Gépészmérnöki Kar

Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszék

Színmérnöki kutatóműhely

A kutatási terület néhány soros bemutatása

A körülöttünk zajló világról öt érzékszervünk által szerzünk tudomást. Az információk legnagyobb részét, 90%-át azonban szemünktől kapjuk. Az emberi szem színesen lát, ezért a színes információ talán a legfontosabb adat számunkra.

A Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszék (MOGI) színmérnöki kutatóműhelye ennek a színes információnak mérnöki aspektusait  kutatja. A tág szakterület három ágán folyik jelentős kutatómunka:

• a színtévesztés diagnózisa és korrekciója

• színes megjelenítő-eszközök kutatása

• fényforrások kutatása és fejlesztése

A kutatóhely rövid bemutatása

A színmérnöki kutatóhely a Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszéken található amely a Gépészmérnöki Kar három legnagyobb tanszéke közé tartozik. A tanszék szakterületei közé tartozik a nevében található mechatronika, optika, műszaki és gépészeti informatika tudományterületek mellett a gépészmérnöki tudományok határterületein található több interdiszciplináris terület is.

A MOGI tanszék az MSc és BSc szintű mechatronikai mérnök képzés gesztora, mely országosan a legnagyobb felvételi ponthatárral büszkélkedhet. A tanszék önálló doktorképző alprogramot vezet.  

A színmérnöki kutatóhely munkatársai gépész-, villamos- és informatikai mérnöki szakdiplomával, illetve PhD fokozattal rendelkeznek, és a három fő kutatási irány mellett évente több hazai és nemzetközi KK-megbízást teljesítenek, illetve több pályázat munkájában is részt vesznek.

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

A BME Finommechanikai Optikai Tanszékén (ma MOGI Tsz.) a kutatóhely két professzora (Dr. Ábrahám György és Dr. Wenzel Klára) 20 évvel ezelőtt kezdett el a színtévesztéssel foglalkozni. Kezdetben egyetemi hallgatók bevonásával, diplomatervezési és tudományos diákköri munkák keretében folyt a kutatási munka.

Hamarosan rájöttek, hogy a színtévesztés szemészeti okáról ismert addigi nézetek tévesek, és valószínűleg ez okozza, hogy az orvosok úgy tudják, hogy a színtévesztés korrigálása lehetetlen. (A legelterjedtebb vörös-zöld színtévesztés genetikai eredetű, öröklött rendellenesség, és mint ilyen, ma még valóban nem gyógyítható, de színszűrős szemüveggel korrigálható.)

A színtévesztés korrekciójához alapkutatásokat kellett folytatni a színtévesztés optikai, fiziológiai okainak mélyebb megismerésére. A kutatásban a legmodernebb módszereket alkalmazták, pl. matematikailag modellezték az emberi szem színlátását, új mérési módszerek egész sorát fejlesztették ki, új mérőműszereket építettek és a színtévesztő egyetemi hallgatók bevonásával mintegy 600 személyen végeztek méréseket. 1993-ban a kutatók szabadalmaztatták a színtévesztést korrigáló színszűrős szemüvegeiket, 1995-ben pedig egy a színtévesztés mérésére szolgáló új műszert is. A szabadalmazás költségeit pályázat alapján a Magyar Szabadalmi Hivatal támogatta [1, 2, 3].

A színtévesztés kutatása az elmúlt években a színtévesztés pontos diagnózisára irányul. Ennek keretében folyik a számítógépes monitorok kutatása. Ugyanis a színes monitor mint diagnosztikai eszköz nagy mértékben egyszerűsíthetné és széles körben elterjeszthetné a színtévesztés kvalitatív és kvantitatív mérését.

A színes megjelenítő-eszközök (számítógépes monitorok) kutatása a színlátáskutatás folytán került a kutatóműhely érdeklődési körébe. A színlátáskutatás egyik ma is dinamikusan fejlődő területe a színtévesztés diagnosztizálása. A színtévesztés-diagnosztikai műszerek és módszerek nagy része költséges és csak komoly szaktudás birtokában alkalmazható.  Célszerű ezért a hagyományos és új színlátásvizsgáló módszereket átültetni számítógépes monitorokra. Ezáltal a színlátásvizsgálat leegyszerűsíthető, meggyorsítható és költséghatékonnyá tehető. Ehhez azonban elengedhetetlen a különböző típusú számítógépes megjelenítő eszközök technológiájának és mérésének (kalibrálásának) a kutatása.

