőleg érvényes. Azt a távolságot, amelynél nagyobb távolság esetében a megvilágítás értéke adott hibánál kisebb eltéréssel közelíti meg az így számított értéket, fotometriai határtávolságnak nevezzük. Ha a megvilágító fényforrás nem rendelkezik külön gyűjtő optikával, ez a távolság a fényforrás legnagyobb méretének legalább ötszöröse (ökölszabály) – de inkább tízszerese – 1% nagyságrendű hiba esetében. A fotometriai határtávolságon túl minden sugárzót pontszerűnek lehet tekinteni.

A pontszerű sugárzók kemény fényével ellentétben definiálhatók olyan források, melyek lágy fényt sugároznak. Az ilyen típusú sugárzást nevezzük szórt vagy diffúz fénynek. Tulajdonsága, hogy az árnyékhatás jelentéktelen. Nem érvényesek rá a pontszerű fényforrások törvényszerűségei. Az ideálisan diffúz felületet az ún. Lambert-féle felület, amit a Lambert-féle koszinusztörvény jellemez. E törvény kimondja, hogy a visszaverő felület fényerőssége a felület normálisával bezárt szög koszinuszával arányos.

A (3.15) alapján könnyen belátható, hogy a fénysűrűség azért állandó bármely irányból tekintve, mert a csökkentett intenzitást egy szintén a szög koszinuszával arányosan csökkenőnek látszó felület sugároz ki.

3.7. ábra - A Lambert-féle koszinusztörvény

A fényforrás által kibocsátott fényáram, és a felvett villamos teljesítmény hányadosa. Azt mutatja meg, hogy az adott fényforrás 1 W felvett villamos teljesítmény felhasználásával az emberi szem számára mennyi hasznos optikai sugárzást, vagyis fényáramot képes előállítani. Az energiahatékonyságot így megfelelően karakterizálja és számszerűsíti. Mértékegysége a definícióból adódóan [lm/W].

A sugárzási hatásfok és a fényhatásfok szorzatából tevődik össze:

A fényhasznosítás a gazdaságosság egyik legfőbb szempontja, 50 lm/W felett már jónak mondható. Edison első izzója körülbelül 1,4 lm/W-ot produkált, míg egy hagyományos izzólámpa a felvett teljesítménytől függően 10-20 lm/W-ra képes. Halogén izzóknál ez az érték akár a 30 lm/W-ot is elérheti. Ezzel szemben a fénycsövek 45-100 lm/W-os jellemző értékekkel jóval gazdaságosabbak, ez magyarázza széleskörű elterjedésüket a beltéri világításokban. Az elsősorban csarnok és épületvilágításhoz alkalmazott fémhalogén fényforrások fényhasznosítása kiemelkedően magas, 65-120 lm/W is lehet, igaz a járművilágításban használt xenon-töltetű változataik ennél valamelyest gyengébb, körülbelül 90 lm/W-os értéket produkálnak. A közvilágítási lámpatestek jelentős része jellegzetes sárgás fényű, úgynevezett nagynyomású nátrium lámpa, mely 100-140 lm/W-os értékek mellett abszolút energiatakarékos, viszont a színvisszaadása rossz, ami alkalmazhatóságukat erősen korlátozza. A napjainkban egyre szélesebb körben alkalmazott LED-ek is széles palettán mozognak, maximális fényhasznosításuk meghaladhatja a 130-150 lm/W-ot. Laborkörülmények mellett napjainkban már 200 lm/W felett járnak!

Mindezek fényében érezhető, hogy a termikus elven működő izzólámpák közel sem nevezhetők gazdaságosnak, hiszen a felvett elektromos teljesítményük túlnyomó többsége hő veszteségre fordítódik. Habár színvisszaadásuk a legjobb, közel 100 %, fokozatosan tűnnek el a boltok kínálatából, gyártásuk hamarosan teljesen megszűnik, illetve teljes egészében a halogén típusokra korlátozódik.

A fényforrás gazdaságosságát jellemző másik fontos tényező. Több élettartamra vonatkozó definíciót különböztetünk meg [1.] :

Fényforrások élettartamához szorosan kapcsolódó fogalom a hasznos működési idő, mely időtartam alatt a fényforrás működési jellemzői az előírt tartományon belül maradnak.

A gyártók ezért gyakran megadják az adott termék kiégési- vagy más néven élettartam-görbéjét (4.1. ábra)– amennyiben a meghibásodások normál vagy más néven Gauss eloszlást követnek – amely az üzemidő függvényében tartalmazza egy gyártmánysorozat meghibásodási arányát. A reális (gyakorlati) sűrűségfüggvény mellett ábrázolható még az ideális, valamint a kedvezőtlen élettartam jelleggörbe is. Az 50%-hoz tartozó időtartam az adott fényforrás átlagos élettartama (T_a).

4.1. ábra - Kiégési jelleggörbe izzólámpa esetén

Gyakran jelölik továbbá a 84 %-os és a 16 %-os meghibásodáshoz tartozó időpontokat is (t₈₄, t₁₆). Ezen értékek ismeretében a világítás hatásfoka (UF: Utilization Factor) számítható:

Más jellemzők a mérvadóak LED-ek esetén.  A degradációra alkalmazott mérőszámok az L70 és L50 értékek, amelyek azt az időtartamot fejezik ki, ami alatt a fényáram 70 illetve 50 %-ra esik vissza. Az élettartamot pedig az úgynevezett B10 és B50 értékek karakterizálják, amelyek egy tesztelt LED sorozat esetén azt az időtartamot mutatják meg, ami alatt az adott sorozat 10 illetve 50 %-a meghibásodott.

A fényforrások általában különböző mértékben bocsátanak ki teljesítményt az egyes hullámhosszúságokon. Ezen eloszlásfüggvényt hívják a látható tartományban színképnek, általánosságban spektrális teljesítmény-eloszlásnak. Megkülönböztetünk folytonos, vonalas vagy "tüskés", és monokromatikus eloszlást (4.2. ábra). Ez a függvény a hullámhosszúság függvényében folytonos, ha minden pontban jobbról és balról véges, és azonos a határértéke [1.] . Ilyen jelleggörbével rendelkeznek a termikus sugárzók, például az izzólámpa, és a Nap. A "tüskés" spektrum a foto-lumineszcens fényforrások (fénycső, higanygőz lámpa) ismérve, hiszen a kisüléskor keletkező UV tartományba eső fotonok a fényporokkal történő kémiai kölcsönhatás eredményeképpen egy vagy több diszkrét hullámhossz csúccsal sugárzódnak ki a látható tartományban. Monokromatikus fényforrások a lézerek, melyek egy diszkrét hullámhossz és annak nagyon keskeny környezetében sugároznak. A színes LED-ek spektruma keskeny egy diszkrét csúcshullámhossz körül. A spektrális teljesítmény határozza meg a fényforrások színezetét és színvisszaadását.

4.2. ábra - Fényforrások spektrumai

Színhőmérséklettel a termikus elven sugárzó, folytonos spektrális teljesítmény eloszlású fényforrások színérzetét lehet karakterizálni. Termikus sugárzó minden olyan kellően nagy hőmérsékletű test, amely energiája egy részét fény formájában is kisugározza. Ilyen a hagyományos és a halogén izzó lámpa, valamint a tűz és a csillagok, így a Nap is. A kisugárzott fényenergia a test hőmérsékletének növelésével törvény szerint növekszik. Azonos hőmérsékletű testek közül az sugároz legjobban, amelyik a sugárzást legjobban elnyeli. Az etalonnak tekinthető ideális hőmérsékleti sugárzót fekete testnek, vagy Planck-sugárzónak hívják, amely minden ráeső sugárzást tökéletesen elnyel. Spektrális teljesítmény eloszlását a Planck-törvény írja le, és érvényesek rá a sugárzási törvények. Ilyen a Stefan-Boltzmann és a Wien-féle eltolódási törvény.

A Wien-féle eltolódási törvény értelmében a maximális intenzitás hullámhossza annál kisebb, minél nagyobb a sugárzó test hőmérséklete.

Tehát ha a sugárzó hőmérséklete növekszik, akkor λ _csúcs a rövidebb hullámhossz felé tolódik (4.3. ábra). Erre kiváló példa a csillagok színezete, ugyanis a jóval nagyobb energiájú és hőmérsékletű csillagokat (7000 K) kékesnek látjuk, míg az alacsonyabbakat vörösnek (4000 K).

4.3. ábra - Csillagok spektrumai

Ez a törvény ad magyarázatot például arra is, hogy egy szoba radiátor sugárzását miért nem érzékeljük fényként. Sugárzási karakterisztikája a távoli IR tartományban található, kisugárzott energiája kevés, vagyis csak hőként érzékeljük. Elméletileg megfelelő hevítés hatására a maximális intenzitási hullámhossz elegendő mértékben tolódna a rövidebb tartomány felé, és végül a sugárzási karakterisztika egy része a látható tartományba esne, azaz elkezdene izzani.

4.4. ábra - Különböző termikus sugárzó karakterisztikák

A színhőmérséklet tehát a fekete test valódi hőmérsékletéhez tartozó színezet. Különböző színhőmérsékletű fekete testek színpontjai a CIE xy (1931) vagy más néven papucs diagramban a Planck-görbén találhatóak (4.5. ábra).

4.5. ábra - CIE xy színezeti diagram és a Planck-sugárzók vonala

Mivel a tökéletes fekete test definíciójából adódóan egy teoretikus fogalom, ezért a színhőmérséklet a gyakorlatban szürke sugárzókra értelmezhető, vagyis olyan hőmérsékleti sugárzókra, amelyek spektrális emissziós tényezője a figyelembe vett hullámhossztartományban kisebb, mint 1 és független a hullámhosszúságtól és színük is megegyezik az azonos hőmérsékletű fekete sugárzóéval. Ez abból következik, hogy a két sugárzó spektrális eloszlása „hasonló”, csupán egy állandó szorzó, az emissziós tényező különbözteti meg őket.

Definíció szerint a színhőmérséklet tehát a fekete sugárzó valódi hőmérséklete, amelynek színe megegyezik a kérdéses szürke sugárzó színével [1.] . A fényforrás spektrális eloszlását jellemző, a színérzetet meghatározó fogalom. Jelölése T_c, ritkábban F. Mértékegysége K (Kelvin), és nem K°!

A világítási berendezések létesítésére vonatkozó MSZ EN 12464-1:2003 (Fény és világítás. Munkahelyi világítás szabvány) előírásai színhőmérsékleti csoportokat határoznak meg, melyek hasonló érzetet eredményező színhőmérsékleti intervallumok (Táblázat 4.2).

A táblázat alapján megfigyelhető, hogy a színhőmérsékleti csoportok elnevezése és az emittált energia, vagyis a sugárzó hőmérséklete között fordított logikai kapcsolat áll fenn. Ugyanis minél melegebb egy fényforrás, a színhőmérséklete annál nagyobb, mégis hidegebb.

Mivel a termikus sugárzókon kívül még számos más elven működő fehér fényforrás létezik – amelyek a definíció alapján nem jellemezhetőek színhőmérséklettel – ezért bevezették a korrelált színhőmérséklet fogalmát. Alkalmazásával objektíven karakterizálható például fénycsövek, LED-ek, vagy fémhalogén lámpák, vagy egyéb felületek színezete.

Definíció szerint „a fekete test azon valóságos abszolút hőmérséklete, amelynél a fekete test színe a legjobban hasonlít a kérdéses (szürke) sugárzó színére. A „legjobban hasonlít” fogalom azt jelenti, hogy csak olyan színpontokra alkalmazható, amelyek a CIE 1964 UCS színtérben a fekete-test vonalra állított merőleges trajektórián helyezkednek el, és Planck görbétől vett távolságuk nem nagyobb 10 megkülönböztethető árnyalatnál [1.] . Jelölése CCT (Correlated Color Temperature), vagy T_c. Mértékegysége K.

A Táblázat 4.3 különböző fényforrások korrelált és hagyományos színhőmérsékletét mutatja be.

Segítségével számszerűsíthető, hogy egy vizsgált fényforrás milyen mértékben képes a megjeleníthető színek palettáját reprodukálni egy etalon fényforráshoz képest. Ennek méréséhez referencia színmintákat alkalmaznak, melyek száma eltérő lehet. Ezeket a mintákat mindkét fényforrással megvilágítják, és az eredmények összevetésével a színek visszaadása számítható. Az egyes színmintákon mérhető egyedi színvisszaadás (R_i), számtani átlaga az általános színvisszaadási index, melynek jele R_a, és a spektrális telítettséget jellemző fogalom.

A CRI számítása:

ahol ΔE a színkülönbség, Δu’, Δv’, ΔL a CIE Lu’v’ koordinátákban számolt különbség.

A referenciasugárzó Planck sugárzó, ha a fényforrás korrelált színhőmérséklete kisebb, mint 5000 K és nappali fény, ha 5000 K-nél nagyobb [1.] . A színvisszaadás tehát az adott fényforrás színhőmérsékletétől is függ. A minta átlagából, a színi áthangolódást is figyelembe véve számított R_a általános színvisszaadási index értéke 100, ha nincs színeltolódás, és minél nagyobbak a színkülönbségek, az index annál kisebb. Körülbelül 40% alatt már nincs színvisszaadás.

A fényforrásokat színvisszaadási indexük alapján kategóriákba sorolják (Táblázat 4.4):

A világítástechnikában alkalmazott fényforrások közül az izzólámpák színvisszaadása a legjobb, gyakorlatilag 100%-nak tekinthető, hiszen termikus sugárzók, spektrumuk a látható tartományban végig folytonos. Ezért a Nap fényéhez hasonlóan minden színt képesek visszaadni. Jelenleg egyetlen más elven működő fényforrás sem képes erre, miközben gyártásuk már befejeződött. Ezért is nehézkes helyettesítésük a világítástechnikában. Elsőszámú alternatíváik a jóval energiatakarékosabb fénycsövek, melyek színvisszaadása legalább közepes (60 %), de a folyamatos fénypor fejlesztéseknek hála 85-90 % is lehet. Ezen kívül a legújabb LED diódák is képesek nem ritkán 90 %-nál jobb színvisszaadásra. Kültéri és csarnokvilágításnál a fémhalogén lámpák produkálják a legkiválóbb értékeket (80-93 %), színhőmérséklettől függően. A legrosszabb színvisszaadása a higanygőzlámpának (17 %) és a jellegzetesen sárga fényű nagynyomású nátriumlámpának (25 %) van. Ilyenkor a tárgyak színezete elvész, sárgás-szürkés árnyalatok jelennek meg. Az abszolút negatív rekorder a Nagy Britanniában gyakran alkalmazott kisnyomású nátriumlámpa, mely mindösszesen 0-18 %-ot produkál. A sokszor ködös Angliában azonban a kimagasló fényhasznosítás miatt ezt a kompromisszumot vállalják.

A fényforrás bekapcsolásától az állandósult állapotban tapasztalható fényáram 95 %-ának eléréséig eltelt idő.

A fényforrás a felfutási idő nagysága alapján lehet rövid felfutási idejű (6 mp-nél rövidebb) és hosszú felfutási idejű (6 mp-nél hosszabb). Előző csoportba a LED-ek, az izzólámpák, a hagyományos fénycsövek és bizonyos típusú kompakt fénycsövek, az utóbbi csoportba főként a nagynyomású kisülő lámpák és az indukciós lámpák tartoznak. Kivételt képeznek a fényszóró világításban is alkalmazott nagynyomású xenon-fényforrások, melyek a többi fémhalogén típushoz képest kivételesen gyorsan, kb. 3-6 másodperc alatt érik el az előírt fényáramot.

Az újragyújtási idő rövid idejű feszültség-kimaradás esetében a feszültség visszatérésétől az állandósult fényáram 95%-ának eléréséig szükséges idő. Hosszú újragyújtási idejű fényforrás újragyújtási ideje 6 mp-nél nagyobb, ilyen például a nagynyomású nátriumlámpa, vagy minden fémhalogén lámpa, melyek addig nem gyújthatók újra, míg elegendően le nem hűltek. Ezért például gépjárművekben távolsági fényként alkalmatlanok lennének, használatukhoz speciális megoldás szükséges (lásd Fémhalogén fényforrások fejezet).

A fényforrások sugárzásának irányát jellemző mennyiség, más néven félérték-szög. A síkba vetített maximális fényerősség iránya és a maximális fényerősség felének megfelelő irány között bezárt szög kétszerese (Φ) (4.6. ábra). Ezek alapján megkülönböztetünk szélesen sugárzó (flood > 30°) és keskenyen sugárzó (spot < 30°) fényforrásokat. Angol nyelvű termék katalógusokban gyakran találkozhatunk az FWHM jelöléssel (Full Width at Half Maximum) ami a maximális érték felének szélességét jelenti.

4.6. ábra - Félérték-szög szemléltetése

A gépjárművekben is alkalmazott legősibb, és napjainkban is leginkább elterjedt fényforrások termikus elven működnek, vagyis a foton emisszió egy adott volfram izzószál elektromos árammal történő hevítésének következtében jön létre. Geometriája és felépítése alapján felhasználása széleskörű lehet. Ezen fényforrások működési elvüket tekintve – a burában található töltőgázok minőségének függvényében – kettő diszkrét csoportba oszthatók: léteznek hagyományos és úgynevezett halogén változatok. A halogén típusok megjelenése óta a fényszórókban a hagyományos izzók „kihaltak”, amit a kisebb fényáram és fényhasznosítás, rövidebb élettartam, a nagyobb méret valamint a rosszabb kezelhetőség eredményezett. Azonban belső téri kiszolgáló világítás vagy indexlámpák esetén még találkozhatunk kisméretű hagyományos izzókkal is.

5.2. ábra - G-6 izzó indexlámpába és beltéri világításra, S-8 tolatólámpába és féklámpába

A termikus fényforrások legnagyobb hátránya a gazdaságtalan üzemeltetés, vagyis a rossz fényhasznosítás (10-15 lm/W) és a rövid élettartam (kb. 1000-2000 óra). Ez annak tudható be, hogy – ahogy azt a termikus sugárzók emissziós karakterisztikáinál a (4.4. ábra) ábrán láthattuk – a hevítés hatására bekövetkező sugárzás legnagyobb része az infravörös tartományba esik, amit nem fényként, hanem hőként érzékelünk. A Wien-féle eltolódási törvény szerint a hőmérséklet folyamatos növelésével az emissziós spektrum maximális hullámhossza a rövidebb, látható hullámhossz tartomány felé tolódik, melyet már szemünk fényként érzékel. Azonban, a sugárzás nagy része „pocsékba megy”, és a befektetett energiának mindössze 2 %-a hasznosul fényként (5.3. ábra), amely magyarázatot ad a rossz fényhasznosításra.

5.3. ábra - A hagyományos izzólámpa energiafolyama

Az izzólámpa működési karakterisztikáiból (5.4. ábra) továbbá az is megfigyelhető, hogy a fényforrás névleges feszültséghez képesti „túlfeszítésével” minél magasabb hőmérsékletre hevítjük az izzószálat, annál inkább nő a kilépő fényáram, és ezzel valamelyest javul az amúgy is alacsony fényhasznosítás.

5.4. ábra - Izzólámpa működési karakterisztikái

Ezt azonban büntetlenül nem tehetjük meg, hiszen az élettartam karakterisztika alapján a névlegesnél magasabb izzószál hőmérséklet a lámpa élettartamát radikálisan lecsökkenti, hiszen a túlhevített izzószál hamarabb degradálódik. Ezt az összefüggést az 5.1 egyenlet írja le. Ezért csak a névleges feszültség betartása esetén garantálható a névleges élettartam – az alternatív fényforrásokhoz képest – alacsonyabb fényhasznosítás mellett!

A névleges értékek precíz betartása tehát még egy – nem gazdaságossági – korlátot is eredményez, ugyanis a fényforrás színhőmérsékletét befolyásolja. A működési elvből adódóan az izzószál hőmérséklete nem lehet magasabb a megengedettnél, ezért a hagyományos izzók színhőmérséklete általában 2500-3300 K körüli lehet, vagyis meleg, sárgás spektrumú. Mivel nem hevíthető tovább a szál – a volfrám olvadáspontja 3695 K –, így a kékesebb, semleges vagy hideg színhőmérséklet csak egy színtechnológiai „trükkel”, a bura kékre színezésével érhető el. Ekkor a spektrális teljesítmény eloszlás a kék szűrő hatására a sárgás-vörös tartományokon veszít intenzitásából, így kékesebb színérzetet kelt, és akár a 4300 K színhőmérséklet is elérhető. Ezzel a halogénizzók fénye a xenon fényforrások színképéhez közelebb kerül. Ez a technológiai megoldás azonban a fényáram szignifikáns csökkenését is jelenti – hiszen a kék szűrő tulajdonképpen abszorbeálja, más néven elnyeli a kéknél hosszabb hullámhosszúságú fotonok jelentős részét –, vagyis a fényhasznosítás még rosszabb lesz.

Azonban látáskomfort szempontjából a magasabb színhőmérséklet előnyösebb, hiszen közelebb áll a Nap fényéhez, így szemünk számára világosabb, kontrasztosabb látást biztosít. Ez a körülmény a vezető szemét kevésbé fárasztja.

5.5. ábra - Kék színszűrővel ellátott halogén izzó

A másik gazdaságossági faktort, az élettartamot az izzószál degradáció határozza meg, és egyben limitálja. Fokozott hevítés hatására a levegőnek kitett volfrám szál gyorsan eloxidálódna, és a fényforrás tönkremenne. Ezért a szálat a kezdetekben vákuum alá helyezett burával vették körül. A szálból kivándorló volfrám atomoknak azonban így semmi sem állta útját, az élettartam ezért roppant rövid volt. Ennek meghosszabbításáért – a későbbi fejlesztések eredményeként – egyrészt a hagyományos izzók burájában található argon nemesgáz (~93 %) és nitrogén (~7%) gázok molekulái felelnek, melyek mérsékelni tudják a hevítés hatására a volfrám szálból kidiffundáló atomok mennyiségét. Ezt a folyamatot azonban visszafordítani nem képesek, így a kivándorolt volfrám atomok idővel elérik az izzószálhoz képest alacsonyabb hőmérsékletű burát, melyen végleg lecsapódva feketedést okoznak. Ez egyrészt csökkenti a potenciálisan kijutni képes fényáram mennyiségét, hiszen a fotonok a lerakódott fekete rétegben elnyelődnek, másrészt e folyamat hatására az izzó spirál fokozatosan elvékonyodik. Ez végül a volfrám szál szakadásához és a fényforrás tönkremeneteléhez vezet.

Próbálkoztak alternatív inert gázok alkalmazásával is. A rossz hővezető képessége és gyenge reakcióképességű nemesgázok közül a xenon és a kripton ritka előfordulásuk miatt túlságosan drágának bizonyultak, valamint könnyebben ionizálhatóak – ami íváthúzást is eredményezhet – ezért végül az argon terjedt el.

Másik élettartam növelő módszer a szálspirálozás alkalmazása, amellyel – helyesen megválasztva – egy adott méretű burában alkalmazható izzószál hossza szignifikánsan növelhető, vagyis nagyobb teljesítmény érhető el. Vagyis spirálozással ugyanazon teljesítmény előállításához akár egytizednyi hosszúságú szál is elegendő.

5.6. ábra - Spirálozott volfrám szál

Az izzószálat egy 1-2 mm vastag nyugvó gázréteg veszi körül [2.] , amely hő veszteséget okoz. Ezt spirálozással szintén csökkenteni lehet, hiszen a burok ekkor kisebb, akár mindössze tized akkora felületen érintkezik gázzal. A spirálozás lehet szimpla illetve dupla. A geometria tervezésekor azonban fontos az úgynevezett „üreg effektus” megteremtése, vagyis hogy ne legyen áramlásos hőterjedés, így a spirálmenetek hőenergiájuk egy részét egymásnak adják át. Ekkor a hevítéshez kevesebb energia szükséges, ami kisebb hő veszteséget jelent. Fontos továbbá, hogy a spirálmenetek között ne alakulhasson ki íváthúzás, amely fizikai sérüléseket vagy azonnal szakadást idézhet elő az izzószálban.

A bura anyagát tekintve leggyakrabban lágyüveg, halogénizzók esetén keményüveg vagy kvarc. A lámpa feje leggyakrabban Edison-menetes kivitelű, gépjárművekben sokszor bajonettzáras. Az árambevezetőket a fejhez lágyforrasztással, vagy ponthegesztéssel rögzítik. Magát a fejet ragasztással rögzítik a burához.

Ezeket a fizikai problémákat hivatottak bizonyos mértékben orvosolni a halogén izzók, melyek az 5.1. ábra alapján a hagyományos izzólámpák „testvérei”. A különbséget a semleges töltőgázok mellett a keményüveg burába juttatott kis mennyiségű halogén elemek (bróm vagy jód) jelenléte jelenti. Ezzel a hagyományos izzólámpák gazdaságossági faktorai – vagyis a fényhasznosítás és élettartam – javíthatók. A halogén elemek ugyanis képesek kémiai reakcióba lépni a kipárolgott volfrám atomokkal (volfrám-oxijodidot alkotnak), és visszafordítani a folyamatot, amivel létrejön az úgynevezett halogén körfolyamat, vagy ciklus.

A folyamathoz négy hőmérsékleti zóna jelenléte szükséges az alábbi relációkkal:

Ekkor a legmagasabb hőmérsékletű izzószálból (kb. 1400 °C) kipárolgó volfrám atomok (W) a termodinamika törvényei szerint a hidegebb zónák felé vándorolnak, majd egy alacsonyabb hőmérsékleten egyesülnek a halogén atomokkal (H). Az így kialakult halogenidek (WH_n) felhalmozódnak, és áramolni kezdenek az inert gázban. Ezáltal a hidegebb (koncentrálódott WH_n halogenidek) régiók és a melegebb (W és H atomok, elméletileg zérus vegyület) régiók között jelentős koncentráció különbség (gradiens) alakul ki. Ez diffúziót gerjeszt, ami megpróbálja kiegyenlíteni a koncentrációkat. A diffúzió a hidegebb bura faltól a vegyület formájában kötött volfrámot a forróbb izzószál felé szállítja, így egyre magasabb hőmérsékleti régiókba kerülnek, végül elérik a disszociációs hőmérsékletet, és az izzószál környezetében szétválnak. A volfrám ekkor lerakódik a melegebb részeken, vagyis az izzószálon, a felszabadult halogén atom pedig a hidegebb fal felé diffundál. Az izzószál a legvékonyabb helyen a legforróbb, ezért egyfajta önjavító folyamat is végbe megy. Mivel a kisméretű bura magasabb hőmérsékleti tartományba esik (kb. 300 °C), mint a lecsapódási hőmérséklet, így feketedés nem jelentkezik, azaz a kilépő fényáram gyakorlatilag a teljes élettartam (2000-5000 óra, fényszóró világítás esetén 300-500 óra) során konstans marad.

5.7. ábra - Halogén körfolyamat

Ez a körfolyamat szignifikánsan magasabb izzószál hőmérsékletet tesz lehetővé, ami nagyobb fényáramot és optimális fényhasznosítást (20-30 lm/W), magasabb (kékesebb) színhőmérsékletet, valamint kisebb méretet eredményez. A kisméretű keményüveg bura magasabb nyomást is megenged, amely szintén csökkenti a volfrám atomok kipárolgását.

A halogén lámpák kvarcüvegje a magas üzemi hőmérséklet miatt fokozottan érzékeny a szennyeződésekre, főképp a zsírra. A szennyező részecskék idővel képesek az üvegbe diffundálni, melynek következtében szerkezeti degradációk jelenhetnek meg és a bura szétreped, ami a fényforrás tönkremeneteléhez vezet, hiszen a bejutó levegő hatására az izzószál eloxidálódik. Ezért fényforrás csere közben mindig használjunk kesztyűt, vagy a folyamat végén töröljük tisztára a bura felszínét. A halogén fényforrások gyakran emittálnak káros UV fotonokat, melyek azonban jól megszűrhetők a keményüveg burával.

A termikus működési elvnek – a felsorolt hátrányos jellemzőkön kívül – az alternatív fényforrásokkal szemben egy napjainkig behozhatatlan előnye is van, a Naphoz hasonló folytonos spektrum. Ez színhőmérséklettől és teljesítménytől függően páratlan, akár 100 %-os színvisszaadást jelent, vagyis közel valamennyi színt képes visszaadni. Szintén fontos jellemző a gyors felfutási és újragyújtási idő. Felhasználásuk spektrumát ezen előnyös tulajdonságok nagyban segítik és indokolják.

Gépjárművek fényszóróiban leggyakrabban a H0…H7 családot alkalmazzák, de számos egyéb típussal is gyakorta találkozhatunk.

A H1 izzókat manapság elsősorban ködfényszórókban alkalmazzák. Helyettük a H7-es család terjedt el, amelyek teljesítményfelvétele kisebb, míg fénysűrűségük nagyobb. A H4-es és H15-ös (Bilux) izzók kettős izzószálat tartalmaznak, részletesebb bemutatásuk a következőkben történik.

5.8. ábra - Különböző halogén jármű fényforrások (H7 fényszóró, 5008 tolatólámpa, H1 fényszóró)

A tompított fényszóró izzószálát árnyékoló fedősapkával látják el. Ennek feladata, hogy a fényszórórendszer optikai tengelyében kilépő, vakító fényt elnyelje, és segítsen létrehozni a fényeloszlás világos-sötét határvonalát.

Az izzólámpás fényforrások egyik speciális fajtáját képviselik a kettős izzószálat alkalmazó változatok. Működési elvüket tekintve kettő különálló izzólámpát egyetlen burába zárva érik el azt, hogy a lámpa több funkciót is megvalósíthasson. Emellett a fényforrás fényárama a dupla akkora emissziós felület miatt növelhető. Ez abban az esetben különösen előnyös, ha a fényforrás lámpatestben történő elhelyezésére szűkös tér áll rendelkezésre, vagy maga a lámpatest mérete korlátozott. A technológia már meglehetősen régen létezik, az első fényszórókban alkalmazott típusokat ugyanis 1924-ben mutatták be. A gyártástechnológia fejlődésével sorban jelentek meg a különböző változatok, mint a „Duolux”, és az ötvenes évek közepén az úgynevezett „Bilux/Duplo R2” izzók. Később, 1971-ben mutatták be a halogén izzók családjába tartozó Bilux (H4) típusokat, melyek a fényszóró világítás mindkét – tompított és távolsági – funkcióját képesek ellátni, kettő különálló izzószál, és speciális tükrös optika segítségével (5.9. ábra). Így a kettő fényeloszlás biztosítása különálló fényszórók nélkül, egyetlen normális méretű lámpatest kialakítással áthidalhatóvá vált.

5.9. ábra - Bilux halogén izzó

A Táblázat 5.1 felsorolja a gépjárművek fényszóróiban alkalmazott leggyakoribb halogén izzólámpák típusait, és összefoglalja főbb jellemzőiket:

A fémhalogén fényforrások történelme a hatvanas évekre nyúlik vissza, amikor az addig széles körben alkalmazott higanylámpák gyenge és előnytelen fotometriai jellemzőit (elsősorban színvisszaadását és fényhasznosítását) próbálták javítani. A gépjármű világításban való megjelenésük pedig azzal a könnyen belátható jelenséggel magyarázható, hogy reflektorok hatásfoka úgy növelhető, ha az izzószálnál nagyobb fényáramú fényforrást alkalmaznak.

A fémhalogén lámpa (MH – Metal Halide) a HID (High Intensity Discharge) magyarul nagy intenzitású gázkisüléses (GDL – Gas-Discharge-Lamp) fényforrások családjához tartozik. Működési elvét tekintve a fény emissziót (a higanylámpákhoz hasonlóan) ívkisüléses gerjesztés hozza létre egy nagynyomású gázokkal és fémsókkal töltött kerámia vagy kvarcüveg kisülő csőben. A kerámia cső előnyösebb, hiszen magasabb hőmérsékletet képes elviselni, amely a fényhasznosítás javulását eredményezi. A nagy teljesítményű (>150 W) lámpákban azonban kvarc csövet alkalmaznak. A kisülő térben a higany és az argon (Ar) vagy xenon (Xe) töltőgáz mellett különböző halogének (jód vagy ritkábban bróm) és fémsók vagy ritka földfémek vegyületei, azaz fémhalogének találhatók. A leggyakoribb alkalmazott fémek a nátrium (Na), az indium (In), a tallium (Tl), ón (Sn) és lítium (Li), ritka földfémek a szkandium (Sc), diszprózium (Dy) és a holmium (Ho). Ez azért fontos, mert inertgázok és a fémhalogén vegyületek összetétele határozza meg az emittált spektrum összetevőit, vagyis közvetlen hatással van a fényforrás színére és korrelált színhőmérsékletére valamint a fényerősségre egyaránt.

5.10. ábra - Fémhalogén komponensek jellemző emissziós formái

Ezáltal a fényforrás spektrális jellemzői a komponensekkel viszonylag tág határok között változtathatók.

5.11. ábra - Fémhalogén lámpák spektrális teljesítmény eloszlásai

A kisüléses fényforrások és izzólámpák inert gázaként leggyakrabban alkalmazott argon Földünkön a leggyakoribb nemesgáz, az atmoszféra körülbelül 1 %-a, olcsósága és kémiai közömbössége mellett mérsékelt hővezető képessége miatt is alkalmazzák. Mivel gerjesztés hatására viszonylag könnyen kerül ionizált állapotba, így elősegíti az elektródák közötti ívkisülést. Ezért az ív indulásakor az argon miatt 1-2 másodpercig lilás színű. Az ívkisülés által generált hő miatt a csőben lévő nyomás és a hőmérséklet fokozatosan megnövekszik, amelynek hatására a higany és fémhalogén vegyületek különböző hőmérsékleteken elpárolognak és szétválnak. A lámpa színe ezért csak percek múlva (5-10 perc) éri el üzemi színképét és fényáramát. A szabaddá váló fématomok az ívkisülés gerjesztő elektronjaival ütközve az energiaszinttől függően gerjesztődnek vagy ionizálódnak és egy magasabb energia szintre kerülnek. Az előtétek áramkorlátozó szerepe miatt a gáz atomok csak egy bizonyos hányada lehet gerjesztve vagy ionizálva, melyek spontán vagy szabad elektronokkal rekombinálódnak, majd visszakerülnek a nyugalmi energia szintre. A felszabaduló energiakülönbség foton emisszió formájában jelenik meg. A kisülő csőben működés közben körülbelül 500-5000 kPa nyomás, és körülbelül 1100 °C uralkodik.

A lassú felfutási idő gátat szabott az olyan alkalmazásoknak, melyek gyors vagy azonnali fényteljesítményt követelnek meg, ezért a hagyományos fémhalogén fényforrások járművilágításhoz is alkalmatlannak bizonyultak. Ezért a későbbi fejlesztések eredményeként a töltőgázt argon helyett xenonra cserélték, innen ered a köznyelvben gyakran előforduló – helytelenül alkalmazott! – xenon-lámpa kifejezés. Az első gépjárművekben alkalmazott lámpák 1991-ben jelentek meg – a 7-es BMW családban, míg Amerikában csak 4 évvel később, a Lincoln Mark VIII luxusautó 1995-ös típusba építették be elsőként (5.12. ábra).

5.12. ábra - Az első HÍD fényszórók Európában és Amerikában

A felfutási idő a xenon használatával jelentősen lecsökkent, a bekapcsolás pillanatában a névleges fényáram 5%-a, 3 mp-el később 90%-a áll rendelkezésre. A névleges fényáramot mintegy fél perc alatt képes produkálni. Mindezek mellett a xenon rossz hővezető képessége, valamint a megnövekedett fényáram szintén indokolja alkalmazásukat a hagyományos halogén lámpákkal szemben. A gerjesztett összetett spektrum fehér, a Napéhoz hasonló.

5.13. ábra - A gerjesztett xenon emissziós spektruma

Felépítés

A kisméretű kisülő csövet a lámpa gyakran nagyméretű külső burája veszi körül, amely hármas célt szolgál. Egyfelől védi a kisülő csövet a fizikai és környezeti behatásoktól és biztosítja annak és az elektromos hozzávezetéseknek stabil rögzítését, másfelől a megfelelő hőszigetelést is segíti. Harmadik fontos feladata a gerjesztett higany atomok által emittált UV tartományba eső, vagyis nagy energiájú fotonok kiszűrése, melyek a külvilágba jutva – energiaszintjük miatt – károsak lehetnek akár az emberi szemre, vagy a műanyag fényszóró burákra egyaránt.

5.14. ábra - Különböző fémhalogén fényforrás kialakítások

A bura mindemellett lehet opálos, vagy diffúz-fehér bevonatú is, az egyenletesebb fénysűrűség, vagyis az esetleges káprázás csökkentése érdekében. Előfordul fénypor (foszfor) bevonatú bura is, amely az UV fotonokat alakítja át látható tartományú sugárzássá, javítva ezzel a spektrumot. A kisméretű kisülő cső – az izzószálhoz hasonlóan – nagy fénysűrűsége miatt könnyen előidézhet káprázást. Járművekben található xenon fényforrások esetén a diffúz bevonat előnytelen, ezért nem alkalmazzák.

5.15. ábra - Fémhalogén lámpa bevonatos burával (balra) és egy PAR változat

A fémhalogén lámpák előnyös tulajdonságaik miatt széles körben elterjedtek, de alkalmazásuk ott célszerű, ahol a jó színvisszaadás és a nagy fényáram fontos követelmény, például közvilágítási és mennyezeti lámpatestek, gépjármű fényszórók (xenon változat), csarnokvilágítás, fényvetők, színpad és stúdióvilágítás. Beltéri szobavilágításhoz – ahol a gyors felfutási és újragyújtási idő alapvető igény – nem alkalmasak.

Gazdaságossági szempontból vizsgálva a fémhalogén lámpák kiváló mutatókkal büszkélkednek, hiszen fényhasznosításuk kiváló, 65-120 lm/W körüli. Xenon fényforrások esetén visszafogottabb 90 lm/W körüli értékek a jellemzőek, amely sokkal kedvezőbb a halogénizzóénál, amely által felvett teljesítmény körülbelül 90 %-a nem hasznosul, és javarészt hővé alakul. Xenon lámpák esetén az arány jelentősen javul, a nem hasznosuló energia aránya nagyjából 70 % körül alakul – 55 % hősugárzás, 15 % UV-sugárzás. Például egy 38 wattos HID lámpa 3500 lm fényerőt képes produkálni, amely egy 250 W-os izzólámpa fényének felel meg. Fénysűrűségük ennél fogva meglehetősen nagy. Élettartamuk nagyságrendileg 6000-16000 óra, de előfordul ennél magasabb is, akár 20000 óra is. Gépjárművekben alkalmazott xenon lámpáknál ez a szám egy nagyságrenddel kevesebb, mindössze 2-3000 óra, ami a járművilágításnál alkalmazott alternatív halogén fényforráshoz képest így is öt-hatszoros időtartam.

Emissziós spektrumuk a kisülő fényforrásokra jellemzően tüskés, összetételét a komponensek határozzák meg. Színvisszaadási indexe jó vagy kiváló (CRI=75-85), ennek ellenére így is kedvezőtlenebb a halogén lámpáénál. A Xenon lámpa fénye összehatásban közelebb áll a természetes nappali fényhez, mint a halogén izzóké. Mivel ehhez a színhőmérséklethez szokott hozzá az emberi szem, Xenon lámpa használata esetén sokkal kontrasztosabb, élesebb képet kapunk és ez által éjjel jobb látási viszonyok érhetők el. A színvisszaadás javul.

A korrelált színhőmérséklete az adalékanyagok széles palettájának köszönhetően változó, 3500 és 20000 K közötti. Xenon lámpáknál a felhasználáshoz előnyösen igazodva általában 4100 K körüli (de akár 6-8000 K lehet).

Előnyök :

5.16. ábra - Különbség a fényterítésben a halogén és a xenon között [12.]

Hátrányok:

Fémhalogén lámpák esetén gyakran felléphet a vakítás jelensége. A nagyobb fényerejű, apró kisülőcső sokkal jobban vakít (kb. 3000 cd/m2 fénysűrűség), mint például egy hagyományos halogén izzó, annak ellenére, hogy a kisülőtér nagyjából akkora (kb. 4 mm), mint egy halogén izzószál (kb. 1500 cd/m² fénysűrűség), ahogy a (5.17. ábra) ábrán látható. Ezért a xenon HID lámpákat fényszóró mosó rendszerrel és automata magasságállítással kell szerelni. A piszkos fényszórónak nemcsak a fényereje csökken, hanem jobban is vakít. Általánosságban a HID lámpa 40%-al jobban vakít bármilyen intenzitás mellett, mint a halogén társai.

5.17. ábra - Izzólámpa és ívkisülés összehasonlítása [12.]

A kvarc kisülőcső esetén élettartam során a színezetük változhat, ugyanis az adalék fématomok egy része idővel a csőbe diffundál. Ezért előfordulhat, hogy a lámpatestek, vagy fényszórók színe valamilyen mértékben elütnek egymástól.

A negatív (differenciális) ellenállás karakterisztika miatt (5.18. ábra) működésükhöz – mint minden kisülőlámpa esetén, kevertfényűt kivéve – szükséges két elektronikai komponens, egy előtét (ballaszt) és egy gyújtó, melyek a begyújtáshoz, majd a stabil működéshez szükséges feszültségszinteket biztosítják, vagyis a csőben folyó áram nagyságát szabályozzák és korlátozzák. Erre azért van szükség, mert a gerjesztés hatására az atomok egyre nagyobb mennyiségben ionizálódnak, vagyis több és több szabad elektronra van szükség. Ez a folyamat a lámpán átfolyó áram folyamatos növekedését jelentené, az elektródák közti feszültség párhuzamos esésével. Ezért ha előtét nélkül táplálnánk a hálózatról konstans feszültséggel, akkor a lámpa a túl nagy áram hatására tönkremenne, akár fel is robbanhatna. Az előtétek szerepe tehát a begyújtás után a lámpán átfolyó áram korlátozása és állandó szinten tartása.

5.18. ábra - Negatív ellenállás karakterisztika - az elektródák között a feszültség csökkenésével az áramerősség növekszik

Fémhalogén lámpák esetén két jellemző előtét típust különböztetünk meg: a fluoreszcens fénycsöveknél is gyakran alkalmazott induktív előtétet, melyben egy vasmagos tekercs található, melynek impedanciája korlátozza az átfolyó áram nagyságát a feszültség redukálásával. A nagyteljesítményű lámpák túlnyomó többségében induktív előtét található. Az elektronikus előtétek összetettebbek és kisebbek, és a kisebb teljesítményű típusoknál terjedtek el, melyek egy oszcillátor áramkör segítségével, nagyfrekvenciás árammal vezérlik a lámpát. Az indukciósakhoz képest energiahatékonyabbak, mert kisebb az rezisztív veszteségük. Használatukkal a fényforrás élettartama növekedhet, és az üzemeltetés gazdaságosabb lehet, azonban az indukciós változatoknál drágábbak, de a gyújtó áramkört is tartalmazzák.

A gépjárművekben alkalmazott xenonnal töltött fémhalogén lámpa begyújtáshoz a két elektróda között körülbelül 23 kV-os indítófeszültség szükséges (kb. 2,5 A áramfelvétel), míg az ív fenntartásához és stabilizálásához 400 Hz-es 85 V-os váltakozó feszültség (kb. 0,5 A áramfelvétel) biztosítása szükséges. D2-es és D3-as csoportba tartozó típusoknál (Táblázat 5.1) az üzemelési feszültség mindössze 42 V. A fényforrás csatlakoztatása a gépjármű 12 V-os hálózatába természetesen csak egy speciális vezérlőegység közbeiktatásával lehetséges. Az szükséges feszültségeket általában mikroprocesszor által vezérelt transzformátoros előtét biztosítja. A lámpa hőmérsékletétől függően a vezérlőegység kiszámítja és létrehozza azt a gyújtófeszültséget, amely az ív begyújtásához szükséges [13.] . A 20 kV feletti gyújtófeszültség miatt a fényszórókon végzett munkálatok előtt minden esetben le kell húzni vezérlőegység betáplálásának csatlakozóját!

5.19. ábra - Elektronikus előtét gépjárművekben

A fémhalogén lámpák egyik nagy hátránya (a többi nagynyomású lámpához hasonlóan) az, hogy a lekapcsolás, vagy a tápfeszültség megszakadása után az ív újragyújtása alapesetben nem lehetséges, a kisülő térben uralkodó nagy nyomás miatt. Ezért alapesetben meg kell várni azt az időtartamot (kb. 5-15 perc), amíg a lámpa lehűl. Ez a tulajdonság gátat szabhat az alkalmazhatóságuknak, például beltéri lakásvilágításra a gyakori kapcsolások miatt alkalmatlanok. Léteznek azonban melegen is újragyújtható "Hot Restrike" típusok is, melyek drágábbak, de felfutási idő használatuk 2-4 percre csökkenthető.

A fémhalogén lámpákat az élettartamuk végén ciklikus működés jellemzi. Működés során a kezdeti ívgyújtáshoz tartozó feszültség impulzus után egy kisebb szint szükséges a folyamat stabilizálásához, amely a folyamatosan növekvő nyomás hatására egyre növekszik. Azonban az élettartam folyamán az öregedő lámpának egyre nagyobb feszültségre van szüksége a kisülés fenntartásához, amely egy idő után meghaladja az előtét által biztosított szintet. Ennek hatására a lámpa kialszik, majd lehűl, a nyomás pedig visszaesik. Ekkor az előtét ismét képes a fényforrást begyújtani, és a folyamat így ismétlődik.

Bi-Xenon rendszerek

A xenon lámpa gyakorlati előnye a hagyományos halogén izzókkal szemben – a szignifikánsan nagyobb fényerő – leginkább a tompított fény esetében mutatkozik meg. Reflektornál a halogén izzó is elegendően messzire sugároz, viszont ezen funkció gyors felfutási időt követel, ami xenon lámpák esetén körülbelül 3-30 másodperc. A hagyományos (elavult) xenon fényszórók kettő darab külön funkciót betöltő fényforrást és reflektortükröt tartalmaznak. Ezeket optimálisan az úgynevezett bi-xenon típussal lehet kiváltani. Ebben az esetben egyetlen fényforrás látja el a tompított és távolsági fény funkciót, azaz a reflektor használatakor a névleges fényerő rendelkezésre áll.

Felmerülhet a kérdés – teljes joggal –, hogy ez a gyakorlatban miként lehetséges. Halogén izzólámpáknál volt hasonló elven működő típus, például az OSRAM által bevezetett Bilux, amely kettő külön izzószálat tartalmazott. Ez a megoldás HÍD fényforrások esetén, különösen fényszórókhoz passzoló kis méretben ésszerű keretek között megoldhatatlan feladatnak bizonyult. Ezért a mérnökök egy új megközelítés alapul véve a fényforrás optikai rendszerhez képesti relatív pozícióját változtatva próbáltak eltérő célt megvalósító fényerősség eloszlásokat produkálni. A rendszer Dual-Xenon néven terjedt el. E szerint a megoldás szerint reflektor használatakor a xenon fényforrást – és azzal együtt a kisülő teret – egy általában elektromágneses elven működő aktuátor mechanikusan átmozgatja az ellipszoid reflektortükör másik fókuszsíkjába (5.20. ábra). Így a kilépő fénysugarak útja megváltozik. Ennek a funkciónak van egy komoly hátránya, miszerint egyszerre csak egy funkció működhet.

5.20. ábra - Dual-Xenon fényforrások működési elve

Megoldásként felmerült a komplett lámpatest mozgatása is, amely a nagy tömegek miatt precíziósan és nagy megbízhatósággal nem lenne gazdaságos. Ezért a gyakorlatban egy harmadik megoldás terjedt el, amely a Bi-Xenon nevet kapta. Ebben az esetben egy kitakaró elemet helyeznek az ellipszoid tükör egy része elé, amely tompított fény esetén a távolsági sugarak útját állja. Reflektorfény esetén a kitakarás megszűnik, ezzel a távolsági sugarak akadálytalanul képesek kilépni. A Bi-Xenon lámpák így gondoskodnak az adott funkciónak megfelelő fényerősség eloszlásról, amely párhuzamosan is működik. Ahhoz, hogy a kitakarásból adódó éles átmenetet csökkentsék, a reflektor elé egy kondenzor lencsét helyeznek, amely gyakran kap Fresnel-lencse peremet. A fénypajzsot egy elektromágneses aktuátor (ritkábban piezoelektromos) mozgatja, lineárisan és/vagy elforgatva. A rendszert 1999 óta alkalmazzák gépjárművekben. A legismertebb foglalat típus a D2-es, de találkozhatunk számos egyéb változattal is (Táblázat 5.2). A hagyományos 2 fényforrásos xenon lámpák hátrányai közé tartozik még a bonyolultabb felépítésből adódó magasabb ár, valamint a dupla vezérlésből fakadó nagyobb meghibásodási arány. Bi-xenon esetén a mechanikai mozgatás meghibásodása okozhat gondot, amely jóval ritkább.

5.21. ábra - Bi-xenon és Dual-Xenon fényforrások működési elve

5.22. ábra - Bi-Xenon fényszóró

A fémhalogén gázkisüléses fényforrások fejlettségi szintjüknek megfelelően D1-tól D4-ig terjedő csoportokba sorolhatók. A „D” betű, az angol „Discharge”, magyarul kisülés szóból ered. Ezek közül az első, legrégebbi technológia a D1-es. Ezek integrált impulzusgyújtóval vannak ellátva, míg a D2-es csoportba tartozó típusok nincsenek – csupán a fényforrásból és a foglalatból állnak. A D3-as és D4-es osztályok, a D1-es és D2-es továbbfejlesztett változatai. Ezek előnye, hogy például a foto-biológiai szempontból és a műanyag burára egyaránt káros, nagy energiájú sugárzások kiszűrése érdekében UV-szűrős védőburával vannak ellátva, és nem tartalmaznak higanyt – helyette nem mérgező cink-jodidot alkalmaznak –, ami környezetvédelmi szempontból jelentősen előnyös. Utóbbi két típus névleges üzemelési feszültsége az elődökhöz képest már csak közel fele (42 V), ezért csak saját vezérlőegységgel működtethetőek. A különböző csoportokba sorolt típusokat ezen kívül ellátják egy S vagy R jelöléssel is, amelyek a projektoros (S), illetve a reflektoros fényszórórendszerekbe illeszthetőségről nyújtanak információt. Utóbbiban megtalálható egy „U” alakú árnyékoló lemez is. Az S és R-rendszerekhez tartozó foglalatok alakjának kialakítása kizárja a felcserélhetőséget.

A Táblázat 5.2 felsorolja a gépjárművek fényszóróiban alkalmazott leggyakoribb fémhalogén lámpa típusokat, és összefoglalja főbb jellemzőiket:

A fémhalogén lámpatestek esetén kiemelten fontos a bura felületének tisztántartása. A szennyeződött homloküvegen ugyanis a nagy fénysűrűségű fényforrás sugarai szétszóródhatnak, és így a tompított fényeloszlás is kápráztathatja a szembejövőket. Ezért az ilyen lámpatesteket célszerű fényszórómosó berendezéssel ellátni.  

Az előírások alapján csak akkor lehet beszerelni ilyen rendszerű fényforrásokat, ha biztosítjuk, hogy az azt magában foglaló reflektornak a dőlésszöge függetlenül a jármű terhelésétől a vízszintessel állandó szöget zár be. Ezt egy úgynevezett fényszórószintező rendszerrel oldották meg [13.] .

A LED (Light Emitting Diode) fény emittáló dióda lényegében nyitó irányban működő félvezető rétegdióda, melyben a foton emisszió az injektált töltéshordozók p-n átmeneten végbemenő rekombinációja során jön létre. Fizikai besorolás szerint a LED elektrolumineszcens sugárzó, vagyis az emisszió elektromos energiával létrehozott kölcsönhatás eredménye. A LED-ek az SSL (Solid State Lighting) szilárdtest fényforrások családjába tartoznak.

5.3.1. A világító diódák történelme és fejlődése

Az elektrolumineszcenciát, mint jelenséget 1907-ben fedezte fel H.J. Round [3.] detektora segítségével, miközben szilíciumkarbiddal kísérletezett. Tű kontaktussal a kristályon átfolyó egyenáram hatására a tű környezetében a kristály sárgás-kékes fényjelenséget produkált. Ezt a jelenséget az orosz Oleg Vladimirovich Losev vizsgálta tovább, majd 1927-ben az első sugárzás emittáló dióda elkészítését jelentette be. Kísérletei számos orosz, német és angol tudományos folyóiratban megjelentetek, ám felfedezésének gyakorlati hasznát még évtizedekig nem kamatoztatták. Az első elektrolumineszcens fényforrásokkal kapcsolatos szabadalom Szigeti György és Bay Zoltán nevéhez fűződik (1939 - Az elektrolumineszcencia jelenségét hasznosító fényforrás. Magyar szabadalom 140.587., USA Patent 2. 254.957.), az általuk készített SiC alapú fényforrás a hagyományos LED-ek ősének tekinthető.

Ezután Rubin Braunstein 1955-ben tapasztalt infravörös tartományba eső emissziót szobahőmérsékleten, egyszerű dióda szerkezetnél, különböző félvezető ötvözetek esetén. 1961-ben a Texas Instruments kutatói, Robert Biard és Gary Pittman gallium-arzenid (GaAs) diódák fejlesztése közben figyelték meg, hogy átfolyó áram hatására a dióda infravörös sugárzást emittált. Később szabadalmaztatták az infravörös LED-et.

A nagy előrelépést a periódusos rendszer III. és V. oszlopában lévő elemek vegyületkristályain észlelt fényjelenség felfedezése hozta meg, a múlt század 60-as éveiben, amikor már szisztematikusan tudták keresni a jól világító félvezető rendszereket [4.] . Az első, látható (vörös) tartományban sugárzó LED-et 1962-ben a General Electric kutatója Nick Holonyak fejlesztette ki, ezért őt tekintik a "fényemittáló diódák atyjának".

Az első piacon is kapható LED 1967-ben jelent meg, melynek anyaga GaAs+LaF₃YbEr volt.

A vörös és narancssárgás-vörös LED-ek egyre gyakrabban kezdtek megjelenni különböző elektronikus eszközökben, elsősorban jelzőfényként és digitális kijelzőként. A hetvenes évek elején megjelentek az első LED-es hétszegmensű digitális karórák, melyek új technológiaként igen nagy szenzációnak örvendtek.

A következő jelentős fejezet 1972-ben következett, amikor M. George Craford, aki Holonyak tanítványa volt, megalkotta az első sárga tartományban emittáló LED-et, emellett kutatásaival jelentősen javította a vörös, és vöröses-narancssárga fényű diódák fényerősségét. Később megjelentek a zölden világító diódák is. Az első kék tartományban világító InGaN diódát sikerült a legkésőbb kifejleszteni, ez Shuji Nakamurának sikerült 1995-ben, melyhez előzőleg igen fontos felfedezéseket használt fel a GaN p-típusú adagolásáról és zafír hordozón történő növesztéséről. A kék tartományban sugárzó és egyre növekvő hatásfokú LED-ek megjelenése gyorsan magával hozta a fehér LED-ek megjelenését is (1997), amihez kék tartományban gerjesztett, de sárga tartományban sugárzó foszfor fénypor bevonatot (YAG:Ce) alkalmaztak. Ezzel kék és sárga tartományba eső spektrumcsúcsokkal folyamatos fehér spektrumot hoztak létre. Az első, UV gerjesztést látható tartományba alakító fehér LED-et először 2001-ben mutatták be.

A korai infravörös és vörös tartományban sugárzó diódák előállítási költsége rendkívül magas volt, darabonként körülbelül 200 dollárba került, ezért gyakorlati alkalmazása igen csekély volt. Majd 1968-ban a kezdetek a látható fényt emittáló GaAsP LED-ek sorozatgyártásába elsősorban kijelzők számára, melyeket a Hewlett Packard is alkalmazott termékeiben, alfanumerikus kijelzőkben és számológépekben. A 70-es években a Fairchild Optoelectronics által kifejlesztett gyártástechnológiának köszönhetően az előállítási költség darabonként mindössze 5 cent körül volt [5.] .

A LED-ek fényhatásfokának növelésében a következő lépcsőfokot az első átlátszó indium-ón-oxid (ITO) kontaktusok megjelenése jelentette 1995-ben, melyek eredményeképpen jelentősen nőtt a kilépő fény mennyisége.

Majd 2009-ben jelentették be azt az eljárást, melynek segítségével a GaN alapú LED-ek szilícium hordozóra is kerülhetnek, zafírhordozó helyett. Ezzel az epitaxiás költségek 90%-kal csökkenthetők [6.] .

A LED-ek folyamatos fejlesztésének betudhatóan a fényforrások fényárama és hatásfoka az évek során exponenciálisan növekedett. A hatvanas évektől kezdve minden harmadik évben körülbelül megduplázódik, a Moore-törvényhez hasonlóan. Ez elsősorban a félvezető gyártástechnológiák fejlődésével, valamint az optikai és anyagtechnológiai újítások alkalmazásával magyarázható. Ezt a jelenséget Dr. Roland Haitz után Haitz-törvénynek nevezik (5.23. ábra).

5.23. ábra - A fényáram logaritmikus növekedése a gyártási év függvényében [29.]

A LED-ek alkalmazási területei az állandó fejlesztések és újítások miatt folyamatosan bővültek. Napjainkban már nem csak különféle kijelzőkben és jelzőlámpákban alkalmaznak világító diódás fényforrásokat, hanem megtalálhatók számtalan általános világítási alkalmazásban is (lámpák, dísz és kiemelő világítások, panel háttérvilágítások, járművilágítások, stb.), valamint járművek fényforrásaiként is.

5.24. ábra - Személygépkocsik LED-es jelzőlámpái és fényszórói

5.3.2. LED-es fényforrások megjelenése személygépjárművekben

A modern személygépjárművekben egyre gyakrabban találkozhatunk LED-es fényforrásokkal, melyek napjainkban már valamennyi funkciót betöltő lámpatípusban megtalálhatók. Beltéri világítási funkciók közül a műszerfal és kijelző elemek, gombok, kesztyűtartó világítás, és beltéri segédfények jelentős hányada fényemittáló diódás. Ennek oka a LED-ek számos előnyös tulajdonsága volt, melyeket a közlekedésben kiválóan ki lehet használni. Ezek közül a fontosabbak a kiváló fényhasznosítás, a hosszú élettartam, nagy fényáram és fénysűrűség, a kis méret, a változatos szín és színhőmérséklet paletta, a rendkívül gyors felfutási és újragyújtási idő, és a fizikai behatásoknak való jó ellenálló képesség. Féklámpáknál kifejezetten előnyös a milliszekundumos felfutási idő, hiszen így átlagosan 0.2 másodperccel gyorsabb, mint a hagyományos izzólámpák. A különbség szemmel is jól észrevehető olyan járművek esetén, melyeknél hagyományos féklámpa mellett LED-es pót féklámpával vannak felszerelve. Habár a 0.2 s nem tűnik jelentős különbségnek, azonban 100 km/h-s sebességnél a gyorsabb reakció akár 6,5 méterrel rövidebb fékutat eredményezhet, ami elég lehet egy baleset elkerüléséhez is.

Azonban a megfelelő minőséghez és egyáltalán az alkalmazhatósághoz hosszadalmas fejlesztések szükségeltettek. Például a nagy teljesítményű LED-ek komoly hűtést igényelnek, ami egy zárt lámpatest és karosszéria esetén komoly kihívást jelent. Másik hátráltató tényező a nehézkes és drága fényforrás csere, amit sokszor csak szakszervizek képesek elvégezni, és csak panelenként lehetségesek, amennyiben a felépítés moduláris. Így amennyiben csak egy darab, vagy mindössze néhány dióda romlik el, úgy sokszor a teljes panelt ki kell cserélni. Ezért napjainkban még sok gyártó ódzkodik attól, hogy alsó-középkategóriás járműveiket LED-es fényszóróval vagy féklámpával szerelje fel.

Az újfajta LED-es fényforrások alkalmazása a luxus járművekben kezdődött, és az összes jelentősebb lámpafejlesztést és újítást felsőkategóriás modellekben mutatták be. Ez egyrészt piaci szempontból is fontos volt, a presztízst hivatott erősíteni, másrészt újfajta „futurisztikus” dizájnt is kölcsönzött. Majd a tömeggyártásnak köszönhetően – ahogy lenni szokott – a közép és alsókategóriás típusokban is fokozatosan megjelentek.

Az első LED-es féklámpát 2000-ben a Cadillac mutatta be a DeVille modellben (5.25. ábra). Mindemellett a hátsó szélvédőn található pót féklámpa is LED diódasort alkalmazott.

5.25. ábra - Az első LED-es féklámpa - Cadillac DeVille

A féklámpák után sokan várták a LED-es fényszórók bemutatását, azonban ez 2007-ig nem történt meg. Ez főként a történelmi áttekintésben is említett kék és UV LED-ek késői megjelenésének és az azt követő hosszadalmas technológiai fejlesztéseknek volt köszönhető, amelyek 2004-től ugyan felgyorsultak, de sokáig nem tették lehetővé a nagy teljesítményű fehér LED-ek napjainkban tapasztalható széleskörű alkalmazhatóságát. Ezért az első, tömeggyártásba kerülő világítódiódás fényszórólámpát csak 2007-ben mutatta be a Lexus, az LS600-as modellben (5.26. ábra). A lámpatestben a LED-ek ekkor még csak a tompított fényt valamint a helyzetjelzőt szolgáltatták, a távolsági és az index fényt halogén fényforrások biztosították.

