“Quang thông con ngươi”, một thông số quan trọng trong việc xây dựng tiêu chuẩn độ rọi chiếu sáng làm việc

Tóm tắt

Thông thường khi đo quang thông chỉ xét đến cơ chế nhìn bằng tế bào nón (Photopic Vision) là trường hợp thị giác ánh sáng mạnh, ngoài trời. Trong trường hợp nhìn thông thường trong nhà, ánh sáng yếu hơn,  thì cả cơ chế thị giác bằng tế bào que (Scotopic vision) đều hoạt động gọi là cơ chế thị giác trung gian hay  “hoàng hôn” (Mesopic vision ). Để đánh giá đúng quang thông nhận được tới mắt người, các nhà khoa học của Phòng thí nghiệm Lawrence Berkley đã đưa ra khái niệm Quang thông con ngươi (Pupil Lumens) như sau:

Pupil Lumens = Photopic Lumens * [S/P] ^0,78(tỉ số S/P này phụ thuộc vào nguồn sáng). Trên cơ sở này làm sáng tỏ cơ chế nhìn của mắt người phụ thuộc vào bản chất của nguồn sáng. Để kiểm chứng lập luận trên, chúng tôi lập một thử nghiệm so sánh về năng suất lao động thị giác – thử nghiệm vòng Landolt – với 2 nguồn sáng là đèn huỳnh quang và đèn LED. Kết quả thử nghiệm cho thấy với độ rọi 300 lux của đèn LED, năng suất làm việc hơn hẵn độ rọi 300 lux thậm chí 500 lux và xấp xỉ 750 lux của đèn huỳnh quang. Đây là một thông số quan trọng đóng góp vào việc xây dựng tiêu chuẩn độ rọi chiếu sáng làm việc sử dụng nguồn sáng LED.

Summary

Normally, when measuring liminous flux, only the photopic vision is a strong, outdoor light. In the case of normal vision in homes, the light is weaker, both the Scotopic vision mechanism works as a mediating mechanism or “mesopic vision”. In order to accurately assess the optics received in the human eye, Lawrence Berkley Lab scientists have developed the concept Pupil Lumens as follows:

 Pupil Lumens = Photopic Lumens * [S / P] ^0.78 (This S / P ratio depends on the light source). This on the basis of clarifying the visual mechanism of the human eye depends on the nature of the light source. To test the above argument, we compiled a comparative test of visual labor productivity – the Landolt loop test – with two fluorescent lights and LEDs. The test results show that with the illuminance of 300 lux of the LED, the productivity is even greater than the illuminance of 300 lux and 500 lux and approximately 750 lux of the fluorescent lamp. This is an important parameter contributing to the construction of the illuminance standard  for working with the LED light source.

I. Đặt vấn đề.

Chiếu sáng làm việc – Theo tiêu chuẩn là chiếu sáng cần thiết ở không gian sản xuất, nơi làm việc trong, ngoài nhà nhằm đảm bảo hoạt động bình thường của mắt khi không có hoặc thiếu ánh sáng tự nhiên – Chiếu sáng tốt đối với công việc sản xuất cụ thể sẽ tạo được môi trường thị giác bảo đảm cho mọi người làm việc, quan sát đối tượng chung quanh, di chuyển chi tiết sản phẩm và thực hiện các công việc thị giác hiệu quả, chính xác và an toàn không gây ra mệt mỏi thị giác và khó chịu. Ánh sáng có thể là ánh sáng ban ngày, ánh sáng đèn điện hoặc kết hợp cả hai.Chiếu sáng tốt đòi hỏi phải quan tâm đến cả số lượng và chất lượng ánh sáng như nhau. Việc cung cấp đủ độ rọi khi làm việc là cần thiết, trong nhiều trường hợp độ nhìn rõ phụ thuộc vào nguồn sáng, cách chiếu sáng, màu sắc của nguồn phát sáng và các bề mặt được chiếu sáng có cùng một mức độ chói lóa từ hệ thống chiếu sáng. Do vậy để xây dựng một hệ chiếu sáng tốt với công việc cụ thể nào đó theo tiêu chuẩn đòi hỏi phải có những điều kiện để quy định đối với các vị trí làm việc và các loại hình công việc khác nhau không chỉ về độ rọi mà còn có sự hạn chế chói lóa và chỉ số thể hiện màu của nguồn sáng nhằm tạo điều kiện thoải mái cho thị giác người lao động . Bên cạnh đó, xây dựng một kiểu chiếu sáng tích hợp giữa chiếu sáng làm việc và chiếu sáng sự cố còn tạo nên một giải pháp hợp lý giữa các yêu cầu liên quan đến an toàn, sức khỏe và hiệu quả làm việc. Yêu cầu nàycó thể đạt được thông qua giải pháp năng lượng và tích lũy năng lượng hiệu quả [1].

