er zit muziek in de schaduwkant van het licht

28
2 2011 Bouwfysica
www.nvbv.org
ER ZIT MUZIEK IN DE
SCHADUWKANT VAN HET LICHT
Wat is goede lichtkwaliteit? Als we aan de normen en het Bouwbesluit voldoen is er dan sprake van
goede lichtkwaliteit? Is het meten van een horizontale of van een verticale verlichtingssterkte
beter? Of moeten we eigenlijk naar luminanties kijken? Naar contrasten? Dit soort vragen worden
gesteld om grip te krijgen op wat licht met mensen en gebouwen doet. De gezondheidsaspecten, de
architectonische aspecten, de gedragspsychologische aspecten; ze spelen allemaal een rol.
Dit artikel gaat niet over licht maar over schaduw. Mijns inziens wordt er bij alle bovenstaande
vragen over lichtkwaliteit te weinig aandacht besteed aan de andere kant, de schaduwkant van het
licht. Er zit informatie over het licht in een ruimte opgeslagen in de schaduwbeelden. Het lijkt een
theoretisch verhaal, maar heeft belangrijke implicaties wanneer men zich bijvoorbeeld afvraagt of
LEDs voldoende lichtkwaliteit leveren of wanneer men zich afvraagt of de diffuse lichtomgeving wel
voldoende schaduwvorming en contrasten oplevert om door senioren ogen gezien te worden.
Onderstaand onderzoek is door mij al op conferenties verteld, maar het leek me goed ook in het
bouwfysica tijdschrift meer aandacht te vragen voor de schaduwvorming in een ruimte.
Inleiding op het onderzoek
dr. G.J. (Truus) de BruinHordijk, Faculteit
Bouwkunde, TU Delft
Lichtonderzoekers en lichtontwerpers proberen de lichten schaduwpatronen in een ruimte te analyseren om
daarmee de lichtkwaliteit en het karakter van een ruimte
te kenschetsen. Cuttle gebruikte daarvoor een witte diffuse bal, een glimmende zwarte bal en een schijf met daarop een stang [1]. Andere onderzoekers probeerden met
deze voorwerpen de lichtkwaliteit van een ruimte zichtbaar te maken, maar dat lukte niet altijd. [2]. Al eerder
had Frandsen [3] een 10-stappen schaal voor licht en
schaduw ontwikkeld door een diffuse bal, een spiegelende bal en een sinaasappel onder verschillende lichtomstandigheden te fotograferen. Een verlopende schaal van
scherpe schaduwen tot aan zachte, heel diffuse schaduwen was het resultaat. Voor het blote oog is het echter
moeilijk een 10-stappen schaal voor schaduwen te ontwikkelen die in een reële ruimte op de juiste manier te
interpreteren is. Daarom wordt in dit artikel het lichtveld
in een ruimte geanalyseerd door met een luminantiecamera de schaduwen van eenvoudige voorwerpen te fotograferen. Allereerst is onder laboratoriumomstandigheden
met verschillende voorwerpen een 10-stappen schaal ontwikkeld. Daarna zijn diverse voorwerpen in een gewone
kantoorruimte bekeken.
het licht door de verschijningsvormen van de voorwerpen
en hun licht en schaduwspel. Als we heel formeel naar
een lichtveld kijken dan kunnen we dat wiskundig analyseren in sferisch harmonische functies. Dit is mogelijk
niet voor iedere lezer gemakkelijk, maar kan inzichtelijk
gemaakt worden door een parallel te trekken met de
akoestische aspecten van een ruimte. De akoestische kwaliteit van een ruimte wordt niet alleen bepaald door wat
die ruimte doet met de grondtoon van een klank, maar
ook doordat het boventonen op de juiste wijze weergeeft.
Zo zouden we ook graag mooie lichtkwaliteit in een ruimte willen kunnen beschrijven. Daarvoor kan de wiskundige beschrijving van de harmonische functies een handvat
bieden, maar je kunt het ook ‘vertalen’ en zeggen dat de
‘grondtoon’ een volledig diffuus lichtveld is en de eerste
‘boventoon’ de richting van het licht. De volgende
‘boventonen’ zijn ingewikkelder, maar maken in feite
meerdere lichtbronnen en lichtaccenten in een ruimte
zichtbaar. In de schaduw van een voorwerp, zoals bij een
bal, zit in feite de informatie over de verschillende
‘boventonen’ verstopt in zijn grijstinten die variëren over
het oppervlak (figuur1).