A fényforrások kutatása és fejlesztése a GE Hungary Kft.-vel közösen történik. A kutatóműhely színlátáskutatásból eredő tapasztalata kapcsán kezdett együttműködést a fényforrás K+F és gyártás területén világszinten piacvezető  céggel. Az együttműködés keretében a kutatóműhely a fényforrásfejlesztés terén végez kutatómunkát. Ezzel párhuzamosan a kifejlesztett új fényforrások humán vizsgálatokkal történő tesztelése is itt folyik. 

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések

A színes látás örökletes genetikai zavara a színtévesztés. Európában a felmérések szerint a férfiak 8%-a, a nők 0,5%-a öröklötten színtévesztő. Vannak szerzett színlátási zavarok is, de ezek általában valamely ártalom (alkoholizmus, mérgezések, betegségek) következményei, és ennek megszűnésekor el szoktak múlni.

A színtévesztés nem gyógyítható sem gyógyszeresen, sem műtéttel. Az optikai színszűrőkkel történő szemüveges korrekció azonban eredményesen javítja a színtévesztők színlátását. 

A kutatóműhely célja olyan, a piac számára is könnyen felvehető színszűrős szemüveg (és kontaktlencse) kifejlesztése, amely sikerrel korrigálja a színtévesztést. A szemüveghez egy olyan diagnosztikai rendszert is ki kell fejleszteni, amely segíti a szemészeket és az optikusokat a minél egyszerűbb színlátás-diagnózis felállításában.

A kutatóműhely fényforrás-fejlesztési tevékenységének célja az, hogy az EU-ban leváltandó hagyományos izzólámpák helyébe lépő újonnan kifejlesztett fluoreszcens fényforrások (fénycsövek és kompakt fénycsövek) minél jobb paramétereket érjenek el a következő jellemzőkben:

• színvisszaadás

• észlelt világosság

• fényhasznosítás

Emellett célként szerepel olyan új humán tesztek kifejlesztése, amelyek sikerrel definiálják az új típusú fényforrások vizuális minősítését.

Módszerek

A látás receptorai az emberi szemben található csapok. A színlátás működését a csapok 3 különböző típusú pigmentje biztosítja. Ezáltal három különböző hullámhossztartományra érzékeny csapot különböztethetünk meg (l - protos, m - deuteros, s - tritos). Ezek spektrális érzékenysége az alábbi ábrán látható:

A színtévesztés abból adódik, hogy ezek az érzékenységi görbék a hullámhossz mentén egymáshoz képest különböző mértékben eltolódhatnak. Ebből több típusú és eltérő súlyosságú színtévesztés is kialakulhat (2. ábra).

2. ábra: A protán és deután színtévesztéstípusok spektrális érzékenysége

A rendellenesség kiküszöbölésére felhasználható egy speciálisan erre a célra tervezett színszűrő. Olyan réteget kell tervezni, amely a rajta áthaladó fény spektrumának változtatása révén a színtévesztőben is az épszínlátókhoz hasonló ingerületet vált ki. Ehhez a színszűrőnek egy olyan spektrális transzmisszós alakkal kell rendelkeznie, hogy a receptorgörbék maximumát a normál szem érzékenységi görbéinek helyére (1. ábra) tegye. A színtévesztés korrekciójának fontos eleme még az ilyen módon „eltolt” receptorgörbék világosság-adaptációja, amely biztosítja a színtévesztők színlátásának tökéletes javulását [4, 5].

A színtévesztés sokszínűségéből adódik, hogy a korrekció csak több típusú (eltérő spektrális transzmissziós karakterisztikájú) színszűrővel valósítható meg. Ebből a célból egy olyan színszűrő szett készült, amelyben megtalálhatók a fő színtévesztőtípusok korrekciós lencséi. Az orvosi gyakorlatban a megfelelő lencse kiválasztása a szettből színtévesztés-diagnózissal történik. 