Khi đề cập tới khả năng nhìn, các đặc tính và tính chất công việc để xác định chất lượng của khả năng nhìn của người lao động và mức độ hiệu quả công việc, một vấn đề cần phải lưu ý là các thông số về ecgônômi, vì rằng, trong một số trường hợp việc tăng cường các yếu tố ảnh hưởng có thể nâng cao hiệu suất mà không cần phải tăng độ rọi. Ví dụ như tăng độ tương phản của bề mặt làm việc với đối trượng thao tác, một nguồn sáng được chọn với sự phân bố phổ đồng đều…

Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng các giải pháp tích hợp chiếu sáng vùng làm việc với chiếu sáng sự cố sử dụng nguồn sáng LED” với nhiều nội dung nghiên cứu:

Nghiên cứu, chế tạo được bộ tích năng lượng và bộ xử lý tín hiệu khi mất nguồn trên đèn LED có công suất lớn hơn 15W. Đánh giá được một số yếu tố ảnh hưởng đến người lao động khi sử dụng đèn LED chiếu sáng vùng làm việc làm cơ sở khoa học để đề xuất Tiêu chuẩn chiếu sáng công nghiệp sử dụng nguồn sáng LED.  Xây dựng một số giải pháp hợp lý tích hợp chiếu sáng vùng làm việc với chiếu sáng sự cố, ứng dụng thử nghiệm vào một số ngành sản xuất cụ thể.

Trong phạm vi giới hạn của bài báo chúng tôi chỉ xin đề cập đến một vấn đề liên quan đến việc xây dựng tiêu chuẩn chiếu sáng làm việc sử dụng nguồn sáng LED – Thông số về “quang thông con ngươi”

II. Nội dung và kết quả nghiên cứu

2.1. Quang thông con ngươi (pupil lumen) và cơ chế nhìn của mắt.

Thông thường khi đo quang thông chỉ xét đến cơ chế nhìn bằng tế bào nón (Photopic Vision) là trường hợp thị giác ánh sáng mạnh, ngoài trời. Trong trường hợp nhìn thông thường trong nhà, ánh sáng yếu hơn,  thì cả cơ chế thị giác bằng tế bào que (Scotopic vision) đều hoạt động gọi là cơ chế thị giác trung gian hay  “hoàng hôn” (Mesopic vision ).

Hình dưới mô tả cơ chế hỗ trợ khả năng nhìn của mắt khi ánh sáng yếu

Để đánh giá đúng quang thông nhận được tới mắt người, các nhà khoa học của Phòng thí nghiệm Lawrence Berkley đã đưa ra khái niệm Quang thông con ngươi

 Pupil Lumens = Photopic Lumens * [S/P] ^0,78(tỉ số S/P này phụ thuộc vào nguồn sáng) [3], [6].

Tỉ số S/P của  một số loại bóng đèn Bảng 1

Quang thông con ngươi của một số  loại bóng đèn, Bảng 2

Việc lượng hóa hệ số S/P cho thấy tại sao với đèn LPS có hiệu suất phát quang cao nhưng không  nhìn rõ vì không đủ phổ ánh sáng cần thiết làm rõ vật quan sát, không tạo được một đáp ứng tối ưu của võng mạc trong điều kiện ánh sáng “hoàng hôn” (mesopic lighting).

Thay đổi nhận thức về quang thông cho thấy tại sao con người đang lựa chọn một phổ ánh sáng đầy đủ. Trong các tiêu chuẩn về ánh sáng hiện tại chưa đề cập đến vấn đề khả năng nhìn lúc hoàng hôn. Chính vì vậy khi đặt vấn đề thay nguôn sáng LED cho các nguồn sáng cổ điển để chiếu sáng, cần thiết phải xét đến cả hai cơ chế nhìn sáng và nhìn trung gian (hoàng hôn). Bên cạnh đó chỉ số hoàn màu cũng đóng vai trò quan trong trong vấn đề này.