Theorie
De verschijningsvorm van een voorwerp wordt bepaald
door het aanwezige licht, de vorm van het voorwerp zelf,
de reflectiecoëfficiënt en de ruwheid van het oppervlak.
Een lichtveld kun je niet zien, maar het wordt zichtbaar
doordat het zijn effect heeft op de aanwezige voorwerpen.
Onze ogen ervaren het licht en dus ook de kwaliteit van
1
Bolvorm en dodecaëder
• Binnenmilieu en gezondheid
Bouwfysica 2 2011
29
3
2
Luminantie-afbeeldingen van de 10-stappen schaduwschaal voor een bol en voor een dodecaëder
De koepel in de daglichtkamer
5
Luminantieafbeelding van de 10-stappen schaduwschaal voor een dodecaëder met zwarte
‘stekels’
4
De kantoorruimte met de dodecaëder op de standaard
Met een regelmatig 12-vlak, een dodecaëder, is het mogelijk ‘de grondtoon’ en de eerste paar ‘boventonen’ van
een lichtveld zichtbaar te maken. Dat gaat beter dan met
een bolvorm, omdat de dodecaëder in 12 richtingen het
licht op zijn vlakken reflecteert en niet zoals bij een bol in
oneindig veel richtingen.
Experimenten in de daglichtkamer
Voor dit onderzoek zijn er experimenten uitgevoerd in de
daglichtkamer. Een zwarte koepel met een opening aan
de bovenkant werd in de daglichtkamer geplaatst (figuur
2). De koepel was opgebouwd uit 10 ringen die de mogelijkheid gaven om de openingshoek van de koepel te
varieren (tabel 1). Door het variëren van de hoek is de
schaduwvorming rondom een voorwerp steeds anders.
Er is een 10-stappen schaal voor schaduw gemaakt voor
zowel een witte diffuus reflecterende bal als een dodecaëder, door de openingshoek in de koepel te variëren (figuur
3). De verschillen in schaduwvorming waren goed zichtbaar te maken met een luminantiecamera, maar konden
vaak ook met het blote oog onderscheiden worden. Proefpersonen konden de volgorde van de 10-stappen schaduwschaal aan de hand van grijstinten afbeeldingen goed
bepalen wanneer de dodecaëder uitgevoerd was met extra
stangetjes op de vlakken (zie figuur 5).
Experimenten in een kantoorruimte
Vervolgens zijn de bal en de twee dodecaëders geplaatst
in een gewone kantoorruimte, dichtbij het raam en twee
meter dieper in de ruimte. Figuur 4 laat deze kantoorruimte zien met gesloten zonwering. Het bovenraam heeft
Tabel 1: De verlichtingssterkte in de koepel
openingshoek
verlichtingssterkte [lux]
daglichtfactor [%]
11,5
99
1,6
23,1
399
6,4
34,9
794
12,7
47,1
1381
22,1
60,0
2128
34,0
73,7
2950
47,1
88,9
3900
62,3
106,3
4820
76,9
128,3
5640
90,1
180,0
6260
100,0

30
2 2011 Bouwfysica
www.nvbv.org
daglicht
daglicht en kunstlicht
zonwering open
6
De verschillende voorwerpen op 0,75 m en op 2,75 m vanaf het
raam
zonwering dicht
7
Diverse luminantieafbeeldingen onder verschillende lichtomstandigheden op 2,75 m vanaf het raam. Er bevinden zich 2 kunstlichtarmaturen in de kantoorruimte. De dodecaëder bevindt zich
tussen 2 armaturen in, wat de afbeelding rechts onder goed
toont
8
Luminantie-afbeeldingen bij een geopende zonwering, bij een gesloten zonwering met de
lamellen horizontaal en bij een volledig gesloten zonwering (2,75 m vanaf het raam en het
kunstlicht uit)
geen zonwering. In de vensterbank staat de dodecaëder
op een standaard. Figuur 6 laat luminantie afbeeldingen
zien van de verschillende objecten gefotografeerd met de
luminantiecamera. De bovenste afbeeldingen zijn
gemaakt op 0,75 m vanaf het raam, de onderste op
2,75 m vanaf het raam. In alle situaties was de zonwering
omhoog en het kunstlicht uit.