A kutatócsoport színtévesztés-diagnosztikai műszereket is kifejlesztett. Ilyenek a PDT 2000 és Anomalchecker műszerek. Ezek továbbfejlesztése folyamatos kutatómunkát igényel [6, 7].

A nem műszeres diagnosztikai eljárások közül a CRT monitoros és legújabban az LCD monitoros tesztek képezik a fő kutatási irányt. A monitoros tesztek mint mérési eljárások kalibrált megjelenítő-eszközt kívánnak. Erre a célra kidolgoztunk egy fénymérő műszerrel működő szoftveres eljárást. Mivel a műszeres megvalósítások elterjedését gátolja a magas beszerzési költség, ezért fejlesztés alatt  áll egy mérőműszer nélküli vizuális kalibrálószoftver is, amely az emberi szemet használja „mérőműszerként” [8,9].

Létrehoztuk a számítógépre átültetett színlátásvizsgálatok egész sorát, például a Farnswortn és Ishihara teszteket, de olyan új vizsgáló módszerek is fejlesztés alatt állnak, mint az MMAM (Modified Minimal Apparent Motion Test) és CCSF (Color Contrast Sensitivity Function) [10, 11, 12].

A kutatóműhely fényforrás-fejlesztési projektje hatékony fényporfejlesztési és fényforrás-tesztelési módszereket dolgozott ki. Az új EU-direktívák következtében lecserélendő hagyományos wolframszálas izzók kiváltására alkalmas fluoreszcens fényforrások sajnos rosszabb színvisszaadással rendelkeznek, mint elődeik. A fluoreszcens fényforrások (kompakt és hagyományos fénycsövek) fejlesztésének ezért kulcskérdése az, hogy milyen spektrális karakterisztikával tudjuk létrehozni az emberi megfigyelő számára ergonomikus megvilágítást. A célnak megfelelő spektrális karakterisztikához a fénycsövek fényporbevonatának változtatásával juthatunk el. A fényporkeverék optimalizálásának bemenő paraméterei: a színvisszaadás (színtérméret), a színhőmérséklet és a fényhasznosítás. A színtér-optimalizálást nagy mértékben segíti a Dr. Ábrahám György által kifejlesztett organikus színrendszer (OCS – Organic Color System) [13].

3. ábra: Az OCS színrendszer

A kutatás folyamán már sikerült olyan "fényporrecepteket„ összeállítani, amelyek a színhőmérséklet és a fényhasznosítás megtartása mellett lényegesen jobb színvisszaadásra képesek.

A kifejlesztett új fluoreszcens fényforrásokat a műszeres vizsgálatok mellett humán vizsgálatokkal is tesztelni kell. A kutatóműhelyben olyan új fényforrásvizsgáló műszereket (pl. észlelt világosságot mérő műszer) és eljárásokat (színes kontrasztvizsgálat) fejlesztettünk ki, amelyek objektíven képesek értékelni az ember vizuális érzékelését. A humán vizsgálatok eredményei jó visszacsatolásként szolgálnak a fényportervezés és ezáltal a tökéletesebb fényforrásgyártás számára [14].

Eddigi eredmények

A színtévesztés korrekciója és diagnózisa témakörben eddig a következő eredmények születtek:

• a színtévesztést korrigáló szemüveg – mint termék.

• a színtévesztés diagnosztizálására szolgáló műszerek: Anomalchecker, PDT 2000

• 15 szabadalom (közte nemzetközi is)

• 3 spinoff vállalkozás, amelyek felhasználják a kutatócsoport K+F eredményeit: Colorlite Rt., Daltonon Kft., Colorlite Kft. 

• 8 nemzetközi kiállítás: Hannover, Strassbourg stb.