Như chúng ta đã biết, hiệu quả phát quang và khả năng cảm nhận của mắt người phụ thuộc vào các độ dài sóng khác nhau. Các tế bào hình nón nhạy cảm với ánh sáng có độ dài sóng 550 nm (lục-nhạt) trong khi tế bào hình que nhạy cảm ở ánh sáng có độ dài sóng 510 nm (lơ-lục nhạt). Đèn LPS, HPS có ánh sáng vàng –xanh, vàng –lơ yếu nên khả năng cảm nhận ánh sáng của mắt kém. Các phương pháp đo quang thông hiện tại thường chú trọng đến cực đại phổ ở độ dài sóng 550 nm còn với ánh sáng có độ dài sóng 510 nm thì ít quan tâm.

Một phân tích kỹ hơn về phổ màu của ánh sáng và so sánh phổ màu của hai loại đèn HPS và LED chuẩn ta thấy phổ ánh sáng của đèn HPS (hình 2)không rõ ràng: có những khe hở trong dảy phổ và mật độ dày ở vùng ánh sáng vàng-đỏ, chính điều này không tác động đến mắt nhiều và vì thế mà CRI của HPS thấp.

Trong khi đó phổ ánh sáng của LED liên tục không có khe hở (hình 3 trong dảy phổ do vậy các độ dài sóng ở giá trị 510 nm và 550 nm đều tác động đến cảm nhận của mắt và kết quả là nhìn vật thể rõ hơn cũng như màu sắc của nó [2],[4].

Rõ ràng từ các nghiên cứu chuyên biệt và phân tích ở trên cho thấy mặc dầu hiệu suất sáng của đèn sodium áp suất cao hay sodium áp suất thấp lớn hơn cả đèn LED, song hiệu suất Quang thông con ngươi của đèn LED là lớn nhất do đó áp dụng chiếu sáng đèn LED là dễ chấp nhận hơn cả. Khi so sánh về quang thông con ngươi tức là có tính đến sự cảm nhận của mắt người, vì vậy với nguồn sáng LED có độ rọi thấp hơn so với độ rọi của đèn truyền thống  nhưngmắt lại cảm nhận sáng hơn và nhìn vật rõ hơn giúp giảm thiểu sự điều tiết của mắt.

2.2. Thử nghiệm so sánh khả năng nhìn rõ của mắt khi sử dụng ánh sáng đèn huỳnh quang và ánh sáng đèn LED

      Nghiên cứu ảnh hưởng thị lực của người lao động khi sử dụng nguồn sáng LED là vấn đề ngoài phạm vi nghiên cứu của chúng tôi. Liên quan đến đề tài chúng tôi chỉ lập thử nghiệm một chỉ tiêu là xem xét khả năng phân biệt chi tiết của vật trong điều kiện thay đổi nguồn sáng (nguồn sáng đèn huỳnh quang và nguồn sáng đèn LED) ở độ rọi 750 lux, 500 lux và 300 lux bằng thử nghiệm Landolt để đánh giá khả năng lao động thị giác thông qua thời gian thực hành và độ chính xác khi thao tác đúng yêu cầu của thí nghiệm.

2.2.1. Đối tượng và cách thức thử nghiệm

+ Đối tượng: Chọn các công nhân làm việc trực tiếp trên dây chuyền sản xuất linh kiện điện tử , số lượng 10 ngườicó thị lực được kiểm tra và lựa chọn trước 10/10.

+ Điều kiện thí nghiệm gần giống với đặc điểm công việc, điều kiện chiếu sáng thay đổi theo yêu cầu thí nghiệm, không bị ảnh hưởng của môi trường chung quanh.

+ Thay đổi độ rọi bằng cách tính toán thay đổi số lượng nguồn sáng (bóng đèn) và đảm bảo độ đồng đều tại mặt phẳng làm việc.

-Phương pháp thử nghiệm

+ Đánh giá khả năng nhìn rõ chi tiết của vật và khả năng tiếp nhận xử lý thông tin với 10 công nhân lắp ráp linh kiện điện tử thông qua thử nghiệm Landolt.