Deze afbeeldingen laten zien wat de problemen van eerdere onderzoekers waren om in een reële ruimte met het
blote oog de schaduwvorming van voorwerpen goed te
interpreteren en aan te geven op welke stap in de schaduwschaal de afbeelding thuishoorde. Naarmate een
voorwerp zich dieper in de ruimte bevindt, is de richting
van het licht minder duidelijk door de lichtreflecties in de
ruimte. Met name de luminantieringen op de bal gaan
krommer lopen. Voor het blote oog betekent dit dat het
verloop van de grijsheid van een schaduw over een boloppervlak gekromd verloopt, daardoor moeilijker te interpreteren is en zeker niet meer gerelateerd kan worden aan
de 10-stappen schaduw schaal.
De figuren 7 en 8 laten echter wel zien dat de dodecaëder,
vooral die met stangen, goed verschillen in schaduwvorming kan laten zien, wanneer al of niet het kunstlicht
aangezet wordt in de kantoorruimte en de lamellen van
de zonwering in stand gevarieerd worden; open, gesloten
of horizontaal. Dat betekent dat de dodecaëder door zijn
schaduwvorming, subtiele verschillen in lichtvelden al
zichtbaar kan maken en dus ook veranderingen van lichtkwaliteit kan laten zien.
Discussie en conclusie
Experimenten in de daglichtkamer hebben laten zien dat
een luminantiecamera een heel geschikt instrument is om
een 10-stappenschaal van schaduwen te ontwikkelen voor
verschillende voorwerpen zoals een bol of een dodecaëder. Experimenten in een reële ruimte hebben echter aangetoond dat schaduwbeelden veelal niet gerelateerd kunnen worden aan een stap op de schaduwschaal. De
dodecaëder met stangen is echter wel in staat om subtiele
nuances in het lichtveld van een ruimte te laten zien.
Theoretisch gezien brengt de dodecaëder een aantal harmonische functies (‘boventonen’) van het lichtveld in
beeld. Daardoor is de dodecaëder een goed object om de
lichtkwaliteit in ruimten verder te gaan onderzoeken.
Welke harmonische functies zouden aanwezig moeten
zijn bij een goede lichtkwaliteit, is daarbij een goede
onderzoeksvraag.
Ik denk dat het goed is om verder na te denken over de
precieze schaduwvorming in een ruimte, omdat schaduwen iets vertellen over het karakter van de ruimte. De
dodecaëder kan met behulp van de luminantiecamera helpen om nieuwe aspecten zichtbaar te maken. Een belangrijk onderwerp voor vervolgonderzoek over schaduwvorming is de vraag wat senioren met hun ouder wordende
ogen nog kunnen waarnemen van de schaduwwerking bij
voorwerpen. Het lichtveld kan met de juiste schaduwvorming voor voldoende lichtkwaliteit zorgen voor een goede
oriëntatie in een ruimte. Goede lichtkwaliteit geeft senioren meer stabiliteit [4] en voorkomt daardoor val incidenten. Ook vanuit preventie oogpunt is het belangrijk om
verder onderzoek te doen naar de schaduwkant van het
licht.
Een andere onderzoeksvraag is hoe de schaduwvorming
van voorwerpen bij LED en OLED verlichting eruit gaat
zien. Gezien de samenstelling van een witte LED kan de
schaduwvorming geheel anders zijn dan bij bijvoorbeeld
een gloeilamp. n
Bronnen
 [1] Cuttle, C., Lighting by Design, Oxford, Architectural
Press, 2003
 [2] Madsen, M., and Donn, M., Experiments with a
digital light-flow-meter in daylight art museum e-buildings,
2006
 [3] Frandsen, S., The scale of Light. International
Lighting Review, 1987/3, 108-112
 [4] Brooke-Wavell, K., Perrett, L.K., Howarth, P.A.,
Haslam, R.A., Influence of the Visual Environment on the
Postural Stability in Healthy Older Women, Gerontology,
vol. 48, no 5, 2002