• 1 db MTA doktora fokozat

• 2 db habilitáció

• 5 db PhD-fokozatszerzés

Számítógépes monitorok kutatása terén született eredmények:

• új kalibrációs eljárások kidolgozása

• számítógépes látásvizsgálati tesztek létrehozása

A fényforrásfejlesztés területén született eredmények:

• fényforrások minősítésére szolgáló tesztsorozat kifejlesztése

• új fényforrások kifejlesztése

  
  

Várható impakt, további kutatás

Jelenleg a spinoff cégeken keresztül a világ több országában is forgalmazzuk a színtévesztést korrigáló szemüveget. A színtévesztőknek szánt szemüveg nagy és pozitív visszhangot váltott ki a világ szemésztársadalmában. A korrekciós szemüveget használók százai tudtak elhelyezkedni olyan szakmai területeken, ahol a tökéletes színlátás követelmény.

4. ábra: Színtévesztést korrigáló szemüvegek

A színszűrők gyártása területén érdekes kihívásokat tartogat, hogy az eddigi kutatások két technológiát is alkalmaztak. A jövő kutatásai döntik el, hogy a termodiffúziós vagy a vákuumgőzöléses szűrőgyártás lesz-e az eredményesebb.

Felhasználói részről merült fel a színtévesztést korrigáló kontaktlencsék fejlesztése. A kutatócsoport hosszú távú tervei között ennek a kifejlesztése is szerepel.

A színlátás-diagnosztika folyamatos fejlesztése prioritás a további kutatásokban. Pontos diagnózis szükséges ahhoz, hogy  a szemész a megfelelő színszűrőt tudja felírni a színtévesztőnek. A kutatóműhely további új műszeres és monitoros teszteken dolgozik, amellyel még pontosabb és egyszerűbb diagnosztika végezhető.

A kutatócsoport által javasolt fénypor-karakterisztikák segítségével kifejlesztett új fényforrások jelenleg a piaci bevezetés szakaszában vannak. A kidolgozott vizuális tesztekkel sikeres humán vizsgálatokat végeztünk, amelyek igazolták a kifejlesztett fényforrások hatékonyságát. Mivel a fluoreszcens fényforrások terén az elmúlt évek nagy változásai miatt folyamatos és dinamikus a fejlődés, a továbbiakban is folyik a fénypor-karakterisztikák javítása, különös tekintettel a kompakt fénycsövekre, melyek magyarországi gyártóbázisa egyre jelentősebb lesz a GE Hungary Kft. vállalatnál.

Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény

5 kiemelt publikáció az elmúlt 5 évből:

Ábrahám Gy, Katona P, Kovács R, Nagy B, Tóth Katalin

A megvilágítás hatása a színlátásra

MŰSZAKI SZEMLE: 30–35 (2009)

Wenzel K, Samu K, Langer I. 

Színtani gyakorlókönyv színtévesztőknek – alapfokú gyakorlóköny

ISBN 978-963-06-6698-5 (2009)

Wenzel K, Samu K, Mihalik G 

Colorimetric training book,

CIE Light and Lighting Conference, CIE Proceedings PwDaS-46, Budapest (2009)

Gy Ábrahám, B V Nagy

Organic Color System

AIC Symposium, Budapest (2007)

Ábrahám Gy

Filter technology applying to the improvement of the human vision.

8th Int. Conf. on Mechatronics and Precision Engineering, 157–160. oldal, Kolozsvár, Románia (2006)

Megelőző időszak 5 kiemelt publikációja:

Abraham G, Korosi H, Schanda J, Shapiro A G, Wenzel K

Anomalies in additive color matches

COLOR RESEARCH AND APPLICATION 20:(4) 235–244. oldal (1995)

Kovacs G, Kucsera I, Abraham G, Wenzel K 

Enhancing color representation for anomalous trichromats on CRT monitors. 

COLOR RESEARCH AND APPLICATION 26: S273–S276. oldal (2001)

Gy Ábrahám, B V Nagy

Colour deficiency: the dysfunction of the photoreceptors and its correctional possibility with optical flters

ACTA PHYSIOL HUNG 89:  (1–3.)  (2002)

Ábrahám Gy

Principles of correction of colour deficiency by filter glasses.