5.26. ábra - Az első LED-es fényszóró – Lexus LS600

A világon az első, teljes mértékben LED világítást alkalmazó („all-LED Technology”) gépkocsi pedig az AUDI R8 2009-es modellje volt, melyben a tompított és távolsági fény mellett a helyzetjelzőlámpa, tolatólámpa és az összes index lámpa is fényemittáló diódás volt (5.27. ábra).

5.27. ábra - AUDI R8 2009 – Az első össz-LED technológiás személygépjármű

5.3.3. A LED-ek működési elv

A világító diódák működési elvét az 5.28. ábra szemlélteti. Nyitóirányú előfeszítés hatására áram folyik az anódtól (p réteg) a katód felé (n réteg), ezért az n adalékolású rétegből gerjesztett elektronok lépnek át a p rétegbe, miközben a p adalékolású rétegben lyukak haladnak az n réteg felé. Az egymás felé mozgó töltéshordozók találkozáskor kiszámítható valószínűsséggel rekombinálódnak, és alacsonyabb energia szintre kerülnek vissza. Ez az energia felszabadulás adott százalékban foton emisszió formájában megy végbe.

5.28. ábra - Világító diódás rekombináció sávképe

[7.] A félvezető anyagainak sávszerkezete lehet olyan, hogy a vezetési sáv minimuma egybeesik a vegyértékkötési sáv maximumával, ezt hívjuk közvetlen (direkt) sáv átmenetet lehetővé tevő anyagnak. Vannak olyan anyagok is, melyeknél ez nem teljesül, ezek a közvetett (indirekt) sáv-átmenetű anyagok (5.29. ábra).

5.29. ábra - A közvetlen és közvetett sáv átmenet sematikus képe [30.]

Indirekt esetben így jó hatásfokú világító rekombináció létrejöttéhez fonon (a szilárd halmazállapotú testek rezgési átmeneteinek energiakvantuma) kölcsönhatásra van szükség, hogy mind az energia-, mind az impulzus megmaradás törvénye teljesüljön.

A szilícium és germánium diódákban indirekt rekombináció megy végbe, ezért a foton emisszió elenyésző. Ahhoz, hogy a sugárzás megfelelő erősségű legyen, direkt sáv átmenet szükséges, amely megfelelő anyagok és adalékolás által lehetséges. A GaP (galliumfoszfid) 557 nm-es zöld fényt emittál, viszont indirekt sugárzó, ezért több lépésben történik az energia-kibocsátás, és a kristályokban elhelyezkedő hibahelyek miatti hőveszteség csökkenti a hatásfokot. A galliumnak arzénnal és foszforral történő megfelelő ötvözése az indirekt rekombinációt direktté teszi, kettős sík alakul ki a félvezetőben. A két ötvöző aránya határozza meg a tiltott sáv szélességét, és ezzel együtt a kibocsátott fény hullámhosszát.

A LED diódák anyagai a direkt sugárzás miatt legtöbbször a periódusos rendszer III. és V. oszlopából vett elemek vegyületei.

5.3.3.1. A LED-ek színképi függése

A hagyományos, fénypor nélküli diódák keskeny, kvázi monokromatikus spektrumban sugároznak, amely széles határok között változhat. Az emittált sugárzás spektrumát és az emissziós maximum hullámhosszát, a félvezető p-n átmenetét alkotó anyagok vegyülete és adalékolása, vagyis a sávszerkezete (tiltott sáv szélessége) határozza meg (Táblázat 5.3).

5.3. táblázat - Világító diódák emissziós maximuma, a világítás színe és dióda összetétele

λ [nm]	Szín	Anyag
>760	IR	GaAs, AlGaAs
700	Vörös	GaP:Zn-O/GaP
660	Vörös	GaAl0,3As/GaAs
630	Vörös	GaAs0,35P0,65:N/GaP
610	Narancs	GaAs0,25P0,75:N/GaP
590	Sárga	GaAs0,15P0,85:N/GaP
565	Sárgás zöld	GaP:N/GaP
555	Sárgás zöld	GaP/GaP
520	Zöld	InGaN; SiC
500	Kékeszöld	InGaN
450	Kék	InGaN, GaN
<400	UV	AlGaN, AlN (210 nm)

A világító diódák színképe tehát az anyagjellemzők függvénye. A folyamatos fejlesztések eredményeképpen napjainkban gyakorlatilag a teljes látható színkép tartományban (5.30. ábra) készítenek LED fényforrásokat.

5.30. ábra - Világító diódák spektrális teljesítmény-eloszlása [31.]

5.3.4. Fehér LED-ek

A gyakorlatban különösen fontos szerepet töltenek be a kék színképtartományban, és közeli UV-ben emittáló LED-ek, hiszen a rövid hullámhosszúságú fotonok elegendően nagy energiájúak ahhoz, hogy a lumineszcencia jelenségét kihasználva sárga fényport gerjesztve, folyamatos spektrumú, kék és sárga tartományban hullámhossz csúcsokkal rendelkező fehér fényt állítsanak elő. Ez azért lehetséges, mert a kék és a sárga komplementer színek, ezért a fehérnek valamilyen árnyalatát szolgáltatják. Így a konvertálásnak nincs elvi akadálya, mert nagyobb energiájú sugárzást kisebb energiájúvá kell alakítani. A fénykeltéshez alkalmazott fénypor általában foszfor alapú (YAG:Ce), és kémiai folyamatok útján állítja elő a kívánt spektrumot (5.31. ábra), mindezt jelentős energia veszteség mellett.

Ezt a jelenséget Stokes-eltolódásnak nevezik, amely a gerjesztő és emittált foton energiája közötti különbség okozta veszteség. Ezért is ideálisak a látható tartományban nem sugárzó, igen nagy energiájú UV LED-ek, hiszen a fénycsövek is ugyanezen az elven működnek.

Léteznek két fényporos LED-ek is, melyek kék tartományú fénnyel gerjesztve nem sárga, hanem zöld illetve vörös tartományban emittálnak fotonokat.

5.31. ábra - Fehér LED jellemző spektruma

A fehér fény előállítása történhet egy harmadik módon is, úgynevezett RGB LED-ek segítségével is. Ekkor a szorosan egymás mellett lévő, különálló diszkrét vörös, kék és zöld hullámhosszakon sugárzó LED chipek azonos intenzitással üzemeltetve az emberi szemben additív módon fehér színérzetet eredményeznek, azaz spektrálisan összeadódnak. Az RGB LED-ek színvisszaadása elmarad a fényporos változattól, viszont fényhasznosításuk magasabb, és a chipeket külön-külön szabályozva számos szín produkálható (5.32. ábra).

5.32. ábra - RGB LED kialakítása és sugárzási spektruma [30.]

5.3.6. A fénykicsatolás módjai LED-eknél

A LED-ek anyagai legtöbbször igen nagy törésmutatóval (szilícium esetén n=4,24) rendelkeznek. Ez azt eredményezi, hogy a keletkező fény jelentős része a következő közeg határfelületnél, ami alapesetben az 1-es törésmutatójú levegő, nem tud kilépni a diódából, és visszatükröződik az anyagba. Ezt a jelenséget a törési törvény, vagy más néven Snellius-Descartes törvény írja le:

(5.2)

ahol n _i a közeg törésmutatója, c _i pedig a fénysugár sebessége az adott közegben

5.33. ábra - Fénysugár törése különböző közegek határán

Ezért a fény kicsatolása, azaz a LED-ek helyes kialakítása igen fontos, tárgya számos kutatásnak és fejlesztésnek.

Egy optikával és bevonattal nem rendelkező síkfelületű LED chip a félvezető felületére merőlegesen, és néhány fokkal oldal irányban képes emittálni fotonokat, amelyet fény-kúpnak, vagy kilépési kúpnak neveznek (5.34. ábra). A kritikus szög a beesési merőlegestől számított maximális kilépési szög. Ezen értéket meghaladva a fotonok visszatükröződnek az anyag belsejében található kristályokról, és a félvezető külső felületéről egyaránt. Így nagyobb szögben már nem képesek elhagyni az anyagot.

5.34. ábra - Kilépési kúpok [31.]

Az 5.34. ábra a LED chipből kilépő idealizált kúpokat szemlélteti, a félvezető közepében lévő emissziós pont-forrás és 20 fokos kritikus szög esetén. A bal oldali chip teljesen átlátszó anyagból áll, míg jobb oldalt a félvezető alsó fele átlátszatlan anyagból van, így ott fél kúpok figyelhetők meg. A belső abszorpciók miatt a hosszabb utat megtevő, nagyobb oldalsó kúpok nem emittálnak annyi fotont, mint a kisebb felső és alsó fény-kúpok. Mivel a fotonok a pontforrásból minden irányban egyenletesen sugárzódnak ki, a kúpok közötti területen a csapdába esett fény hő veszteséggé alakul. A valóságban a foton emisszió természetesen nem csak egy pontban történik.

5.35. ábra - Abszorbeáló GaAs és transzparens GaP kristály közötti különbség [32.]

A belső reflexiók során a fotonok a többi kristályszem felületein keresztülhaladva is kiléphetnek, amennyiben a kilépési szög elegendően kicsi, és a kristály megfelelően átlátszó ahhoz, hogy ne abszorbeálja azokat. A minden oldalt szabályos négyszög felületek azonban tükrökként viselkednek, így ebben az esetben a kilépés nem lehetséges. Az elnyelődő fotonok a kristályban hő veszteséggé alakulnak. A speciális alakú, szelektív kristálynövesztéssel (maszkolással vagy strukturált hordozókon) előállított LED chipek "csiszolt oldalélekkel" rendelkeznek, azaz oldalsó felületei adott szögben helyezkednek el. Ezzel jelentősen megnövelhető a kilépő fotonok mennyisége (5.35. ábra; 5.36. ábra) [8.] .

5.36. ábra - Szelektíven növesztett AlGaAs, gallium-arzenid hordozón [8.]

A legideálisabb félvezető gömb alakú lenne, melynek pontosan a középpontjában menne végbe az emisszió. Ekkor az összes fénysugár merőleges lenne a gömb teljes felületére, vagyis reflexiós veszteségek nélkül kiléphetnének a LED diódából. A félgömb alak is ideális, amennyiben az alsó síkfelület tökéletes tükörként visszacsatolná az arra induló fotonokat.

5.3.7. LED fényforrások kialakítása, jellegzetes LED típusok

A legrégebben alkalmazott és legelterjedtebb LED-ek hagyományos furatszerelt (THD - Throug Hole Technology) kialakításúak. Ezek között is a legnépszerűbb az 5 mm-es átmérőjű ovális műanyaglencsés kialakítás, de gyakran találkozhatunk 3 és 8 mm-es és szögletes típusokkal is. A furatszerelt LED-ek sokáig egyedül uralták a piacot, és elsősorban indikátor fényként és pontkijelzőkben alkalmazzák, hiszen villamos teljesítményük és ezzel párhuzamosan fényáramuk lényegesen kisebb, mint a felületszerelt, világítástechnikában is alkalmazott teljesítmény LED-eké. Külön hűtést így nem igényelnek. Felvett áramuk néhány mA-től 100 mA-ig terjed.

A kontaktusok a beszerelés megkönnyítése végett nem egyenlő hosszúságúak, a rövidebbik láb mindig a katód, a hosszabbik az anód.

5.37. ábra - Hagyományos furatszerelt LED felépítése

A LED chip/morzsa egy reflektor csészében foglal helyet, amely vezető ragasztóval van rögzítve a kontaktushoz (5.37. ábra). A reflektor a hátrafelé irányuló fénysugarakat visszatükrözi, ezzel a veszteségeket csökkenti. A félvezető dióda anód kontaktusa egy körülbelül 25 μm vastagságú arany huzallal csatlakozik a külső anód kivezetéshez. A félvezetőt körülvevő külső műanyag (epoxy) lencse lehet átlátszó vagy színezett, és három fő célt szolgál:

1. Megkönnyíti a LED-ek beültetését;

2. Megvédi a néhány mikronos, igen sérülékeny bekötő huzalozást és a felületet;

3. Köztes reflexiós határfelületként funkcionál a nagy reflexiójú félvezető és a levegő között. Ezzel diffúziós lencseként növeli a kilépő fotonok számát és ezzel együtt a hatásfokot, valamint a sugárzási szöget.

A világító diódák másik jellemző típusa a felületszerelt vagy más néven SMD (Surface Mount Device) LED, amelyek külső kontaktus kivezetéseit a nyomtatott áramkörök felületén kialakított kontaktus felületekhez (pad-ekhez) elektromosan, az esetek döntő többségében forrasztással, ritkán vezető ragasztással kötik. A felületszerelt technológiából adódóan a LED-ek mérete jóval kisebb lehet (akár néhány mm), hiszen beültetésük miniatűr méret esetén is lehetséges. A szilikon lencsének köszönhetően képesek igen széles szögben sugározni.

5.38. ábra - SMD LED-ek felépítése

A teljesítmény LED-ek (High Power HPLED) legtöbbször SMD fényforrások, melyeket elsősorban megvilágítási alkalmazásokra terveztek. Nagyobb teljesítményűek, és nagy fényárammal rendelkeznek. Méretük változó, néhány mm-től 1-2 cm-ig terjed, de a bennük lévő chip nagyobb méretű. Felvett teljesítményük 1 W-tól akár a 25 W-ot is elérheti! Ebből adódóan nem ritka, hogy egyetlen LED több mint 1 A áramot is felvesz. Fényáramuk 50 lm-től akár 1400 lm is lehet, ezért világítási célokra kiválóak. Fényszórók fényforrásaként ideálisak. Nem szabad elfeledkezni a teljesítmény LED-ek hűtéséről, hiszen a felvett teljesítmény jelentős része hő veszteségként disszipálódik, ezért a félvezető chip hőmérséklete könnyen meghaladhatja az előírt értéket. Ez teljesítményromláshoz, és a dióda élettartamának lerövidüléséhez vezet. Az ilyen világító diódák a nagy teljesítményt sokszor úgy érik el, hogy egyszerre több, akár 24 apró diódát kötnek sorba illetve párhuzamosan egyetlen tokozáson belül. Az ilyen fényforrásokat Multi-chip LED-eknek nevezik (5.39. ábra).

5.39. ábra - Multichip LED

A piacon előfordulnak úgynevezett Chip on Board (COB) LED modulok, melyeknél gyárilag egy vagy több különálló világító diódát ültetnek egy nyomtatott áramkörre vagy hordozóra, így azokat használat előtt beforrasztani nem szükséges (5.40. ábra). A bekötés általában egyszerű, sokszor forrasztást sem igényel. Ez a kiszerelési forma kisméretű, esetenként bonyolult felépítésű, nagy teljesítményű termékeket tesz lehetővé, így költséghatékony lehet bizonyos világítási alkalmazásoknál. A hordozó gyakran úgy van kialakítva, hogy a LED hűtését is képes megfelelően biztosítani.

5.40. ábra - Chip on Board LED modulok

5.3.8. LED-ek világítástechnikai jellemzői, alkalmazásuk jellegzetességei

A már tárgyalt világítástechnikai jellemzők egy része LED fényforrások esetén igen széles skálán változhat, ami a működési elv jellegzetességeiből fakad. A dióda spektrális eloszlása az anyag vegyületek függvényében a kvázi monokromatikus színtől egészen a fehérig terjedhet, amely más típusú fényforrások esetén kivitelezhetetlen lenne. A fehér LED-ek színhőmérséklete (az alkalmazott színpor jellemzőtől függően) szintén széles skálán elérhető, 2700 K-es meleg-fehértől egészen a 8000 K-es hideg-fehérig. Ezzel szoros kapcsolatban áll a színvisszaadás, amely az olcsóbb vagy régebbi típusoknál minimum 60-65, a legújabb fénypor technológiát alkalmazó típusoknál azonban elérheti a kiváló, 85-90-es értéket is! Ezen a téren a LED-ek gyakorlatilag beérték az izzólámpák kiváltására alkalmazott ez idáig legszebb színeket produkáló modern fénycsöveket. Sugárzási szögük és karakterisztikájuk az alkalmazott optikai lencséktől függően az igen keskeny, 10-20°-tól a széles, akár 150°-ig terjedhet, amely már majdnem Lambert-sugárzónak tekinthető. Felfutási és újragyújtási idejük a félvezető szerkezet miatt rendkívül gyors, akár milliszekundum alatti is lehet.

A világító diódák kis méretükből fakadóan általában igen nagy fénysűrűséggel rendelkeznek, amely előtétoptikákkal szabályozható, helytelen alkalmazással azonban kápráztathatnak. A modern teljesítmény LED-ek névleges fényárama meghaladhatja az 1500 lm-t.

A széles spektrumon váltakozó fénytechnikai jellemzőkön túl, melyek a világítás minőségét jellemzik, a LED-ek a leginkább gazdaságossági szempontok alapján szárnyalják túl vetélytársaikat. Ilyen a kiváló fényhasznosítás és az egyedülállóan hosszú élettartam.

Az első, világítástechnikai alkalmazásokra szánt világítódiódák azzal robbantak be a köztudatba, hogy élettartamuk elérheti akár a 100.000 órát is, mely messze túlszárnyalja az összes alternatív fényforrás jellemző értékeit. A gyakorlatban azonban fenntartással kell kezelni az ilyen nagyságrendű értékeket. Egy fényforrás élettartamának ugyanis gátat szabhat a vezérlő elektronika működési ideje, üzemelési hőmérséklete és a tápellátás jellemzői (stabil áram és feszültség, üzemelési körülmények, stb.). Ezen kívül a kis felületű chipben az átfolyó névlegesnél nagyobb áramok miatti nagy áramsűrűség hatására szerkezeti változások történhetnek. Ez egyben a fényteljesítmény degradációjához is vezet. Ezért a LED-ek sem üzemelnek 100.000 órát, de névleges értékek, stabil tápegység és megfelelő hűtés mellett üzemeltetve általában teljesítik a 30-60.000 órát, ami így is kimagasló. A világító diódák fényének degradációját és hasznos élettartamát jellemző szabványosított L70 és L50 értékek azt az időtartamot fejezik ki, ami alatt a fényáram 70 illetve 50 %-ra esik vissza. A B10 és B50 értékek pedig egy tesztelt LED sorozat esetén azt az időtartamot mutatják meg, amikor az adott sorozat 10 illetve 50 %-a meghibásodott. Az alábbi diagramok a meghajtó áram (I _F ) és chip hőmérséklet (T _j ) hasznos élettartamot befolyásoló hatását szemlélteti Luxeon K2 fehér LED-ek esetén (5.41. ábra).

5.41. ábra - A bal oldali diagramon T_j=125°C, jobb oldalin I_F=1,5 [33.]

A világító diódák másik meggyőző mutatókkal rendelkező paramétere a kiemelkedően jó fényhasznosítás. Napjainkban az ilyen fényforrások jóval meghaladhatják az általános világítási célokra használt, izzólámpákat helyettesítő, energiatakarékosnak mondott fénycsövek által produkált értékeket. A különböző hullámhossz tartományokban sugárzó színes LED-ek fényhasznosítása más és más, hiszen az amúgy keskeny spektrumú fényforrások elérhető maximális fényhasznosítása az emberi szem érzékenységi görbéjéhez igazodva eltérő. Ezért egy sárgászöld LED (itt az elérhető maximális fényhasznosítás 555 nm-en 683 lm/W lehetne), azonos fényáram mellett sokkal jobb értékeket produkál, mint egy kék, vagy vörös (elméleti maximum kb. 70 lm/W, 650 nm) színű kvázi monokromatikus LED. Ezért egy narancssárga 630 nm-es és egy vörös 650 nm-es azonos hatásfokú dióda közül az előbbit kb. 5x fényesebbnek érzékeljük [9.] . Fehér LED-ek esetén az elméleti maximális hatásfok a spektrális összetételtől függ. Amennyiben a kisugárzott energia a teljes látható tartományon egyenletesen oszlik el, akkor az elérhető maximális fényhasznosítás körülbelül 200 lm/w. Ekkor a színvisszaadás maximális lenne. A hatásfok fokozható, amennyiben a spektrális eloszlás az érzékenyebb, zöld tartományba tolódik el, ez azonban a színvisszaadás rovására menne. A jelenleg kapható sárga és kék spektrumcsúcsokkal rendelkező fehér LED-ek fényhasznosítása megfelelő hűtéssel elérheti a 150 lm/W-ot, laborkörülmények között pedig a 200 lm/W fölé is képesek menni.

A LED-ek fényhasznosítása rohamosan fejlődik, melyet az 5.42. ábra is szemléltet, feltüntetve néhány más típusú fényforrás hasonló értékeit. A logaritmikus skálán leolvasható, hogy az 1 lm/W-os határt körülbelül 1972-ben érték el, a 10 lm/W-ot 16 évvel később sikerült teljesíteni, amit nagyjából 7 év alatt sikerült megduplázni. Az igazán nagy fejlődés ezután következett, 2000 óta a 35-40 lm/W-ot 10 év alatt sikerült majdnem megnégyszerezni. Az ilyen mértékű fejlődéshez együttesen hozzájárult a gyártástechnika (speciális kialakítású chipek), és az anyagtechnológiák (pl. átlátszó elektródák, fényáteresztőbb ötvözetek, új fényporok) fejlődése.

5.42. ábra - LED-ek fényhasznosításának fejlődése [32.]

A LED-ek ismertetett jellemzői magyarázatot adnak rohamos elterjedésükre. Ezeken kívül számos előnyös tulajdonságuk megemlíthető. Ilyen a rendkívül kis méret (akár < 2 mm²), a tetszőleges gyakoriságú ki és bekapcsolhatóság, az egyszerű fényerő szabályzás, azaz dimmelhetőség (PWM impulzusszélesség modulációval vagy egyszerűen I _F -el), és a fizikai behatásokkal szembeni nagy ellenállóság. Ezek alkalmazásuk határait jelentősen kiterjesztik. Hátrányként említhető a viszonylag magas ár, a jellemzők működési hőmérséklettől való függése és a tápfeszültség érzékenység. A LED-ek ezen kívül nem igazán tekinthetők pontsugárzónak, inkább Lambert-sugárzónak. Ezért olyan alkalmazási területeknél, ahol gömb alakú sugárzási tér szükséges, alkalmazásuk nehézkes. Fényszórók tervezésekor optikai szimulációs és CAD szoftverek alkalmazása gyakorlatilag kihagyhatatlan. Ellentétben más fényforrásokkal (pl. izzólámpák), a LED-ek csak megfelelő polaritású U _F mellet üzemelnek.

5.3.9. A LED-ek színezete (chromaticity)

Amíg egy tetszőleges fény színezete kifejezhető a színezeti koordináták segítségével (például x,y vagy u',v'), úgy fehér fény esetén ez kifejezhető a színhőmérséklettel és a Planck-görbétől való távolsággal is. Ez fehér fényforrásoknál azért előnyös, mert spektrális mérésekből a színhőmérséklet a Planck-törvény segítségével egyszerűen és pontosan származtatható. A fluoreszcens fehér fényforrásoknál az ily módon történő szabványos besorolás a MacAdam ellipszisekkel történik.

Az ANSI (American National Standards Institute) a fehér SSL fényforrások színezeteinek szabványosítására és besorolására az ANSI C78.377-2008 szabványban (American National Standard for electric lamps - Specifications for the Chromaticity of Solid State Lighting Products) a MacAdam ellipszisek mintájára négyszögeket vezetett be. Ehhez 8 szabványos korrelált színhőmérséklet értéket (középpont koordinátákat) definiáltak a Planck-görbén, és a távolságokat ezektől mind a négy irányban, melyek ily módon négyszögeket adnak ki a színezeti diagramban (5.43. ábra).

5.43. ábra - ANSI színezeti négyszögek [34.]

5.3.10. LED-ek jellemzőinek hőmérséklet függése

A LED-ek félvezetők, ezért egyik legnagyobb hátrányuk az, hogy számos jellemzőjük mellett élettartamuk a chip lokálisan legmagasabb működési vagy más néven záróréteg (p-n átmenet) hőmérsékletének (T _J - Junction Temperature) függvényében változhat. A katalógusokban ez az érték szerepel, amely a környezet hőmérséklete (T _A ), a disszipált teljesítmény (P _D ), és a záróréteg környezet között lévő hő ellenállás (R _ƟJA °C/W.) ismeretében az alábbi módon számítható [10.] :

(5.3)

A gyártók által definiált névleges értékek gyakran csak laborkörülmények mellett (T _j =25°C, ms alatti mérések) érvényesek, ami gyakorlati alkalmazás esetén szinte soha nem áll fenn. A hőmérséklet befolyása a dióda áram-feszültség összefüggéséből is látható:

(5.4)

A hőmérséklet növelésével a LED-ek a fényárama visszaesik, függetlenül a sugárzás eloszlásától (5.44. ábra). Fénysűrűségük így szintén változhat.

5.44. ábra - A baloldal diagramon egy fehér LED, a jobb oldalin három színes LED fényintenzitás változása látható, a hőmérséklet növelés függvényében [32.]

A hőmérséklet változásának függvényében sugárzás-eloszlásuktól függő mértékben a spektrumuk és így a színességi koordinátáik is eltolódhatnak (5.45. ábra), színhőmérsékletük pedig növekedhet. Bemelegedési idejük alatt azt az időtartamot értjük, ami alatt az elektronikai és optikai jellemzők állandósulnak. Ez hűtéstől függően változhat, sokszor 10 másodperc feletti, ezzel szemben a gyártók mérései igen gyakran csak felvillanásos üzemben történnek és ms-os nagyságrendbe esnek. Ez komolyan megnehezítheti a tervezést, vagy ennek figyelmen kívül hagyása jelentős hibákhoz is vezethet!

5.45. ábra - Egy vörös LED spektrumának és színességi koordinátáinak eltolódása a hőmérséklet függvényében (ΔT=47°C, Δ(u,v)=0,007) [32.]

5.3.10.1. Teljesítmény LED-es fényforrások hűtése

A kiváló minőségű teljesítmény LED-ek alkalmazásának hátrányként említendő a magas áruk, azonban a beruházási költségek – megfelelő tervezés esetén – a kis fogyasztás és a hosszabb élettartam miatt megtérülhetnek. A kiegyensúlyozott működéséhez és hosszú élettartamához azonban stabil tápforrás, vagy védelmi célt szolgáló áramkör, valamint teljesítmény LED-ek esetén megfelelően tervezett hűtés is szükséges.

A hűtési megoldásokat alapvetően két kategóriába lehet sorolni: a hűtés lehet aktív és passzív.

A kettő közül az aktív a hatásosabb, azonban ekkor a hűtőrendszer része egy „aktív elem”, ami az esetek többségében egy megválasztott méretű és teljesítményű ventilátor, amit a keletkező hőmennyiség elvezetése érdekében a hűtőborda hőátadó felületére szerelnek (5.46. ábra). Ennek a megoldásnak azonban számos hátránya van! A ventilátor működése közben zavaró zajt generál, ami az élettartam során erősödhet. Emellett külön tápellátást igényel, és a felvett teljesítménye rontja az energiahatékonyságot. A legnagyobb probléma az, hogy működési ideje lekorlátozhatja a LED élettartamát is, hiszen élettartama töredéke a LED-ek névleges működési idejének. Az elromlott ventilátor miatt a keletkező hőmennyiség már nem tud távozni, ami a lámpa teljesítmény csökkenését és tönkremenetelét is előidézi. Emellett meg kell oldani a ventillátor által szállított hő elvezetését, ami sokszor nehézkes. Olyan lámpatestekben, ahol a ventilátor csere nehézkes és drága lenne, alkalmazásuk nem javasolt.

5.46. ábra - Miniatűr hűtőventillátor modellje

Passzív hűtésnél nincs olyan hűtő alkatrész, amely teljesítményt vesz fel. Ekkor a keletkező hőmennyiséget valamilyen jó hővezető-képességű anyagból – általában réz vagy alumínium – készült bordaprofilnak kell megoldania. Az átlátszó anyagok nem jő hővezetők, ez alól kivételt képeznek a speciális hővezető polimerek, melyek alkalmazása az igen magas ár miatt nem gazdaságos. Az adott hűtési feladathoz ideális hűtőborda megtervezése nem egyszerű folyamat és igen hosszadalmas, hiszen számos geometriai és hőtani paraméter pontos ismerete szükséges a pontos számításokhoz, melyek gyakran még a gyártói adatlapokban sem szerepelnek. Ezért sokszor – esetenként helytelenül – a precíz tervezés helyett a tapasztalatok alapján választanak bordákat. A bordák elhelyezésekor figyelembe kell venni – ha fennáll – a természetes légáramlatot, amely a bordák közül segít a távozó hőmennyiség elszállításában. A geometriát és az alakprofilt úgy kell megtervezni, hogy a lehető legnagyobb felületen érintkezzen a hőátvevő közeggel, vagyis a levegővel, de a bordák között megfelelően nagy távolságnak is lennie kell, hogy a hő a kéményhatás elvén felfele is távozhasson a bordák közül (5.47. ábra). A hűtés hatásfokát tovább lehet javítani a hőátadó felületekre felvitt hővezetőpaszta alkalmazásával. Az alumínium bordákat gyakran eloxálják, aminek segítségével alacsonyabb hőmérséklet mellett a hőátadáson kívül hősugárzás is segíthet a hőelvezetésben, természetesen csak egy adott hőmérséklet felett.

5.47. ábra - Alumínium hűtőborda profilok LED-ekhez

Mielőtt döntenénk a hűtés mikéntjéről, számos jellemzőt figyelembe kell venni és meg kell vizsgálni. Ilyen a lámpatest zártsága, van-e természetes légáramlás, vagy egyáltalán képes-e a keletkező hőmennyiség valahol távozni? A gyakorlatban sokszor volt példa ennek figyelmen kívül hagyására, például bevásárlóközpontok és egyéb épületek LED-es név és hirdetőtábláiban. Az ezekben helyet foglaló LED sorokat gyakorlatilag egy jól szigetelő burába zárták, és így azok a névleges élettartam töredéke alatt „megfőttek” és tönkrementek, amivel természetesen jelentős anyagi károkat okoztak a felhasználóknak, és károsan befolyásolták a világítódiódák megítélését. De az autóiparban is komoly gondot okozott és okoz napjainkban is a viszonylag zárt és olykor más okokból is forró karosszériában elhelyezett lámpatestekben keletkező hő elvezetése.

Újabban egyre gyakrabban alkalmaznak hővezető csöveket (heat pipe) a keletkező hő transzportálásához hidegebb vagy jobban szellőző területekre, ha nincs elegendő hely a keletkezett hő lokális disszipálására, de sok esetben a bordák fizikailag nem férnek el a lámpatestben. A hővezető csövek napjaink processzor hűtőkben is rendre megtalálhatók (5.48. ábra).

5.48. ábra - Processzorhűtőben lévő hővezető csövek

A hővezető csövek legtöbbször rézből (ritkábban alumíniumból) készülnek, így kiváló hővezetők. Azonban teljesítményük fokozása érdekében a légmentesen zárt vákuumcső belsejében hővezető közeg áramlik, ami legtöbbször víz, illetve vízgőz. Ezzel a tömör rézhez képest több százszor jobb hővezetés érhető el.

5.49. ábra - A hővezető cső működési elve

Működési elvük egyszerű. Azt a törvényszerűséget használja ki, hogy a meleg gáz mindig a hidegebb környezet felé áramlik. A csőben lévő vízközeg a felmelegített részen a hőenergiát felvéve elpárolog (gőz fázisba kerül), és a fizika törvényeinek megfelelően gyorsan feláramlik a leghidegebb csúcsba, ahol a hűtőbordák találhatók. A rézcsöveken keresztül a hő átadódik a bordákba, aminek hatására a gáz lehűl, majd kondenzálódik. A porózus belső falon lecsapódott víz a gravitációt vagy a cső speciális belső kialakítását felhasználva visszaáramlik a melegebb részekre. Ezzel folyamatos, gyors hőáramlási ciklus alakul ki (5.49. ábra).

A rézcsövek hőfelvevő és hőátadó felületeinél hővezető paszta alkalmazásával a hatásfok tovább javítható. A cső belső falába vékony barázdákat vagy csövecskéket alakítanak ki, ezért a kapillárishatás segítségével a folyadék a cső helyzetétől függetlenül, akár a gravitációval ellentétesen is képes haladni. A belső nyomást úgy alakítják ki, hogy a párolgás hatásfoka 30-80 °C között is jó legyen, de mégse forrjon fel a folyadék, mert olyankor a légbuborékok elállnák a visszafelé áramló folyadék útját.

A fényszórók segítségével világítatjuk meg a gépjármű előtti útfelületet, valamint a jelzőtáblákat, az útszegélyt, a perifériális területeken lévő tárgyakat, és az ott közlekedő vagy álló bicikliseket, gyalogosokat illetve állatokat. A jegyzet kizárólag a személygépkocsik fényszóró rendszereit tárgyalja.  

A fényszóró világítás (angolul Headlight) a gépjárművek elején elhelyezett, útvilágításra szolgáló rendszert foglalja magában. Azért beszélhetünk rendszerről, mert napjaink modern járművei olyan összetett lámpatesteket (Headlamp) alkalmaznak, melyek integrálva képesek ellátni az általános tompított világítást (Low beam / Dipped beam) és az országúti vagy más néven távolsági / reflektor-világítást (High beam), valamint ezek mellett egyéb funkciókat is megvalósíthatnak, például helyzetjelző fényeket, vagy kanyarodást segítő világítást is. Sok esetben az irányjelző vagy más is a fényszóró lámpatestében kap helyet.

Fényszórók optikai rendszerei

A gépjárművek fényszóróinak elsődleges feladata az út optimális megvilágítása, és ezzel a komfortos, biztonságos vezetés feltételeinek megteremtése. Alapvetően négy fő egységből állnak [12.] :

A fényszóróoptikák közül a tompított fényeket megvalósító rendszerek helyes megtervezése és kialakítása jelenti a legnagyobb kihívást, illetve igényli a legnagyobb körültekintést. Alapvetően két célt kell a lehető legnagyobb hatékonysággal teljesíteni: megfelelő látási körülményeket kell létrehozni a vezető számára, ezzel párhuzamosan limitálni kell a szembejövő forgalom kápráztatását illetve elvakítását. Mindkét cél teljesülésére törvényi előírás vonatkozik. A fényszórók és a hozzájuk tartozó fényforrások ennél fogva biztonságtechnikailag releváns gépjárműtartozéknak tekintendők, vagyis forgalomba állás előtt hivatalos jóváhagyást igényelnek, és az eredeti konstrukció szabályoknak ellentmondó átalakítása vagy manipulálása ezért nem megengedett.

A klasszikus (nem LED-es) fényszóró rendszerek alapvető működési elvük szerint két fő csoportba sorolhatók: a reflexiós, valamint a projekciós vagy más néven vetítőlencsés osztályokba. A csoportokba az alkalmazott technológia alapján különböző fényszórótípusok tartoznak, melyek kronológiai sorrendben az alábbiak:

6.2. ábra - Fényszóró rendszerek optikák rendszer szerinti csoportosítása

A reflexiós csoportba a parabolikus és a szabad formájú (FF) rendszerek, míg a projekciósba az ellipszoid tükrös (DE) típus mellett az FF-el kombinált, „Super DE” vetítőlencsés rendszerek tartoznak. Részletes ismertetésükre a következőkben kerül sor.

Történelmüket tekintve az első fényszórók parabolatükrös rendszerűek voltak, és hosszú évtizedekig egyeduralkodónak számítottak. Csak jóval később jelentek meg a sokkal modernebb, előnyösebb tulajdonságokkal bíró vetítőlencsés rendszerek. A gyártástechnika valamint a számítástechnika fejlődése a nyolcvanas évek végére lehetővé tette a bonyolult reflexiós felületek szoftveres tervezését és legyártását, így egyedi lámpatest geometriákhoz kiváló hatásfokú, modern optikai elemek készülhettek. Ezek közé tartoznak a szabad formájú reflektorok, amelyeket napjainkban az FF és a Super DE rendszerekben is széles körben alkalmaznak.

A parabolikus reflexiós rendszerű fényszórók igazi klasszikusnak számítanak, hiszen ezt a technológiát alkalmazták legrégebben. Az első tompított eloszlást biztosító változatok már meglehetősen korán, az 1915-ben megjelentek. A reflektor tükör felülete ennél a típusnál egy szabályos parabola saját tengelye körüli forgatásával határozható meg, azaz alakja parabolikus. Eleinte acélból, majd később a gyártástechnológia fejlődésével fröccsöntött műanyagból készültek. A reflektor felületére tükröző réteget (foncsort) gőzöltek általában alumíniumból.

Működési elvük a parabolatükrök jellemző optikai tulajdonságain alapul, amely szerint a tükör felülete az egyik gyújtópontjából – vagy más néven fókuszpontjából – kiinduló fénysugarakat párhuzamosan veri vissza a másik gyújtópontba, amely a végtelenben van. Eszerint a visszavert sugarak egymással párhuzamosan folytatják útjukat – a párhuzamos sugarak ugyanis a végtelenben találkoznak. Ezt a koncepciót átültetve a gyakorlatba, a fényforrás izzószálát a parabolatükör gyújtópontjába helyezve a felfelé sugárzott fénysugarak a tükörfelületről reflektálódva gyakorlatilag párhuzamosan lefelé folytatják útjukat az útfelület irányába, a rendszer optikai tengelyén keresztülhaladva (6.3. ábra).

6.3. ábra - Parabolikus reflektor működési elve – oldalnézet [12.]

Azonban ahhoz, hogy a tompított fényszóró az előírásoknak megfelelő legyen, a koncentrált párhuzamos sugarakat a megfelelő helyre kell irányítani. Ezt a feladatot a fényszórók üvegburájának felületén kialakított optikai lencsestruktúrák segítségével végzik el.

6.4. ábra - Parabolikus fényszórók buráján kialakított tipikus optikai felületstruktúrák

Az üvegbura bordázott felületén két eltérő funkciójú optikai kialakítás található. A fényszóró felső és alsó részén függőleges hengeres felületű lencse-bordázat oldalirányba, vagyis vízszintesen szórja szét a ráeső sugarakat, míg az optikai tengely magasságában prizmás struktúrával függőleges irányban terelve képesek a fényt az úttest felületére fókuszálni (6.5. ábra). A jól megtervezett szórólencsék ilyen módon hozzák létre a tompított fényt, amely megfelelő megvilágítást biztosít az úttest fontos részein, emellett a szembejövő forgalmat sem vakítja.

Jelölések: 1 Fényvisszaverő felület, 2. Fényforrás, 3. Kitakaró lemez, 4. Szóró bura

6.5. ábra - Parabolikus reflektor fényterelése a bura lencséivel és prizmáival – felülnézet. [12.]

A reflektor jellegzetessége, hogy kizárólag a tükör felső része felel a tompított fény előállításáért, vagyis a nyalábokat ez felület veri vissza. Az üvegburán az ezen a területen koncentrálódó, hengeres profilú optikai szórólencsék irányítják azokat az úttest megfelelő részeire (6.6. ábra). Ezt az éles határvonalat fényforrás körül található árnyékoló lemez, vagy más néven fénypajzs alakítja ki.

6.6. ábra - Effektív reflektor felület (elölnézet), és a tompított fényszóró fényeloszlása [12.]

A sajtolt burás lámpatestek túlnyomó többsége parabolikus rendszerű. Kialakítását tekintve kettő illetve négy fényszórós rendszerben is alkalmazták, kerek és négyszögletű alakváltozatban is. Legnagyobb előnye az egyszerű gyárthatóság, és az ezzel járó alacsony ár.

A parabolatükrös fényszóró konstrukciónak számos hátrányos tulajdonsága volt. Ezek közül legfontosabb az alacsony hatásfok (mindössze 26 % [12.] ), ami a megfelelő látási viszonyok megteremtéséhez, azaz a biztonságos közlekedéshez meglehetősen kevés volt.

6.7. ábra - Tipikus tompított fényeloszlás parabolikus fényszórók esetén – „isolux” diagramon [12.]

Hátrányként említhető továbbá a kötött, aerodinamikai – és nem utolsósorban dizájn – szempontból előnytelen forma, a viszonylag nagy méret és az ezzel járó nagy helyigény. Fényforrásként eleinte hagyományos izzót alkalmaztak, majd 1974-től szinte kizárólag annak H4-es Bilux halogén változatát. Napjainkban ez a technológia már elavultnak számít, ezért kevésbé használják. A ritka kivételek a kizárólag távolsági fényt biztosító, valamint a nagyméretű lámpatestek.

Ellipszoid (DE) vetítőlencsés rendszerek

A gépjárművek sebességének folyamatos növekedése megkövetelte, hogy a fényszórók által megvilágított terület is egyre nagyobb legyen. A parabolikus rendszerek hatékonysága azonban nem volt kielégítő, így a 1983-ban megjelentek az első projekciós elvű ellipszoid, vagy más néven poli-ellipszoid (PES – Poly-Ellipsoid System) – reflektortükröt alkalmazó vetítőlencsés fényszórórendszerek. A koncepció ebben az esetben a szabályos forgás-ellipszoid alakú tükör optikai tulajdonságain alapul. Az izzószál vagy ívkisülés ebben az esetben is a tükör gyújtópontjába kerül. Az innen kiinduló fényt az ellipszoid tükör a másik gyújtópontba veri vissza, ahol a sugarak keresztezik egymást. A széttartó nyalábokat ezek után egy optikai vetítőlencse irányítja az úttest felületére (6.8. ábra).

1 Fényvisszaverő felület, 2. Kitakaró lemez, 3. Vetítőlencse, 4. Szóró bura

6.8. ábra - A vetítőlencsés fényszóró működési elve – oldalnézet

1 Fényvisszaverő felület, 2. Fényforrás, 3. Kitakaró lemez, 4. Vetítőlencse, 5. Szóró bura

6.9. ábra - A vetítőlencsés fényszóró működési elve – felülnézet [13.]

A tompított fény előállításához ebben az esetben is ki kell egészíteni a rendszert egy fényeloszlást korlátozó takarólemezzel, amely nem a fényforrásnál, hanem a vetítőlencse előtt található. A felfelé irányuló kápráztató sugarak ilyen módon nem juthatnak a szembejövő autók vezetőinek szemébe. A lemez alkalmazása az eloszlásban jellegzetes éles fény-árnyék határt hoz létre.

6.10. ábra - A fényvisszaverő felület hasznos része sugárblokkolóval (elölnézet) és a tompított fény tipikus eloszlása [12.]

Ez a működési elv a diavetítőkhöz hasonló, DE fényszórórendszer ezért is kapta a projekciós jelzőt. Tompított fény esetén a koncentrált eloszlás mellett csekély mennyiségű szórt fény előállítására is szükség van ahhoz, hogy a fényszóró az út fölött és mellett elhelyezett közlekedési táblákat is megfelelően megvilágítsa. Ezt a bura bordázásával könnyen megoldható.

6.11. ábra - Tipikus tompított fényeloszlás DE fényszórók esetén – „isolux” diagramon [12.]

A konstrukció számos előnyei közül a legfontosabb a remek hatásfok, ami 36% körüli [12.] . A parabolatükrös rendszerekhez képest jelentősen lecsökkent a fényszóró mérete és megnőtt a kicsatolt fényáram. Emellett áramvonalas és stílusos fényszóródizájnt tett lehetővé. Ködös időjárási viszonyok mellett a DE rendszer kimondottan előnyös, hiszen a takarólemez által létrehozott éles fény-árnyék határ miatt a fénye jobban át tud hatolni a ködön, ezért manapság előszeretettel alkalmazzák ködlámpákban. Hátrányként említendő a lencsénél tapasztalható nagy fénysűrűség, amely könnyen kápráztathat. A nagy fényerejű fényszóróknál a gyűjtőlencse nagy átmérője megnövelte a fényszóró súlyát. Kezdetben magas áruk miatt a felsőkategóriás gépjárművekben, elsősorban a sportautókban alkalmazták tompított fényszóróként.

Szabad formájú (Free Form = FF) rendszerek

A szabadformájú úgynevezett „FF” (angolul Free Form illetve németül Freiflächen-Scheinwerfer) fényszórók szintén a reflexiós rendszerek csoportjába tartoznak. Az elavult parabolatükrös megoldások a bura felületén létrehozott lencsestruktúrák segítségével szórták szét a koncentrált fényt a megfelelő helyre. Ezt a koncepciót továbbfejlesztve a Hella cég mutatta be az első szabadformájú reflektortükröt alkalmazó fényszórókat 1988-ban. Ahogy neve is tükrözi, a technológia a változó felületű reflektoron alapul. A tükröző felület ebben az esetben szakít a szabályos geometriai formákkal, és egyedi alakú valamint változó orientációjú kisméretű felületelemekből épül fel, amelyek között az átmenet folytonos. A reflektor tervezésekor a tükör minden önálló szegmenséhez egyesével kiszámítják a fény visszaverődését és szóródását. Ily módon az elemi felületekhez az eloszlás karakterisztika – avagy az útfelület – egy adott része van hozzárendelve, amelynek világítását megfelelően biztosítja. A szegmensek elrendezése lehet függőleges illetve vízszintes. Utóbbi segítségével hozzák létre a világos-sötét határt, illetve valósítják meg az út jobb szélének megvilágítását. Körültekintően véghezvitt tervezés esetén tehát a szabálytalan elemi formák additívan állítják elő kívánt eloszlás-karakterisztikát, és tompított fény céljára ezzel a reflektorfelület nagy része igénybe vehető.

6.12. ábra - Az FF fényszóró hasznos, szegmensekre osztott fényvisszaverő felülete, és példa a fény eloszlására egy FF fényszóró buráján [12.]

Természetesen a kápráztató jelenségek elkerülése érdekében arra is ügyelni kell a felületszegmensek tervezéskor, hogy a reflektált sugarak az optikai tengelyhez képest lefelé irányuljanak.

Jelölések: 1 Fényvisszaverő felület, 2. Fényforrás, 3. Kitakaró lemez, 4. Bura

6.13. ábra - oldalnézet és felülnézet – fénysugarak irányítása kizárólag a reflektor felületével [12.]

Az ilyen rendszerek bonyolultsága megfelelő gyártástechnológiát valamint komoly számítástechnikai hátteret – tervezőszoftvereket – követel meg, késői megjelenésének oka ennek tudható be. Az ilyen szabad felületek alakját ugyanis kizárólag számítógép segítségével lehet vállalható fejlesztési idő alatt precízen kiszámítani és optimalizálni. A különleges működési elvből adódik, hogy a fénysugarak további irányítása, és így a fényszóró burájának bordázása, vagy bármilyen más optikai célú strukturálása szükségtelenné vált. Ezért az a nagy keménységű üveg vagy műanyag burák kizárólag a fényforrás és a tükör fizikai védelmét látták el a különböző környezeti behatásokkal szemben. Ez természetesen a formatervezők malmára hajtotta a vizet, hiszen innentől változatos, áramvonalas és speciális formai és világítási igényeket kielégítő kialakításokat is alkalmazhattak. A reflektor anyaga kizárólag fröccsöntött műanyag lehet, hiszen a gyártás során az alakpontosság betartása kulcskérdés. Az az egyenletes fényeloszlás mellett a technológia további előnye a kiváló hatásfok, ami körülbelül 45 % [12.] , vagyis jelentősen túlszárnyalja a parabolikus rendszerekét (27 %). A konstrukció ára az egyszerű lámpatest felépítés és a tömeggyártás miatt igen kedvező.

Az ismertetett előnyök figyelembevételével nem meglepő, hogy napjainkban közkedvelt technológia. Ez a típus jelentett megfelelő megoldást a HID fényforrások alkalmazására. Összességében a modern reflexiós fényszórórendszerek tompított része – parabolikus helyett – szinte csak ilyen FF tükröket alkalmaz.

6.14. ábra - Tipikus tompított fényeloszlás FF fényszórók esetén – „isolux” diagramon [12.]

Super DE (FF-el kombinált) rendszerek

A technológia neve hűen tükrözi a működési elvet. A vetítőlencsés (DE) rendszerrel megegyező projekciós elven működnek, azonban az alkalmazott reflektorfelület ebben az esetben az FF fényszóróknál jól bevált szabad geometriájú.

1 Fényvisszaverő felület, 2. Fényforrás, 3. Kitakaró lemez, 4. Vetítőlencse, 5. Bura

6.15. ábra - Sugárirány és fénykoncentráció a gyújtótérben – felülnézet) [12.]

Ez a hibrid megoldás remekül kamatoztatja a modern reflexiós rendszerek, valamint a nagy teljesítményű, jó hatásfokú vetítőlencsés rendszerek előnyeit. Működési elve a következő:

A szabad geometriájú reflektortükör geometriáját úgy tervezik meg, hogy az a fényforrásból kilépő fénysugarak lehető legnagyobb része a takarólemez fölött kicsatolva a DE fényszóróknál megismert vetítőlencsére jusson, amelynek átmérője 40-80 mm között [12.] változhat. Vagyis az FF reflektorok előnyeit megörökölve szinte a teljes tükörfelület hasznosítható, amivel szignifikánsan jobb lehet a fényszóró hatásfoka.

6.16. ábra - A fényvisszaverő felület hasznos része sugárblokkolóval (elölnézet) és a tompított fény tipikus eloszlása [12.]

A megfelelően irányított sugarakkal a vetítőlencse – a DE rendszerekhez hasonló módon – az árnyékoló lemez magasságában létrehozza a megfelelő tompított fényű eloszlás-karakterisztikát.  

6.17. ábra - Super DE rendszer esetén a világos-sötét határ létrejötte – oldalnézet [12.]

A fénysugarak az árnyékoló lemez miatt létrejövő világos-sötét határon koncentrálódnak, ami szignifikánsan nagyobb látótávolságot tesz lehetővé. A szabad geometriájú reflektor kialakítás pedig megfelelő szögben szórt sugarakkal hatékonyabb világítását biztosít az út széleinél (6.18. ábra).

6.18. ábra - Tipikus tompított fényeloszlás Super-DE fényszóró esetén – „isolux” diagramon [12.]

A rendszer hatásfoka az eddig tárgyalt típusok közül a legmagasabb, körülbelül 52 % [12.] . Az így kialakuló magas vizuális komfort éjszakai vezetés közben tovább növeli a technológia értékét. Ezek alapján nem is lehet meglepő, hogy napjaink szinte minden vetítőlencsés tompított fényszórója ezen az elven alapul. Természetesen a bura ebben az esetben is csak a fizikai védelmet szolgálja, és egyedi dizájn igényekhez alkalmazkodó kialakításokat enged meg. A technológia a többi rendszerhez képest költségesebb. A fényszóró ára és a tömege nagyban függ a leadható teljesítménytől, vagyis az alkalmazott vetítőlencse méretétől.

6.19. ábra - Modern fényszóró rendszer Super-DE fényszóróval

Fényszórók fejlődésének történelme

A gépjárművek fényszóró berendezései történelmük során folyamatos és jelentős fejlődésen mentek keresztül, mind konstrukciós téren, mind teljesítményüket tekintve. A fejlesztések szükségességét megalapozta többek között az a tény, hogy a nappali és éjszakai vezetési körülmények között bekövetkező halálos áldozatokat követelő balesetek száma annak ellenére megegyezett [14.] , hogy a forgalom esti körülmények között szignifikánsan kisebb – az átlagos nappali forgalom mindössze 25%-a volt. Azaz éjszakai vezetési körülmények között körülbelül négyszer gyakrabban történtek halálos balesetek. A fejlesztések a megfelelő látási feltételek megvalósítása érdekében ezért elsősorban a rendszerek hatásfokainak javítására összpontosítottak, és nem a teljesítmény fokozására.

A felszerelhető járművilágítások szükségességét a biztonságos éjszakai közlekedéshez már igen korán felismerték. A legelső lámpák az 1880-as években jelentek meg. Funkciójukat tekintve ezek eleinte még nem az útfelület megvilágítását voltak hivatottak megvalósítani, hanem a közlekedés többi résztvevője számára a láthatóságot. A KRESZ alapgondolataként szolgáló, mindenki számára jól ismert „Látni és látszani” szabályból ekkor még csak az utóbbi cél teljesült.

Kezdetben termikus, de nem elektromos árammal hevített fényforrásokat alkalmaztak, hanem a fáklya elvén működő, olajszármazékba áztatott kanócos lámpákat. A következő nagy lépcsőfokot az 1890-es években sikerült megugrani, amikor acetilén gázközeggel töltött karbid-lámpákkal világították meg az útfelületet. Az karbidlámpák elődeikhez képest sokkal népszerűbbek voltak, hiszen a lángjuk sokkal jobban ellenállt a környezeti behatásoknak, például a szélnek és az esőnek is, amely a biztonságos éjszakai közlekedéshez kiemelt szempont volt. Ezért motorbiciklik világításaként még jóval később, az elektromos elvű lámpák megjelenése után is alkalmazták.

6.20. ábra - Karbidlámpák járművek világításához

Az első elektromos elven működő fényszórót 1898-ban mutatták be az Egyesült Államokban, alkalmazhatóságuk azonban nem volt problémamentes. Széleskörű elterjedésükben két fontos tényező is gátat szabott, ugyanis az akkori kor volfrámszálas izzólámpái rendkívül rövid élettartamúak voltak. Ez hatványozottan igaz volt a gépjárművekre felszerelt változatokra, hiszen a közlekedésben a fényforrás számos fizikai behatásnak volt kitéve. Ilyenek voltak egyrészt a folyamatos rázkódások és rezgések, valamint az általános kültéri alkalmazással járó tényezők, például a pára és egyéb nedvességek. Másrészt a fényforrások elektromos táplálása sem volt problémamentes, ugyanis az első dinamókat még nem tudták megfelelően kis méretben gyártani úgy, hogy azok elegendő áramot termeljenek. Ezért egészen az 1900-as évek elején még főként acetilén bázisú lámpákkal szerelték fel a járműveket.

A nagy áttörés 1908-ban következett be, amikor bejelentették az első komplett – fényszórót, hátsó lámpát és irányjelzőt alkalmazó – elektromos elven működő világítási rendszert, amelyet egy központi akkumulátor telep segítségével tápláltak. Majd 1912-ben a Cadillac alkalmazott elsőként – a modern gépkocsikban klasszikus – automatikus gyújtást biztosító rendszert, amely a motor indítása mellet a lámpák működtetéséért is felelt.

6.21. ábra - Automata fényszóró és hátsólámpa gyújtás a Cadillac 1910 modelljében

Ahogy a bevezetésnél már említésre került, a fényszórók elsődleges funkciója kezdetben nem az útfelület világítása, sokkal inkább a láthatóság biztosítása volt. Az egyre nagyobb fényerejű lámpák optikai tengelyeinél magasabb szögben kilépő fénysugarak azonban zavaró káprázást idézhettek el a szembeforgalomban közlekedőknél. A vakítási jelenség orvoslására ekkor fogalmazódott meg először a tompított fények szükségessége. A kevésbé kápráztató, fixált pozícióban felszerelhető tompított fényszórókat elsőként 1915-ben alkalmazták. A fénysugarak magasságának menet közben történő manuális állíthatóságra még két évet várni kellett. Ezt a fejlesztést szintén a Cadillac vezette be egy olyan mechanikus rendszer segítségével, amelyben a bizonyos szögekben dönthető fényszórókat egy emelő segítségével tudta a jármű vezetője manuálisan a megfelelő pozícióba beállítani.

A fejlesztések következő nagy lépcsőfoka az 1924-ben bemutatott, az izzólámpák tárgyalásakor már megemlített, dupla izzószálas, vagy más néven Bilux fényforrás volt, amely egy időben két funkciót biztosítva képes volt országúti és tompított világítás megvalósítására.

A tompított és országúti fények felváltott használatát biztosító rendszer kifejlesztése kezdetben komoly fejtörést okozott a mérnököknek, ugyanis az átkapcsolásnak gyorsan és pontosan kellett megtörténnie, emellett egyszerű kezelés is fontos kritérium volt, hiszen a vezető figyelmét az útról nem szabad elvonni. Ezért 1927-ben már lábbal vezérelt kapcsoló segítségével lehetett igen gyorsan és kényelmesen váltani két fényeloszlási mód között. Ezt a megoldást bizonyos modellekben egészen a kilencvenes évek elejéig alkalmazták – ennek ellenére általánosan a kézzel vezérelt kapcsolók terjedtek el.

A fejlesztések egy érdekes oldalágaként az 1930-as években egyes modellekben megjelentek a három különböző fényeloszlást produkáló (Tri-beam) fényszórók, melyek a városi közlekedéshez a legjobban tompított, országútra a legmagasabb irányszögű világítást, és ezek mellett még egy köztes fényintenzitás-eloszlás karakterisztikát is képesek voltak biztosítani. Ennek megvalósítására két eltérő elven működő módszert fejlesztettek ki. Az egyik megoldás a három izzószálas fényforrást alkalmazó fényszóró volt. Ezeket mindössze két amerikai gyártó alkalmazta rövid ideig, kezdetben a Packard majd később a Cadillac. Alternatív megoldásként az 1934-es Nash a jól bevált Bilux izzók segítségével kombinálta össze a közepes állású fénynyalábot a baloldali fényszóró tompított és a jobboldali távolsági fényeloszlásából. Ezzel a megoldással szembejövők kápráztatása – az országúti fényhez képest – mérséklődött.

6.22. ábra - 1934 Nash Ambassador – háromféle fényeloszlást biztosító fényszórók

A három fényeloszlású világítást később négy fényszórós rendszerben – kettő párban a jobb illetve a baloldalon – is megvalósították [15.] . Az egyes lámpákat kombináltan működtetve (egy időben kettő, három vagy mind a négy üzemeltetésével) felváltva állították elő a kívánt fényeloszlásokat, minimális kápráztató hatás mellett. A fényszórópárok egy-egy tagja kettős izzószálú fényforrás segítségével valósította meg a tompított világítást, valamint a második izzószállal a távolsági fények egy részét. A másik kettő lámpa hagyományos izzóval volt ellátva. Ezek alapesetben a távolsági fények előállításában játszottak szerepet, amikor is mind a négy lámpa párhuzamosan üzemelt. A harmadik, közepes állású fényeloszlást a jobboldali távolsági fényszóró, valamint a két tompított kombinációjával valósította meg – ebben az esetben tehát a csak három lámpa üzemelt.

A tompított és a távolsági fényeloszlás manuális kapcsolgatása számos hátrányos jellemzőt hordoz magában. A jármű vezetőjének folyamatosan ügyelni kell arra, hogy a szembe jövő forgalmat ne kápráztassa a távolsági fénnyel, ezért kanyarokban illetve emelkedőkön hirtelen kapcsolásra is kényszerülhet. A vezetők nagy része a kelleténél hamarabb kapcsolja le a távolsági fényszórót, ezáltal közlekedés biztonsági szempontból fontos útszakasz marad megfelelő megvilágítás nélkül. Egy hosszabb éjszakai út során a gyakori kapcsolások megterheli a vezetőt, illetve el is vonhatják a figyelmét a hirtelen bekövetkező forgalmi helyzetekről. Emellett a manuális kapcsolás a vezető reflexeitől függő időkésleltetéssel jár.

Ezért az említett hátrányok kiküszöbölésére 1954-ben egy igen érdekes és a kor technológiai szintjéhez mérten kissé merész, de annál innovatívabb fejlesztés eredményeként bemutatták az „Autronic Eye” névre elkeresztelt automatikus fényeloszlás-vezérlő rendszert, amely az adaptív első világítás AFS/AFL (Adaptive Frontlighting System / Adaptive Forward Lighting) elődjének tekinthető. A rendszer egyik legfontosabb egysége a műszerfalra szerelhető kamera (Autronic Eye Sensor), amelynek feladata a szembejövő forgalom folyamatos figyelése volt.

6.23. ábra - Autotronic Eye rendszer 1954-ből

A koncepció alapján a kamera adatait kiértékelve egy vezérlőegység kapcsolta ki illetve be a távolági fényszórókat, ezzel időben maximalizálva az útfelület megvilágítását. Azonban a kor technikai fejlettsége nem tette lehetővé a megbízható és hatékony és gyors működést. A rendszer egyik jellemző hibája például az volt, hogy nem tudta megkülönböztetni az azonos irányban haladó járművek hátsó jelzőlámpáit a szembeforgalom fényeitől.  

A tompított fényszórók kapcsán 1957-ben komoly fejlesztést jelentettek be. Ekkor jelentek meg az első, a káprázás mérséklése szempontjából rendkívül előnyös aszimmetrikus tompított fényű fényszórók, melyek az út jobb oldalát hosszabb tartományon világították meg, mint a szemközti forgalom szempontjából kritikusa bal oldalt. Ezt a kanalas izzóárnyékoló lemezének 15 fokos leélezése által tudták megvalósítani.

6.24. ábra - Aszimmetrikus tompított fényszóró tpikus fényeloszlása

Elsősorban az Egyesült Államokban – és Japánban – váltak évtizedekig egyeduralkodóvá az 1939-ben bevezetett, szabványosított „Sealed beam” magyarul sajtolt burás fényszóróegységek, amelyek jelölése a továbbiakban SBH – amelyben a „H” a halogén fényforrásra utal. Ezek olyan fényszóró kialakításokat jelentenek, amelynek részegységei, azaz az optikai rendszer (üveg vagy polikarbonát bura lencse), a fényvisszaverő elem (parabolikus reflektor tükör) és a fényforrás (szimpla vagy dupla izzószálas hagyományos vagy halogén izzó) egyetlen, szétválaszthatatlan egységet képeznek, amely nem szerelhető szét anélkül, hogy a lámpatest ne válna teljesen használhatatlanná.

6.25. ábra - Szabványosított sajtolt burás fényszóró

Ahogy a nevük is elárulja, az összeszerelt rendszer szigetelt, zárt rendszert alkotott (6.25. ábra). Ez a fényszóró típus technikailag a világítástechnika számos területén alkalmazott PAR (parabolikus alumíniumtükrös reflektor) lámpa gépjárművekre szabott változata volt. Gyártási elvük egyben azt is jelentette, hogy szétszedhetetlenek voltak, ennél fogva az izzószál tönkremenetele után a komplett lámpát ki kellett dobni és újra cserélni, ami nem mondható környezettudatos megoldásnak. Viszont az egyszerű felépítésükből adódóan könnyen gyárthatóak és jelentősen olcsóbbak voltak, mint a hagyományos cserélhető izzós lámpatestek. Mindemellett az amerikai piacon történő kötelező alkalmazásukra a nyolcvanas évek közepéig előírás vonatkozott, így a hatalmas gyártási darabszám szintén mérsékeltebb árat eredményezett.

Kezdetben a sajtolt burás kerek fényszórók átmérője egységesen 178 mm (vagy 7 coll) volt, és Amerikában 1939-től egészen 1957-ig kizárólag ezt a formátumot alkalmazó lámpatestet építhették be személygépjárművekbe. Később más szabványos méretű fényszórókat is engedélyeztek, elsőként 1957-ben a kisebb méretű, kizárólag négy fényszórós rendszerben – tompított és távolsági fényszóró párok – alkalmazott 146 mm-es (5 ¾ collos) átmérőjű formátumot. Az amerikai személygépjármű modellekből kirobbanthatatlannak tűnő kialakítás a formatervezők rémálma volt, és a kiváltásukra csak jóval később, 1974-től kerülhetett sor, amikor engedélyezték a szögletes formájú, szintén kettő méretvariációban alkalmazható sajtolt burás kialakításokat.

Európában egyetlen kivételtől eltekintve – ez Anglia volt –, ezek a lámpatestek nem terjedtek el, mindössze néhány skandináv gyártó egyes modelljeiben kerültek beépítésre. Ennek hatása remekül tetten érhető, ha összehasonlítjuk az európai fényszóró dizájnt a tengerentúlival. Mivel Amerikában alkalmazásuk 1984-ig kötelező volt, ez komolyan korlátozta tervezői szabadságot (6.26. ábra).

6.26. ábra - Szabványos sajtolt burás fényszórók dominanciája az amerikai piacon

Ezzel párhuzamosan Európában sokkal szabadabb és változatosabb formájú fényszóró kialakítások jelenhettek meg.

Természetesen a halogén fényforrásokat elterjedésüket követően a sajtolt burás lámpatestekben is alkalmazni kezdték (SBH), de csak egészen későn, a 70-es évek végén. Annak ellenére, hogy Európában már a hatvanas évek elején megjelentek az első cserélhető halogénizzókat alkalmazó fényszórók, addig Amerikában használatuk éppen a sajtolt burás kialakítás miatt tilos volt. A már korábban tárgyalt előnyösebb tulajdonságainak köszönhetően, engedélyezésüket követően hamar ki is szorították a hagyományos izzókat a fényszóró világítás piacáról.

Fényszóró dizájn történelme

A fényszóró lámpatestek fejlődésének elsődleges célja a jobb hatásfokú, magasabb vizuális komfortot biztosító rendszerek megalkotása volt. A fejlesztések hátterének kapcsán azonban van még egy másodlagos, mégis igen nagy súllyal és ösztönző erővel bíró tényező, amelyet nem szabad figyelmen kívül hagyni, ez pedig a dizájn. Ez nem kizárólag a stílusjegyek és a külsőségek miatt volt fontos, hanem például a karosszéria aerodinamikai szempontból történő optimalizálása miatt is. A fényszórók történelmének áttekintésekor ezért a formatervezők motivációinak szempontjából is érdemes vizsgálni a különböző kialakításokat és megoldásokat, hiszen megalkotásuk hátterében gyakran ilyen szempontok voltak meghatározóak. Ahogy már említésre került, az amerikai gépjárműveket „sújtó” több évtizedes szigorú szabályozások miatt a különböző fényszóró kialakításokat érdemes az európaitól külön is tárgyalni, hiszen a szabványos kialakítások miatt a teljesítmény javítására irányuló fejlesztésekre nem igazán volt mód. Ezért a nyolcvanas évek közepéig az ottani piacon tapasztalt minimális fejlesztések mozgatórugója egyértelműen a dizájn volt.

A rendelkező szabvány [16.] az Egyesült Államokban 1984-ig korlátozta a fényszóró lámpák alakját méretét és elhelyezését, tiltotta az aerodinamikai szempontból egyébként előnyös áramvonalas extra burák alkalmazását, és a fényforrások cserélhetőségét megengedő konstrukciós kialakításokat. A szabályok módosítását követően az első kompozit (cserélhető fényforrásos) lámpatestet az 1984-es Lincoln Mark VII alkalmazta. Innentől kezdve az amerikai dizájn egyre inkább igazodni látszott az európai biztonsági normákhoz és a szabadabb forma-kialakításokhoz.

Az amerikaihoz hasonló alakkorlátozó előírás Európában egyáltalán nem volt jellemző. Ezért a mérnökök szabadon tervezhettek – a rendelkező biztonsági előírásokat és szabványokat maradéktalanul teljesítő - tetszőleges méretű és alakú fényszórókat.

A fényszóróknál hosszú évtizedekig egyeduralkodó kerek formát az indokolta, hogy a parabolikus tükörfelületet ehhez az alakhoz lehet legegyszerűbben és legolcsóbban gyártani.

A kissé egyhangú kerek lámpákat újfajta dizájn segítségével igyekeztek változatosabbá tenni. Több gyártó a konvencionális formájú fényszórók elé egy második takaró burát helyezett, amelynek alakja követte a jármű karosszériájának vonalvezetését (6.27. ábra). Ez az áramvonalas megoldás amellett, hogy mutatós volt, még aerodinamikai szempontból is előnyösnek bizonyult. Elsőként a Jaguar 1951-es C-type modelljében megfigyelhető volt ez a kialakítás. Az újabb hasonló modellek megjelenéséig sokat kellett várni, de ezt az elvet követte például az 1961-es Jaguár XK-E és az 1963-as Panhard CT, amely a klasszikus 1967-es Citroën DS fényszóróit ihlette.

6.27. ábra - Korai másodlagos takaróburás fényszórót alkalmazó modellek Európában

„Természetesen” ezek a takaróburás fényszórók Amerikában tiltottak voltak. Az előírás nem engedélyezett – működés közben – semmilyen dekoratív célú vagy védelmet szolgáló extra burát vagy takaró elemet, ezért az európai gyártóknak az amerikai piacra szánt modellek fényszóróit a megfelelőséghez előbb át kellett alakítaniuk, és sajtolt burás lámpatestekkel kellett azokat ellátni. Ezt kiválóan illusztrálja a Citroën DS modelljének példája a két piacon (6.28. ábra). A kialakítás aerodinamikai előnyei ezzel természetesen elvesztek.

6.28. ábra - A Citroën DS európai (balra), és amerikai (jobbra) piacra szánt fényszóró kialakítása

A szabványos SBH fényszórókra vonatkozó korlátozások a kerek forma geometriai méreteire, valamint a kisebbik – 146 mm-es – változat esetén a párban történő alkalmazásra vonatkoztak. Arra azonban nem, hogy a tompított és távolsági fényeket megvalósító lámpatesteket egymáson (horizontálisan), vagy egymás mellett (vertikálisan) helyezik-e el. A négy fényszórós rendszer 1957-es bevezetését követően körülbelül egyszerre kerültek piacra mindkét irányzat modelljei. A két megvalósítás közül a legtöbb gyártó a horizontális elrendezést favorizálta. Akadt azonban számos kivétel is, amelyek előszeretettel használták ki az előírások ezt a fajta „rugalmasságát”, és a kevésbé szokványos vertikális dizájnt valósították meg, amely a hatvanas évek közepétől egyre több és több modell esetén volt tetten érhető. Ebben az elrendezésben a távolsági fényszóró a tompított alá került (6.29. ábra).

6.29. ábra - Vertikális fényszóró kialakítású modellek az Egyesült Államokban

A tengeren túli piac – akárcsak napjainkban – hatalmas potenciált jelentett ez európai gyártóknak. A modelljeik értékesítéséhez először igazítani kellett azokat az amerikai normákhoz. Erre kiváló példát mutatnak a Mercedes Benz egyes Egyesült Államokba szánt modelljei, amelyek fényszórói jelentős eltérést mutatnak (6.30. ábra). Az 1964-es Mercedes-Benz 600-as (W100-as) európai modelljében alkalmazott fedett burás, és szétszerelhető (kompozit) fényszórója Amerikában szabálytalan lett volna, ezért áttervezték sajtolt burás lámpatestű változatra, fedő bura nélkül, hiszen az szintén tiltott volt.  

6.30. ábra - 1964-es Mercedes Benz 600-as európai (balra) és amerikai modellje

A vertikális négy fényszórós elrendezéshez hasonló dizájn néhány európai modell esetén is tetten érhető volt, elsősorban Angliában. Az előírások azonban megengedtek egy további módosítást, amelynek eredményeként a távolsági fényszórókat a tompított mellé helyezték ugyan, de annak középvonalától kissé lejjebb. Ezzel egyfajta átlós elrendezést kaptak (6.31. ábra). Ehhez hasonló kialakítást Amerikában például az 1960-as Lincoln Continental Mark V modell képviselt.

6.31. ábra - Átlós elrendezésű fényszóró dizájn Angliában, 1965-ben

A konvencionális kerek formától való elszakadás jegyében egy sokkal nagyobb léptékű  változtatást eredményeztek a négyszögletű fényszórók, amelyek elsőként 1961-ben jelentek meg a Citroen Ami 6-os és a Ford Taunus modellekben (6.32. ábra). Késői megjelenésüknek oka a reflektor tükör alakjából fakadó bonyolultabb, és ezzel párhuzamosan költségesebb gyárthatóság volt.

6.32. ábra - Első szögletes fényszórók 1961-ből (Citroen Ami 6 és Ford Taunus)

Az Egyesült Államokban a szabványok [16.] módosítását követően csak 1974-től engedélyezték alkalmazásukat. A szokásos korlátozás az egységesítés jegyében azonban továbbra is megmaradt.

6.33. ábra - Szögletes sajtolt burás fényszóró

Az előírás szerint az SBH szögletes lámpatestek – a kerek lámpatestek mintájára, avagy azok kiváltására – továbbra is csak két szabványos méretben készülhettek. A nagyobbik változat (a 7 collos kerek lámpatestek kiváltásaként) 200 mm széles és 142 mm magas két fényszórós rendszerben volt alkalmazható. A nagyobb személygépjárműveket, elsősorban a terepjárókat leggyakrabban ilyen fényszórókkal a szerelték fel, de a – két fényszórós rendszerű – városi célú és sportautók esetén is gyakoriak voltak [17.] (6.34. ábra).

6.34. ábra - A nagyobbik, 200 x 142 mm-es fényszórót alkalmazó modellek

A kisebbik változat 165 mm széles és 100 mm magas lehetett, és az 5 ¾ collos kerek lámpatestekhez hasonlóan kizárólag 4 fényszórós kivitelben (kettő a jobb és kettő a baloldalon) kerülhetett forgalomba. Az előírás továbbra is két jellemző kialakítási módot tett lehetővé: egy vízszintesen egymás mellé beépített (horizontális) vagy függőlegesen egymásra helyezett (vertikális) fényszórópár elrendezést (6.35. ábra). Akárcsak a kerek fényszórók esetében, a gépjárművek túlnyomó többségénél a horizontális változat dominált.

6.35. ábra - A kisebbik fényszórók szabványos, vertikális és horizontális elrendezésben

Ez az újítás nagy hatással volt a tervezőkre. Ennek eredményeként kevesebb, mint 5 év alatt a gyárak igazodtak az új igényekhez, és az újonnan bevezetett modellek döntő többségét már szögletes lámpákkal látták el.

Elrejthető fényszórók

Az elrejthető fényszóró (Hidden headlamp / Pop-Up headlamp) olyan konstrukciót jelent, amely kikapcsolt állapotban beleolvad a jármű karosszériájába. Ezeket a fényszórókat a mozgatási elv alapvetően két fő csoportba sorolhatjuk. Az első csoportba a jármű karosszériába beépített, működés közben felnyíló, úgynevezett „előbukkanó” vagy más néven bukólámpás lámpatestek, míg a másikba a fixált pozícióban álló, valamilyen mozgatható takarópanel által rejtett fényszórók tartoznak. Előbbi megvalósítás volt a gyakoribb. Alkalmazásuk eleinte dizájn célt szolgált, a rejtett fényszóró ugyanis különleges megjelenést kölcsönzött a személygépjárműveknek. Elterjedésükben később fontos szerepet játszottak egyéb, a különböző kialakításokra jellemző előnyös tulajdonságok is.

Az első csoportba tartozó, karosszériába épített bukólámpás fényszórók különleges, az emberi szemhez hasonló kinézetet eredményeztek. Mivel az autógyártás történelmében összességében kevés modellt láttak el ilyen megoldással, így kezdetben kuriózumnak, majd „szimplán” különlegesnek számítottak, és népszerű stílusjegyet teremtettek.

A nyitható-lecsukható kialakítás a dizájn mellett jelentős konstrukciós előnyt is hordozhatott magában. A karosszériába beépített lámpatest ugyanis kisebb légellenállást eredményezett, vagyis a fényszórók kikapcsolt állapotában jótékonyan hatott a gépjárművek aerodinamikai jellemzőire. Ezért ez a lámpatest típus elsősorban sportautókban terjedt el, ahol az áramvonalas kialakítás kiemelten fontos szempont volt. Éppen ezt az előnyös tulajdonságot kívánta kamatoztatni a Porsche az 928-as modelljében (6.36. ábra), amely fényszórója ugyan nem volt rejtett, bekapcsoláskor mégis kiforgatható volt a jármű vonalvezetéséből. Világszerte számos sportos kialakítású gépkocsi esetében megjelentek mind az amerikai, európai és japán piacon, egészen a 2004-es megszűnésig. Azonban a sportautók mellett több „hagyományos célú” városi modellben is helyet kaptak, főként Japánban. Ennek oka részben annak tudható be, hogy a stratégiailag fontos amerikai célpiacon érvényben lévő korlátozó előírásoknak csak ilyen módon tudtak megfelelni.

6.36. ábra - Porsche 928-as előbukkanó fényszórókkal

Az első rejtett fényszórós kialakítást már meglepően korán, 1936-ban alkalmazták az amerikai Cord autógyár 810-es modelljében (6.37. ábra). A lámpatestek a gépjármű elülső sárhányóiban kaptak helyet, és a fényszórók kikapcsolt állapotában tökéletesen igazodtak a karosszéria vonalvezetéséhez. Bekapcsoláskor a lámpák kiemelését ekkor még nem elektronikus rendszer segítségével, hanem a műszerfalra szerelt hajtókarok segítségével mechanikusan tudta végrehajtani a jármű vezetője.

6.37. ábra - Az első elrejthető fényszórójú gépjármű

Rövid ideig még próbálkoztak a különböző fejlesztésekkel, például elektromos vezérlésével, de a koncepcionális megvalósításon kívül egy kivételtől eltekintve jelentősebb sikert nem tudtak felmutatni. Ez a kivétel a – szintén amerikai – 1942-es DeSoto volt, amelynek tömeggyártásához nagy reményeket fűztek, és olyan marketing szlogenek övezték, mint a „jövő stílusa” (6.38. ábra). A lámpatest konstrukciója viszonylag egyszerű volt: egy fix fényszóróból és egy körülötte elforduló elektronikusan vezérelt takaróburából állt. Az újszerű „futurisztikus” dizájn mellé azonban semmilyen egyéb előnyös – például aerodinamikai – funkció nem társult.

6.38. ábra - DeSoto 1942-es modell, rejtett fényszórókkal

A technológia ezt követően a bizakodó víziók ellenére egészen a hatvanas évekig szunnyadt, majd 1962-ben Angliában a Lotus Elan-ban az 1963-as Chevrolet Corvett-ben visszaköszönve hatalmas sikert aratott (6.39. ábra).

6.39. ábra - A „klasszikus” rejtett fényszórós modellek első képviselői

Az irányzat kezdetben tehát sportautóknál jelent meg, ahol az áramvonalas karosszéria alapvető követelmény. A dizájnújításokra éhes amerikai autógyáraknak köszönhetően a hatvanas évek végén kezdődött az igazi fellendülés, amely a hetvenes és nyolcvanas években csúcsosodott ki, és egészen a kilencvenes évek elejéig tartott. Az amerikai gépjárműszabványok számos korlátozása a fényszórók kötelező magasságát is definiálta, amely az alacsonyan ültetett sportautók esetén ezzel a megoldással már teljesíthető volt. Az európai, a tengerentúli és a japán autóipar számos híres modellje [19.] alkalmazta a stílusos rejthető fényszórók valamennyi megvalósítását, kettő és négy fényszórós rendszerben egyaránt (6.40. ábra).

6.40. ábra - Rejtett (előbukkanó) fényszórók az európai és japán piacon

Különlegességként megemlítendő a Lamborghini-ből kivált Cizeta olasz gyártó 1991-es Moroder V16T modellje, amely olyan négy fényszórós rendszert alkalmazott sportautójában, melyek párosával, de külön felnyithatóak voltak (6.41. ábra)!

6.41. ábra - Cizeta Moroder V16 T – felnyitható fényszóró párok

Innentől kezdve fokozatosan erősödő hanyatlás következett, míg napjaink modern gépjárműiben már teljesen eltűnt, sőt kihalt a rejthető fényszórós technológia minden formája. Ennek oka számos tényező együttes hatásának tudható be. Ezek közül talán a legfontosabb a 2004-ben bevezetett, a gyalogosok védelmét előirányzó, szigorított nemzetközi gépjármű biztonsági ECE előírás volt [18.] . A karosszériából kiemelkedő nyitott állású lámpatestek egy esetleges gyalogossal történő ütközéskor sokkal veszélyesebbek, hiszen komolyabb sérülést tudnak okozni. Ennek az előírásnak a technológia csak nehézkesen, méregdrága konstrukciós áttervezés árán felelt – volna – meg. Ezt azonban egyetlen gyártó sem találta gazdaságosan kivitelezhető opciónak. Másrészt a bonyolult működtető mechanizmus robosztus kialakítást igényelt, amely alkalmazásukat igen költségessé tette. Mindemellett napjaink gépjárműveinél a fogyasztás mérséklése szempontjából igen fontos a légellenállás redukálása, vagyis a karosszéria aerodinamikai szempontból történő optimális kialakítása. Beépített fényszórók esetén csak a kikapcsolt állapot jár ilyen előnyökkel. A jelenleg érvényes KRESZ előírásokhoz igazodva a helyzetjelzők és tompított fényszórók használata gyakran kötelező, amely újabb érvet generál a megoldás elhagyása mellett. A későbbi innovációk, mint az adaptív és kanyarkövető fényszórók, valamint a LED technológia megjelenése mind-mind segítették e klasszikus megoldás végső eltűnését. A legutolsó rejtett fényszórós rendszereket a Lotus Espirit és a C5 Corvette alkalmazta 2004-ben, vagyis a technológia végső eltűnése ekkorra datálható.

A forgatható lámpatest mozgató mechanikáját kezdetben manuálisan, karos erőátvitel segítségével lehetett működtetni. Erre a megoldásra még a hetvenes évek elejéről is találhatunk példát, ilyen volt például Saab Sonett III-as modellje, 1970-ből. Később megjelentek a modern megoldások, amelyekben a pozícionáláshoz szükséges erőátvitelt általánosságban elektromotoros mozgatás segítségével vagy ritkábban vákuumos emelő rendszer által biztosították (6.42. ábra). Utóbbi kevésbé volt megbízható, működése lassabb volt, és a tartályokat a működtetéshez először fel kellett tölteni.

6.42. ábra - 1963-as Corvette elektromotoros lámpatest mozgató rendszere [35.]