+ Mỗi tiêu chí thí nghiệm được lặp lại 3 lần để chọn trị trung bình

2.2.2 . Thiết bị, dụng cụ

– Giá thí nghiệm với hai loại đèn huỳnh quang và đèn LED dạng tube, thay đổi được độ roi tại mặt phẳng làm thí nghiệm

– Đồng hồ bấm giây, bút ghi

– Bảng thử nghiệm chú ý Landolt là một bảng gồm nhiều vòng có kích thước vòng và khe hở khác nhau ( tương ứng với kích thước góc của vật cần phân biệt) ở vị trí khác nhau, hướng giờ khác nhau

– Điều kiện để thực hiện thử nghiệm

+ Về độ tương phản khi nhìn vật.

Độ tương phản giữa vật cần phân biệt ( vành Landolt ) và nền đặt vật cần phân biệt là lớn., Các thí nghiệm thực hiện trên đối tượng cùng độ tương phản: nền trắng, đối tượng nhìn đen.

Với nền là mặt giấy trắng, vật nhìn là các vòng đen. Các nghiên cứu đã cho thấy với mặt giấy trắng có hệ số phản xạ  ρ ≈ 0,8 , độ chói tương ứng  vào khoảng  100 cd/m² và vật đen có hệ số phản xạ ρ ≈ 0,04,  độ chói tương ứng  vào khoảng  5 cd/m² như vậy độ tương phản C có trị tuyệt đối là 0,95 – khả năng nhìn rõ vật tốt.

+ Thông số nguồn sáng: Nguồn sáng có các tiêu chí kỹ thuật như sau Bảng 3

– Nơi thử nghiệm yên tĩnh, riêng biệt, đủ ánh sáng, không sấp bóng, thử nghiệm tiến hành theo trình tự với hai nguồn sáng huỳnh quang và LED có độ rọi tại mặt phẳng làm việc thay đổi theo từng thử nghiệm là 300 lux, 500 lux, 750 lux.

– Đối tượng có chỗ ngồi thoải mái, tránh xê dịch bảng số khi đang tiến hành thử nghiệm

– Yêu cầu tập trung chú ý cao độ

2.2.3. Các bước tiến hành

– Ghi các thông tin cá nhân của đối tượng

– Ghi thủ tục: Họ và tên, tuổi, giới, thâm niên nghề, trình độ văn hóa

– Ghi thời gian thực hiện thử nghiệm: Lưu ý thời gian giữa hai lần thử nghiệm không nhỏ hơn 1 giờ

Giới thiệu và hướng dẫn cách làm

– Một bảng vòng hở Landolt và giới thiệu trong bảng có nhiều vòng tròn hở ở các vị trí

khác nhau, hướng giờ khác nhau như 12h, 1h, 3h, 6h…

– Nhiệm vụ của đối tượng là soát và gạch chéo vào tất cả các vòng tròn hở ở một vị trí nhất định (theo yêu cầu của người làm thử nghiệm) thường sử dụng 4 vòng hở ở các hướng khác nhauvới tốc độ nhanh nhất theo hướng từ trên xuống dưới, từ trái sang phải.

– Các vòng hở này được soát theo hàng và theo hình dích dắc.

            Dòng thứ  nhất từ trái qua phải

            Dòng thứ 2 từ phải qua trái

            Dòng thứ 3 lại từ trái qua phải…

– Cho đối tượng làm thử vài dòng, khi đối tượng hiểu rõ và làm đúng theo yêu cầu mới tiến hành làm thử nghiệm chính thức

– Tiến hành làm thử nghiệm chính thức

– Yêu cầu đối tượng làm theo quy trình đã hướng dẫn cho tới khhi hết bài tập

– Bấm thời gian đối tượng hoàn thành bài tập

2.2.4. Đánh giá kết quả

+ Tính toán kết quả

– Thời gian hoàn thành bài tập (giây)

– Tổng số lượng vòng đúng theo yêu cầu thí nghiệm  n _đ

– Số lượng vòng thí nghiệm làm đúng ( n _đ – n_s); n _s là số vòng bị bỏ sót

– Xác suất làm đúng

            Năng suất lao động được tính theo thời gian mất đi khi chọn một vòng đúng có dạng như sau:

Trong đó:

– A: Năng suất lao động về thị giác tương ứng với các cấp độ rọi tính cho cá nhân

– A_tb : Năng suất trung bình tính cho một nhóm thí nghiệm

+ Đánh giá kết quả

Đánh giá kết quả dựa trên sự so sánh A_tb thực hiện với các cấp độ rọi khác nhau của hai loại đèn Huỳnh quang và đèn LED.