PERIODICA POLYTECHNICA-MECHANICAL ENGINEERING 45:(1) 3–10. oldal (2001)

B V Nagy, Gy Ábrahám

Spectral Test Instrument for Color Vision Measurement.

JOURNAL OF BIONICS ENGINEERING 2:(2) 075–079. oldal (2005)

Linkgyűjtemény:

http://canopus.mogi.bme.hu/szinlatas/index.html

http://www.daltonon.hu/

http://www.szintevesztes.com/

Médiaszereplések:

Kossuth Rádió – Napközben (2010.05.04.)

MTV – Válaszd a tudást (2007.06.28.)

MTV – Válaszd a tudást (2006.10.26.)

MTV – Non Plus Ultra (2005.04.18.)

DUNA TV – Heuréka (2003.03.30.)

MTV – Tudósítás a strassburgi EU innovációs kiállításról (2002.11.15.)

RTL Klub – Fókusz (2000.05.03.)

MTV – Amőba (1998.)

ARD (Németország) – Tudósítás a hannoveri kiállításról (1994.)

Hivatkozások listája:

[1] Ábrahám Gy, Szappanos J, Wenzel G

Method and optical means for improving or modifying color vision and method for making said optical means

USA Patent No. 5,774,202 (1998)

[2] Ábrahám Gy, Wenzel K

Method and Apparatus for Determining Spectral Sensitivity Parameters of Colour-Sensitive Receptors in the Eye

US Patent No. 2,801,808 (1998)

[3] Ábrahám Gy, Wenzel K

Method and Apparatus for Determining Spectral Sensitivity Parameters of Colour-Sensitive Receptors in the Eye

European Patent (United Kingdom, Austria, Belgium, France, Netherland, Germany, Italy, Spain, Switzerland-Lichtenstein, Sweden) No. 0755218 (1998)

[4] Ábrahám Gy

Principles of correction of colour deficiency by filter glasses

PERIODICA POLYTECHNICA-MECHANICAL ENGINEERING 45:(1) 3–10. oldal (2001)

[5] Ábrahám Gy, Nagy B V

The dysfunction of the photoreceptors and its correctional possibility with optical filters

ACTA PHYSIOLOGICA HUNGARICA 89:(1–3) 188–189. oldal (2002)

[6] Ábrahám Gy, Schanda J, Nagy B V

Színtévesztést vizsgáló anomalchecker műszer

Proc. XXIXth Kolorisztikai szimpózium, 1–15. oldal, Eger (2003)

[7] B V Nagy, Gy Ábrahám

Spectral Test Instrument for Color Vision Measurement

JOURNAL OF BIONICS ENGINEERING 2:(2) 075–079. oldal (2005)

[8] Samu K 

Számítógépes monitorok automatizált gamma-görbe és színhőmérséklet-mérő műszerének fejlesztése 

MAGYAR ELEKTRONIKA 23: (12) 23–25 (2006)

[9] K Samu, A Molnar

The possibilities of the colorimetric measurement of the computer monitors’ primers with photodetector

Gépészet 2010: Proceedings of the 7th Conference on Mechanical Engineering, ISBN:978-963-313-007-0, 790–795. oldal, Budapest (2010)

[10] K Samu, K Wenzel 

Presenting surface colors on computer controlled CRT display 

FACTA UNIV, SER MECH ENG 16: 177–183 (2003)

[11] Ladunga K, Wenzel K, Ábrahám G

New Computer Controlled Color Vision Test,

Proc. of Photonics Device and Systems, SPIE, 501–505. oldal, Prága, Csehország (1999)

[12] K.Wenzel, K.Ladunga, K.Samu

Measurement of color defective and normal color vision subject’s color and luminance contrast treshold functions on CRT,

Periodica Polytechnica, Vol. 45. No. 1., 103–108, oldal (2001)

[13] Dr. Ábrahám György

A színtévesztés korrigálása és méréstechnikája

MTA DSC értekezés (2004)

[14] Ábrahám Gy, Katona P, Kovács R, Nagy B, Tóth Katalin

A megvilágítás hatása a színlátásra

MŰSZAKI SZEMLE: 30–35 (2009)

Résztvevők bemutatása: