Mesopisch licht: beter zicht én minder energieverbruik

Kegeltjes en staafjes

Om uit te leggen wat mesopisch licht is moeten we eerst even ingaan op hoe het menselijk oog en ons zicht werkt. Misschien heeft u wel eens gehoord van kegeltjes en staafjes? Dat zijn twee soorten cellen waarmee het netvlies in het menselijk oog is bedekt.

Ons zicht overdag en in goed verlichte ruimtes

Bij voldoende licht - bijvoorbeeld overdag buiten of in een goed verlichte ruimte gebruiken we vooral de kegelvormige cellen. We noemen dit fotopisch zicht. We kunnen met de inzet van onze kegeltjes kleuren goed onderscheiden. De pupil is dan klein. Mensen die iets weten van fotograferen weten dat de scherptediepte (bij een kleine pupil, net als bij een klein diafragma) dan groot is. Je ziet alles scherp, zowel voorwerpen dichtbij als voorwerpen verder weg.

Ons zicht bij weinig licht, in de schemering of het donker

Als er weinig licht is, in het donker of in de schemering, maak je meer gebruik van de staafvormige cellen. We noemen dit scotopisch zicht met de staafjes kun je ook niet of nauwelijks kleuren onderscheiden. De pupil is groot om maximaal licht binnen te laten. Dit leidt tot weinig scherptediepte. Het grootste deel van wat je ziet is vaag. Vooral als er weinig contrast is het zicht vaag, je ziet niet goed, je kunt weinig onderscheiden.

Wat is mesopisch licht?

Mesopisch zicht is het overgangsgebied tussen fotopisch en scotopisch zicht. Hierbij worden zowel de kegeltjes als de staafjes in de ogen geactiveerd. Je kunt van een lamp de zogenaamde S/P ratio vaststellen waarin S de S is van ‘scotopisch’ en P van het Engelse woord voor fotopisch (photopic). Met andere woorden: de S/P ratio geeft aan hoe een lamp bijdraagt aan het benutten van de mogelijkheden van de kegeltjes en de staafjes. Een ouderwetse gloeilamp heeft een S/P ratio van 1. Maar met LED lampen kun je preciezer het kleurenspectrum samenstellen. Dat is nuttig want de kegeltjes en de staafjes gaan anders om met kleur. Daarom kunnen LED lampen ook zo worden gemaakt dat ze een veel hogere S/P ratio hebben, tot wel 3,5.

Van gemeten lichtsterkte naar hoe je licht ervaart

De eenheid waarmee we lichtsterkte meten heet Lux en stamt uit de jaren ‘30. Met de eenheid Lux meet je de hoeveelheid licht per oppervlak, anders gezegd de lichtstroom per oppervlakte-enheid ofwel Lumen/m². Het probleem is echter dat Lux wel geschikt is om licht te meten overdag of in overvloedig verlichte ruimtes. Maar in de schemering en het donker werkt de Lux als standaard niet goed.

Nieuwe kijk op waargenomen lichtsterkte

De organisatie die in de jaren ‘30 de Lux standaard vaststelde, de Illuminating Engineering Society (IES), heeft in 2012 een technisch memorandum uitgegeven. Daaruit blijkt dat de hoeveelheid licht die je waarneemt (ervaart) beter kan worden weergegeven door een combinatie van Lux en de hiervoor genoemde S/P ratio. Je kunt grofweg stellen dat het memorandum zegt dat de effectieve (waargenomen) lichtsterkte gelijk is aan het aantal Lux keer de S/P-ratio.

Waargenomen lichtsterkte (Lux x S/P) is als gevoelstemperatuur

Je kunt dit vergelijken met wat je in de weerberichten ziet. Tegenwoordig spreekt men niet alleen over de temperatuur in graden celsius maar ook over de gevoelstemperatuur. Zo is er ook een verschil tussen de gemeten hoeveelheid licht in Lux en de waargenomen lichtsterkte. Bij een lamp met een hoge S/P ratio zullen de pupillen ook daadwerkelijk kleiner zijn dan bij bijvoorbeeld het warmere licht van een natriumlamp (veel gebruikt in buitenverlichting, de S/P ratio ligt onder de 1). Bij een kleinere pupil is de scherptediepte als gezegd groter, je zult een groot deel van wat je waarneemt scherp zien, niet alleen datgene waar je op focust.