Kết quả đo đạc thử nghiệm

Tổng hợp kết quả – Trị số trung bình được tính cho 2 lần thử nghiệm

Nhận xét:

So sánh kết quả phân loại khả năng chú ý thực hiện công việc với 2 nguồn sáng được sử dụng qua thử nghiệm vòng Landolt của công nhân lắp ráp linh kiện điện tử cho thấy:

• Với giá trị độ rọi 750 lux, tỉ lệ làm đúng thử nghiệm theo yêu cầu không cách biệt nhau bao nhiêu (75,4% với đèn huỳnh quang và 76,8% với đèn LED) và năng suất thực hành thử nghiệm cũng gần bằng nhau (6,32 giây với đèn huỳnh quang và 6,35 giây với đèn LED cho 1 vòng làm đúng).
• Với giá trị độ rọi 500 lux, tỉ lệ làm đúng thử nghiệm theo yêu cầu bắt đầu có sự sai biệt (72,1% với đèn huỳnh quang và 78,8% với đèn LED) và năng suất thực hành thử nghiệm cũng có sự khác biệt rõ (10,84 giây với đèn huỳnh quang và 6,52 giây với đèn LED cho 1 vòng làm đúng).
• Với giá trị độ rọi 300 lux, tỉ lệ làm đúng thử nghiệm theo yêu cầu bắt đầu có sự sai biệt rõ rệt (67,5% với đèn huỳnh quang và 74,1% với đèn LED) và năng suất thực hành thử nghiệm cũng có sự khác biệt rõ (8,56 giây với đèn huỳnh quang và 6,73 giây với đèn LED cho 1 vòng làm đúng).

III. Kết luận

Về tổng thể, nhìn vào năng suất thực hiện thử nghiệm trung bình của nhóm công nhân, mà cụ thể ở đây là năng suất lao động thị giác; đối với đèn huỳnh quang, năng suất này giảm dần theo độ rọi hay là thời gian để thực hiện đúng một vòng của công nhân tăng lên khi độ rọi giảm xuống như trong bảng 4 trên.

Đối với đèn LED, năng suất thực hiện thử nghiệm trung bình của nhóm công nhân gần như không thay đổi bao nhiêu khi độ rọi giảm và tỉ lệ thực hiện thử nghiệm đúng cũng không chênh lệch nhau nhiều.

Từ thí nghiệm trên chúng tôi đặt ra hai vấn đề. Một là, với độ rọi 300 lux của nguồn sáng là đèn LEDphải chăng là độ rọi tối ưu với độ nhìn rõ của mắt người !như kết quả ở bảng 4 cho thấy khi tăng độ rọi từ 300 lux lên 500 lux, 750 lux nhưng năng suất thị giác(Atb) cũng không cải thiện nhiều . Hai là, Với độ rọi 300 lux của đèn LED, năng suất lao động thị giác tốt hơn hẳn so với độ rọi 300 lux, thậm chí 500 lux của đèn huỳnh quang. Chính vì vậy khi đặt vấn đề xây dựng tiêu chuẩn chiếu sáng sử dụng nguồn sáng LED không thể không lưu ý đến thử nghiệm  này.

Về phương diện lý thuyết, có thể giải thích thực nghiệm này thông qua một thông số được các nhà khoa học thế giới đề cập là quang thông con ngươi chúng tôi trình bày trong mục I.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Nguyễn Văn Muôn, Mật độ công suất chiếu sáng (LPD) và độ rọi tiêu chuẩn của hệ thống chiếu sáng bằng đèn LED, Kỷ yếu Hội Thảo khoa học “Cơ hội và thách thức ngành chiếu sáng Việt Nam trước ngưỡng cửa hội nhập quốc tế”, Hà Nội, 04-2016.
2. http://arklighting.co/2013/10/comparison-of-led-v-other-light-sources-including-hid
3. http://www.myledlightingguide.com/blog-pupil-lumens-
4. Pupil lumens and the impact on the choice of lighting.http//www.myledlightingguide.
5. http://www.icepipeled.com/download/OBM_eng.pdf
6. http://www.suvegelectronics.com/images/product-brochures/pupil-lumen-ratio.pdf

Nguyễn Đắc Hiền

Phân viện KH-ATVSLĐ và BVMT Miền Nam

(Nguồn tin: Vnniosh.vn)