Mindkét rendszer esetén alapkövetelmény volt a megfelelő biztonság garantálása, minden ismert gyakorlati szempontból reális nehezítő körülmény mellett! Ilyen lehetett például a lámpatest befagyása, a rá nehezedő hóréteg súlya, vagy a mozgató mechanika öregedése. Ha ugyanis a rendszer szükség esetén nem képes a kívánt időintervallumon belül kellő precizitással megfelelő pozícióba beállítani a fényszórókat, az komoly balesetveszélyt eredményezhet. A lámpatestek konstrukciójának kialakításakor továbbá azt a követelményt is figyelembe kellett venni, hogy a mozgatást végző aktuátor, vagy az azt vezérlő egység meghibásodása esetén a fényszórókat csukott állapotból segédeszköz nélkül, manuálisan is nyithatóvá kellett tenni. Ebben az esetben a fényszórónak mindaddig megfelelően nyitott pozícióban kellett maradnia, amíg azt szintén manuálisan le nem zárták [16.] . Ebből fakadóan érzékelhető, hogy a mozgatható rejtett fényszórórendszerek gazdaságos kialakítása és karbantartása igen nehézkesen volt kivitelezhető.

A mozgatható változatok mellett szót kell ejtenünk a rejtett lámpatestek másik fő csoportjáról, a takaróelem mögött megbújó fényszórókról. Megjelenésének (1965 – Buick Riviera) elsődleges oka a különleges dizájnban rejlett. Az előbukkanó fényszórókkal ellentétben elsősorban városi gépjárművekben terjedtek el, az Egyesült Államokban. Ebben az esetben működtetés során a fix pozícióban álló lámpatest előtt elhelyezkedő takaró panel mozgott ki a fény útjából, általában lineáris mozgatással felfelé vagy lefelé, illetve esetenként elforogva. Ennek a konstrukciónak aerodinamikai szempontból egyáltalán nem volt előnye, viszont konstrukciós szempontból sokkal egyszerűbb és olcsóbb – általában az előbukkanó lámpatestekhez hasonlóan elektromotoros, ritkábban vákuumos – mozgató mechanikát és lámpatest felépítést igényelt. Előnyös funkcióként említhető továbbá a lámpatest védelme is.

Az előzőekben tárgyalt amerikai személygépjárművekre vonatkozó szabványok gyakorlatilag minimális tervezői szabadságot engedtek a mérnököknek. A méret és alakkorlátozás mellett tilos volt minden – védelmező, vagy dizájn célt szolgáló, illetve aerodinamikát javító – átlátszó vagy átlátszatlan takaró bura alkalmazása, de a tiltás kizárólag a fényszórók működtetésének idejére vonatkozott. Ez azt jelentette, hogy a fényszórók elfedése kikapcsolt állapotban megengedett volt, amit a mérnökök dizájn célzattal ki is tudtak használni. A konstrukció tehát az amerikai autóiparban terjedt el igazán, és általában a kevésbé áramvonalas városi modellekben alkalmazták. Ritkán sportautókban is tetten érhető volt.

A legelső takarópanelos lámpatestek még nem lemezeket, hanem az extrémebb dizájnt kölcsönző, sűrűn rácsozott elfogó burás kitakarást alkalmaztak. Elsőként az 1965-ös Buick Riviera-ban jelent meg, amely kagylóhéj szerűen nyíló, elforduló takarórácsokkal működött (6.43. ábra).

6.43. ábra - Az első takaróelemes fényszóró

A világ egyik leghíresebb rácsos takarópanelt alkalmazó gépjárműve a Dodge Charger volt, amelyben 1966-tól egészen 1970-ig voltak horizontális elrendezésű 4 fényszórós rendszerek, de ugyanezzel a megoldással élt többek között a Mercury Cougar (1968), a Chevrolet Camaro (1967), a Chrysler Imperial (1969) valamint a Cadillac Eldorado (1968) is. A rácsos dizájn nem volt igazán hosszú életű, mindössze hetvenes évek elejéig számított uralkodó stílusjegynek, az utolsó ilyen modellt 1973-ban gyártották.

6.44. ábra - Dodge Charger elforduló takarórácsokkal

A legtovább alkalmazott változat a lemezes kitakarás volt, melyeket általában a karosszéria elemekkel megegyező színűre festették. Ez a járműveknek egyedi megjelenést kölcsönzött, hiszen kikapcsolt állapotban a lámpatestek helye beleolvadtad a környezetükbe (6.44. ábra). A lemezek lineáris mozgatása illetve elforgatása az előbukkanó lámpatestekhez hasonlóan leggyakrabban elektromotor által történt. A megoldás a rácsos kialakítás után főként a hetvenes és nyolcvanas években volt domináns, de még a kilencvenes évek elején is alkalmazták.

6.45. ábra - Takarólemezes megoldások az amerikai autóipartól

Egy különleges változat ennél a típusnál is említésre méltó. A Dodge Magnum 1978-as modellje ugyanis átlátszó műanyag takarólemezeket alkalmazott, amelyek bekapcsoláskor elforogtak, így megfeleltek az előírásoknak.

Sárga fényszórók

A közlekedésben résztvevő járművek – minden gépjármű kategória, motorkerékpár, segédmotoros kerékpár, valamint más egyéb közlekedési eszköz – világítóberendezéseire vonatkozó kötelező érvényű előírásokat a hatályos ENSZ-EGB (ECE), az ezekkel összeegyeztethető EK irányelvek, valamint a mindezekből eredő nemzeti előírások tartalmazzák.

A fényszórókra vonatkozóan a 6/1990. (IV. 12.) KöHÉM rendelet két színváltozatot engedélyez, a fehéret valamint a „szelektív sárgát” [20.] . Utóbbi alkalmazhatósága történelmi okokra vezethető vissza, ugyanis Franciaországban 1936-tól egészen 1993-ig minden jármű útvilágítási célú lámpájának kötelezően ilyen szelektív sárga fényben kellett világítania, de például Japánban sem voltak ritkák az ilyen fényszórók. Mivel napjainkban is sok – avagy nem elhanyagolhatóan kevés – sárgafényű fényszóróval felszerelt gépjármű van forgalomban, ezek betiltása igen problematikus lenne. Viszont az ECE szabályozás [21.] előírása alapján az újonnan forgalomba kerülő gépjárműveket már kötelezően fehér fényű világítással kell felszerelni.

6.46. ábra - Szelektív sárga fényszórók

Miért terjedt el ilyen széles körben a szelektív sárga szín? Ennek magyarázata abban keresendő, hogy a megfelelő spektrális karakterisztikájú sárga fény rossz időjárási körülmények esetén számos előnyös tulajdonsággal bír a széles spektrumú fehérhez képest. A közhiedelemmel ellentétben a sárga fény nem képes jobban keresztülhatolni a ködön és a hópelyheken, és nem szóródik szét kevésbé az apró részecskéken, ezért elterjedésüknek más oka van. Az előnyös tulajdonság biológiai alapját egyrészt az adja, hogy az emberi szem nehezebben boldogul a rövidebb (kék és UV) hullámhosszúságú spektrális komponensekkel, mert azok szemünk optikai rendszerének diszperziója miatt nem pontosan a retinára képződnek le, hanem kissé az elé. Így a receptorokra nem fókuszált kép, hanem életlenebb folt jut. Ezért a kék tartományban szűrőzött sárga fény hatására ködös időben a tárgyak kontrasztosabbá válnak, ami megkönnyíti észlelhetőségüket. Másrészt különböző kutatások [25.] , [26.] eredményei alapján a zavaró káprázás-érzést elsősorban a kék-érzékeny (rövidhullámhossz-érzékeny) csap receptorok közvetítik, vagyis a kék fénynek káprázás szempontjából stimuláló hatása van. Továbbá azt is megfigyelték, hogy a kékesebb árnyalatú gázkisülő (xenon) lámpa adott fényerősség mellett a hagyományos sárgás fényű izzólámpánál körülbelül másfélszer erősebben kápráztat [24.] .

A gyakorlati jelentőség tehát abban rejlik, hogy a sárga színű bura vagy az izzó spektrális szűrőként funkcionálva elnyeli a rövid hullámhosszúságú – kék és UV-tartományú – komponenseket. Ekkor a fényszórók intenzív fénye ködben, esőben vagy erős havazás esetén [22.] az apró részecskéken szétszóródva és részben az emberi szembe visszaverődve mérsékeltebb káprázási jelenségeket idézhet elő, ami komfortosabb látási feltételeket eredményez. A jelenség vizsgálatakor azonban azt a tényt sem szabad elhanyagolni, hogy a sárga fényszórók szűrője csökkenti kilépő fényáramot, ami ebből adódóan a káprázási jelenségeket is mérsékli. Ez szintén szerepet játszhat abban, hogy sofőrök szubjektív beszámolói alapján a sárga fény káprázás szempontjából előnyösebb.

A jótékony hatás tehát komoly járulékos fényárambeli veszteségeket is generál, hiszen a szűrőn áthaladva a fotonok körülbelül 15 százaléka elnyelődik [23.] . Az út világításához ezért redukált fényáram áll rendelkezésre, ami normál, vagy más szóval tiszta időjárási viszonyok esetén nehezíti az perifériális területeken tartózkodó gyalogosok, biciklisek vagy állatok észlelhetőségét. Az említett rossz időjárási viszonyok esetén azonban a vizuális komfort javulása miatt ez a veszteség bizonyos országokban „vállalható” volt. Ebben az esetben miért nem terjedt el jobban a sárga fény? Ennek oka az, hogy havas és főleg ködös időben akkor növelhető a vizuális teljesítmény és javítható a komfort, ha a fényforrásokat az út felületéhez közelebb, vagyis a fényszórók vonalától lejjebb helyezzük el. Ezzel ugyanis a fényforrás színétől függetlenül jelentősebben csökkenthető a káprázási jelenség. Ezt hivatottak megvalósítani a ködlámpák, amelyek színe ezért mind az európai, mind az amerikai előírások szerint sárga színű is lehet.

A „szelektív” sárga kifejezés az UNECE által meghatározott [20.] színtartományt jelent a CIE x,y (1931) színtérben, amely ködlámpák esetén kissé eltérő. Vagyis ahhoz, hogy egy jármű sárga színű fényforrása megfeleljen az előírásoknak, a színkoordinátára vonatkozó követelménynek eleget kell tennie. A „fehér” fény esetében a szabvány szintén egy adott tág színtartományt definiál az említett színtérben. Ennek tudható be például, hogy a kékes színű, magas színhőmérsékletű xenon-fényforrások is a közlekedés szempontjából fehérnek tekinthetők.

Hogyan állítható elő a szelektív sárga spektrum? Erre több módszer is kínálkozik. Kezdetben a fényszórók lencséit sárga üvegből készítették el. Az üveg színezésére régebben kadmiumot alkalmaztak – innen ered a köznyelvben előforduló „kadmiumsárga” fényszóró kifejezés. A kadmium azonban fokozottan veszélyes, ezért felhasználását betiltották. Később megjelentek alternatív megoldások, mint sárga gömb az izzó körül vagy magába a lámpaegységbe építve. A modernebb megoldások már dikroikus – interferenciaszűrős – rétegbevonatot alkalmaztak a bura lencséjén illetve kiegészítő optikáján, vagy akár magán az izzólámpán, melyek a sárga tartományban áteresztőként viselkedve állították elő a kívánt spektrumot.

Kanyarkövető fényszórók (Concerning Light)

A kanyarkövető fényszórókat nélkülöző lámpatesttel felszerelt járművek nem képesek minden körülmény mellett ideálisan megvilágítani az útfelületet. Élesebb kanyarodáskor ugyanis a fény nagy része nem követi az út vonalvezetését, hanem elhagyja.

6.47. ábra - Kanyarodás kanyarvilágítással és nélküle [12.]

A fényszórók fejlesztői hamar belátták, hogy a közlekedés biztonságosabbá tételéhez valamilyen adaptív kanyarkövető világítási rendszerre lenne szükség. Ezért már az 1930-as évek közepén megjelentek az első ilyen megoldások. A Csehszlovák Tátra autógyár 1935-ben a klasszikus 77-es típusjellel ellátott modellt továbbfejlesztve piacra dobta a 77a változatot, amelyben egyszerre három frontlámpa kapott helyet (6.48. ábra). Ezek közül a középső egység kizárólag a kanyarodást volt hivatott segíteni. A lámpát mechanikus összeköttetésbe hozták a kormányművel, így kanyarban a kormánykerék mozgatásával a szignifikánsan több fény világította meg az útfelületet.

6.48. ábra - Tatra 77a középső kanyarkövető fényszórója 1935-ből

A kanyarkövető fényszórók működési elvüket tekintve lehetnek statikusak, dinamikusak, illetve kombináltak. Statikus kialakítás esetén a lámpatest pozíciója alkalmazásukkor végig fix marad, így a kanyarodás ívének mértékétől független a produkált fényeloszlás iránya. Dinamikus esetben a kanyarfényt adó lámpatest elfordítása általában villanymotoros aktuátorok segítségével biztosított. A szabályozáshoz szükséges adatokat a kormány szögelfordulását, és az utazási sebességet érzékelő szenzorok adataiból határozzák meg. Természetesen az ilyen rendszerek esetében is kiemelt fontos szempont a szemközti forgalom kápráztatásának minimalizálása.

Az első modernkori, statikus kanyar és lehajtó világítást a Hella cég fejlesztette ki 2002-ben és elsőként az AUDI A8-asban alkalmazták. A koncepció az volt, hogy a tompított és a távolsági fényszórók mellé – helyesebben közé – egy harmadik, adaptív fényszóró egységet is beépítettek, amely egy adott sebességség érték alatt irányjelzéskor, illetve kis ívben történő kanyarodást érzékelve lépett működésbe. A rendszer a gépjárműtől balra, illetve jobbra lévő területeket világítja be, maximum 90°-os szögben, ami nagy segítség lehet sötét helyekre, utcákba történő bekanyarodáskor.

6.49. ábra - Statikus és dinamikus kanyarkövető fényszóró

A kanyarlámpa tulajdonképpen a tompított fényszóró fényeloszlását egészítette ki, növelve a megvilágított útfelület nagyságát.

6.50. ábra - Statikus kanyarvilágítás fényeloszlása

Ezt követően egyre több és több gépjárműben jelentek meg dinamikus kanyarkövető fények. Ezek a rendszerek olyan vetítőlencsés fényszórókat alkalmaznak, amelyek a menetsebességtől és a kormánymozdulattól függően egy maghatározott algoritmus szerint szükség esetén képesek kellő szögben (általában ±15°-ban) elfordulni a tengelyük körül, a kanyar sugarának megfelelően. Ezek a fényszórók nagyobb sebességnél gyorsan követik a kormánykerék mozgását, míg kisebb sebességnél az elfordító mechanika lassabban dolgozik. A rendszer előnye, hogy aktív típus esetén tompított és országúti világítás esetén is alkalmazható, és körülbelül 200 m-es kanyarsugárig biztosít megfelelő megvilágítást [12.] .

6.51. ábra - Dinamikus kanyarvilágítás fényeloszlása [12.]

Éles kanyarodáskor és beforduláskor a dinamikus kanyarfény nem kellően hatékony, ezért a vizuális teljesítmény tovább javítható, ha a rendszert kiegészítik egy statikus fényforrással is. A statikus segédlámpa csak indokolt esetben akkor kapcsol be, ha a jármű élesen kanyarodik, vagy ha az irányjelző működik, és az autó sebessége a kanyarodáshoz elegendően lecsökkent. Ez a kombinált rendszer kellően adaptív, és a vezérléshez szükséges adatokat az irányjelző állapotáról, a gépjármű sebességéről, és a kormányszögről szenzorrendszer segítségével gyűjti össze, és értékeli ki.

A személygépjárművekben található jelzőlámpák alapvetően három részegységből állnak:

Gyártásuk csak megfelelő pontosságot biztosító technológiával történhet, hiszen a kis méretek miatt az optikai rendszer pontos legyártása, és az elemek precíz pozícionálása kulcsfontosságú annak érdekében, hogy a jelzőlámpa a fényforrások fényét megfelelően összegyűjtse, és a fénysugarakat a rendeleteknek megfelelő irányokba terelje.

6.52. ábra - Gépjármű jelzőlámpa metszete [12.]

Az alkalmazott fényforrások napjainkban még általában izzólámpák, de egyre gyakrabban találkozhatunk LED-es megoldásokkal is. Különböző jelzőlámpák funkciójuktól és teljesítményüktől függően egy vagy több fényforrást is tartalmaznak. Igen gyakran alkalmaznak két izzószálas Bilux megoldásokat is.

A jelzőlámpák optikái alapvetően háromféle elven működhetnek:

A Táblázat 6.1 összefoglalja a személygépjárműveiben leggyakrabban előforduló izzólámpás fényforrásokat.

Látható, hogy bizonyos fényforrástípusok a fényszóró világításnál már tárgyalt Bilux esetekhez hasonlóan kettős izzószállal rendelkeznek, melyek egyszerre, vagy egymástól függetlenül is működtethetők. Ez a technológia biztonságtechnikai szempontból sok esetben előnyös, hiszen az egyik szál tönkremenetele esetén a másik még képes ellátni a jelzőlámpa funkcióját. Másfelől segítségükkel a fényszóró-világításhoz hasonlóan egy lámpatesten belül megvalósíthatóak eltérő funkciók. Mivel sok lámpatest – például fék és hátsólámpa, parkoló lámpa – esetében igen szűkös hely áll a fényforrások rendelkezésre, ez a funkció kiemelten hasznos.

A (6.56. ábra) ábrán látható P21/5W típusú Bilux izzólámpa egy kisebb teljesítményű 5 W-os, vékony izzószálból, valamint egy nagyobb teljesítményű, nagyobb fényáramú 21 W-os szálból áll. Ez a fényforrás ideális választás például hátsólámpákba helyzetjelző és féklámpa funkciók ellátására. Bajonettes (BAY15D) foglalatán kettős kontaktus található, amelyek külön áramkörökkel érintkeznek. Amennyiben az egyik izzószál meghibásodik, attól a fényforrás komplett cseréjéig még a másik működőképes marad.

6.56. ábra - P21/5W - Dupla funkciót megvalósító Bilux izzó

Egyetlen fényforrást alkalmazó, de különböző funkciókat betöltő jelzőlámpához nem szükségszerűen kell Bilux izzókat alkalmazni. A fényforrások PWM (impulzusszélesség-moduláció) vezérlése sok jelzőlámpa esetén jól bevált megoldásnak számít, hiszen több szempontból is előnyös lehet. A PWM egyrészt jótékonyan hat mind az izzólámpák, mind a LED-ek élettartamára. Másrészről segítségével egyazon izzó különböző funkciókat is képes lehet ellátni. Például PWM szabályozással egy névlegesen 21 W-os, nagy fényárammal működő féklámpa kisebb teljesítménnyel meghajtva – mérsékeltebb fényárammal – helyzetjelzőként is funkcionálhat. Ehhez a tápfeszültséget a névleges értékről addig kell csökkenteni, amíg az izzó fényárama megegyezik a hagyományos 5 W-os helyzetjelző lámpáéval. Így amennyiben a féket nem működtetik, akkor aláfeszített üzemmódban a lámpa helyzetjelzőként funkcionál, és élettartama jelentősen meghosszabbodik. Fékezéskor viszont a névleges feszültséget biztosítva az izzó a teljes fényáramát leadja.

Ködlámpák

Az első ködlámpákat 1938-ban a fényszóró innovációk terén igen aktív Cadillac építette be modelljeibe, mint kiegészítő alkatrészt, a fényszórólámpái alá. A ködlámpa burája fehér, vagy igen gyakran sárga színű volt.

6.57. ábra - Cadillac 1938 Limuzin fehér vagy sárga színű ködlámpával felszerelve

A ködlámpákat általában rossz látási viszonyok – eső, köd, por vagy hó – esetén kis sebesség mellett üzemeltetjük, az útfelület megvilágításának javítása érdekében. Alkalmazásuk nem kötelező, viszont ajánlott. Egyes gépjárműveket gyárilag is ellátnak ilyen lámpákkal, de szinte minden gépjármű esetében van mód az utólagos felszerelésre is.

A „Sárga fényszórók” szakasznál már áttekintettük a szelektív sárga fények rossz időjárási viszonyok között tapasztalt előnyös hatásait, valamint járulékos hátrányait, amelyek miatt tompított fényszórókat gyárilag már nem látnak el ilyen burákkal. Ködfényszórók esetén azonban a kék tartománytól „megfosztott” szelektív sárga fények ideálisak, ezért napjainkban is igen gyakoriak. Havas és ködös időben az út felületéhez közelebb elhelyezett ködlámpák segítségével jelentősen növelhető a látótávolság, a tárgyak kontrasztosabbá válnak, csökken a káprázás jelensége, vagyis a vizuális komfort javítható.

6.58. ábra - Szelektív sárga ködlámpák - rossz időjárási viszonyok esetén kedvezőek