Rekenen om te begrijpen wat dit betekent

Een simpele rekensom: oranjekleurige natrium straatverlichting heeft een gemeten lichtsterkte in lux van 24, maar een S/P-ratio van 0,6. Dit betekent dat de waargenomen lichtsterkte dus niet 24 is, maar slechts 24 x 0,6 = 14,4.

Gemiddeld genomen heeft een mesopische LED-lamp een S/P-ratio van 2,5. Wanneer we de oude natrium straatverlichting eruit halen en deze vervangen door een mesopische LED-lamp, schiet de waargenomen lichtsterkte ineens van 14,4 lux naar 24 x 2,5 = 60. Dit is dus meer dan vier keer zo veel licht. Je zult daadwerkelijk veel beter kunnen zien.

Grote besparingen liggen binnen handbereik

Op deze manier kan ook flink bespaard worden. Om dezelfde waargenomen lichtsterkte te bereiken kun je een mesopische lamp gebruiken die aanzienlijk zuiniger is in gebruik.

Als een gemeente de keuze maakt om alle straatverlichting te vervangen door mesopische LED-lampen, kan er dus meteen 75% bespaard worden op de energierekening. Dit maakt de terugverdientijd van de investering kort en zorgt direct voor minder CO2-uitstoot omdat er minder stroom verbruikt wordt. 

Terawatts per uur te besparen

Het Berkeley National Laboratory in de Verenigde Staten rekende uit hoeveel energie zou kunnen worden bespaard als in een enorm land als India mesopisch licht voor de straatverlichting zou worden gebruikt. Uit de berekeningen bleek dat er tot wel 5 Terawatt (1012 Watt) per uur bespaard kan worden. Met het oog op de klimaatdoelen die zijn afgesproken zijn dit aantrekkelijke besparingsmogelijkheden.

Meer licht maar ook meer kleur

De hoge waargenomen lichtsterkte en (dus) de besparingen op energie zijn niet de enige voordelen van mesopisch LED licht. Het is ook mogelijk om de mesopische LED lampen zo te maken dat je ook in de schemering en het donker kleuren kan zien. Bij een LED lamp kun je het kleurenspectrum van een lamp zorgvuldig samenstellen. Om dit uit te leggen maken we even een uitstap naar hoe geluid werkt.

Vergelijking geluid en licht

Bij geluid is bekend dat op een hoog volume bassen en hoge tonen goed tot hun recht komen. Maar bij een laag volume kan muziek soms heel vlak klinken. Met een equalizer kun je zorgen dat je ook op een lager volume kunt genieten van een vol geluid door de bas en hoge tonen wat te versterken en de middentonen wat terug te drukken.

Kleuren goed waarneembaar

Zo kun je bij het ontwerp van een LED lamp ook spelen met de verschillende kleuren. Als je rekening houdt met hoe het menselijk oog werkt (de genoemde kegeltjes en staafjes) kun je met mesopisch licht ook zorgen dat kleuren bij weinig licht toch goed waarneembaar blijven.

Technisch verhaal maar voordelen eenvoudig uit te leggen

In dit artikel is de nodige techniek en terminologie langsgekomen. Techniek van het menselijk oog en terminologie van opticiëns en lichtdeskundigen. Maar de voordelen van kwalitatief goed mesopisch licht zijn gelukkig gemakkelijk samen te vatten:

• Inzet van mesopisch licht langs wegen en als buitenverlichting kan enorm veel energie besparen.
• Mensen zullen met mesopisch licht goed zicht hebben in de schemering en in het donker, ze kunnen bovendien ook kleuren zien.
• Goed licht draagt bij aan veiligheid en een gevoel van veiligheid.
• Mesopisch licht kan worden toegepast om wegen te verlichten maar is ook geschikt voor parkeerplaatsen en als buitenverlichting rondom horeca, monumentale gebouwen en op landgoederen en in de omgeving van kantoren en op industrieterreinen. Als buitenverlichting rond woongebouwen en bij zorginstellingen is mesopisch licht ook heel geschikt.

Meer informatie

• Website van de 'Illuminating Engineering Society ofwel IES: https://www.ies.org/
• Het memorandum van de IES 'Spectral Effects of Lighting on Visual Performance at Mesopic Light Levels' is hier te vinden en downloaden (kosten $ 30)