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光源的光谱与低照明水平 2013/2/21 10:55:51
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光源的光谱与低照明水平

――中间视觉的基础

复旦大学顾问教授 WoutVan Bommel

 

引言

什么样的灯的光谱对低照明水平时的视觉有利?在世界范围内对这一问题展开热烈的讨论已有相当长的时间。讨论中的关键词是“中间视角”和“暗视角”。对于道路和居民区的照明,此一讨论是很重要的,因为在这些地方照明水平较低。而在今天,由于采用LED可以产生各种光色以及各种不同色调的白光,所以这一讨论尤为重要。

在这一讨论中,有时常会冒出一些非理性的说法。大部分的原因是缺少这方的知识,这是可以理解的,因为在此过程中很多不同的复杂的因素都在起作用。

有时候,仅将明视觉和暗视觉直接地加以比较,而不考虑眼睛的适应状态,从而直接对道路照明做出错误的结论。另一个常犯的错误是仅仅考虑中间视觉的某一个方面。实际上即使在低照明水平之下,我们也必须考虑(视)线上(on-line)视觉、(视)线外 (off-line)  视觉的不同情况以及光源光谱通过颜色辨认对视觉功能的贡献等因素。有时候,将大部分研究中所使用的均匀亮度场的条件简单而直接地用于道路照明的情况,这也是错误的。最后也是很重要的一点,人眼的光谱透过率随着年龄会发生很大的变化,但是研究时人们常会忽视这一因素。对老年的汽车驾驶员或者行人,这一忽视可能会导致很严重的后果。

今年 CIE 可能要发表一个重要的出版物,特别专注于中间视觉的线外(off-line)视觉方面。这将能引导此一讨论沿着正确的方向进行,但是可能还有一些读者会忘记需要考虑诸多方面的复杂因素。

笔者以尽可能简单的语言、尽可能短的篇幅写成此文,目的是在不涉及科学细节的情况下给读者一个完整的基本 .对于什么样的光源光谱适用于道路照明,笔者并未给出一个整体的结论.但是相信读者在充分理解本出正确的结论.

1、明视角

锥状细胞是一种感光细胞,它们集中在眼睛视网膜的黄斑处.在黄斑的外围,锥状细胞的数目减少得非常快(见图 1).视网膜上的黄斑是这样的一个区域,紧靠在视线方向上的小面积的清晰的像就成在它的上面,这相应于“中心”视觉或“线上”(on-line)视觉.当适应亮度大于大约3~10cd/m ,  锥状细胞最活跃.这时的视觉状态我们称之为明视觉.  锥状细胞有红、绿和蓝三种,因此能分辨颜色.明视觉的光谱灵敏度用V(λ)来表示,其最大值在555nm附近,相当于绿-黄的颜色(见图2).黄色成分丰富的光源光效较高.通常,进行所有的照明测量(光通量,光强度,照度和亮度等)时都是采用明视觉的光谱光效函数V(λ)。

2.  暗视觉

   杆状细胞是灵敏度高的感光细胞.在黄斑处没有杆状细胞,它们的密度从黄斑向外逐渐增加,到偏离视线约15°处达到最大(见图1).因此杆状细胞对“周边”视觉或“线外(off-line)视觉是很重要的.由于许多杆状细胞相互连接在一起,因而所成的像不是很清晰的.在小于 0.01~0.003cd/㎡的适应亮度下,仅有杆状细胞活跃我们称其为暗视觉(见注解1)。仅靠杆状细胞不可能分辨色彩.暗视觉的光谱灵敏度由V’(λ)。来表示,其最大值大约在 505nm,相应于蓝-绿的颜色.相对于V(λ)曲线, V’(λ)曲线明显地移向光谱的蓝端(见图2).

图1. 锥状细胞和杆状细胞在眼睛视网膜上的密度分布



可采用S/P比值来表征光源的光谱在暗视觉的情况下的有效程度.它是光谱的暗视觉亮度(根据V’(λ))和明视觉亮度(根据V(λ)的比值(见注解2) .1列出了道路照明常用的几种光源的典型的S/P(见注解3-4 ).

3.  中间视觉

当适应亮度水平大约在10-0.003cd/㎡之间时,锥状细胞核杆妆细胞都在起作用。适应亮度有高变低时,杆状细胞的作用越来越重要,整个光谱灵敏度逐渐移向短波长方向,也就是蓝色的方向,此一适应效应也成为“Purkinje效应”。

为了确定中间视觉范围内光谱灵敏度逐渐移动的实际影响,我们必须区分线上(中心)视角和线外(周边)视角。

3.1 线上的中间视角

既然在黄斑处几乎没有杆状细胞,因而锥状细胞在那里扮演着决定性的角色。事实上对于适应亮度大于0.01cd/㎡时线上小目标的视觉性能,V(λ)曲线提供一个能接受的很好的预测.此时,可采用正常的明视觉单位.即使仅有昏暗照明的街道,其照明水平也比0.1cd/ 高出不少(见前面的注解1). 

3.2线外的中间视觉

要从本质上确定不同适应水平时线外中间视觉情况下视觉系统的真实光谱灵敏度,即使说是可能的话,也是十分困难的,因为办法就是决定不同光谱对功能判据的影响。对于道路照明,这些必须与主要的任务相关。美国的ReaBullough [1]采用汽车驾驶员的反应时间作为判据:驾驶员能看到那个目标物吗?有多快能看到那一目标?能识辨那一目标吗?(见注解5-6)。通常,线外视觉研究的角度约为10度,在国际照明委员会(CIE)的TC1-58技术委员会(中间视觉下的视觉功能)中,他们都(还有更多机构)一起工作,正在此研究的基础上对中间视觉定义一个统一的光度学系统(见注解7)。作为光源光谱对中间视觉范畴内线外视觉的影响的说明,表2给出了MOVE模型的结果[2].2中给出的是不同适应亮度下对具有不同S/P值的光源采用MOVE模型计算得到的亮度与明视觉亮度之间差的百分数(表中蓝色字)。比较高压钠灯(S/P值为0.65)与暖白光LED光源(S/P值为1.35)及蓝光丰富的白光LED光源(S/P值为2.15),可以发现在摄影亮度为0.3cd/㎡时暖白光LED光源的照明水平的有效性比高压钠灯高19%=10%+9%),蓝光丰富的白光LED光源则比高压钠灯高38%=10%+28%)。请注意,这些百分比差别仅适用于线外视觉。

2.S/P值不同的光源在不同的适应亮度下线外中间视觉的有效亮度与明视觉亮度的差值的百分数[2]

3.3. 在中间视觉范畴内的彩色视觉

   在中间视觉的情况下能产生彩色视觉的锥状细胞还能部分地被激活,因而可以认为在道路照明中色彩分辨能力对视觉功能还有供献.事实上近来的研究表明:采用显色指数大于50的白光比用显色指数只有25的高压钠灯更容易识别人的面孔.要获得同样的辨认机会,所需白光的照明水平仅为黄光的一半左右[5,6].这里要特别强调的是:决定性的是显色指数.而不是色温.蓝光丰富的白光和暖白光都有这样的优点.Boyce 等人早期的研究并未发现这两种白光有很大的差别[7].英国Sheffield 大学的 Fotios 等将就此问题发表一份新的研究论文[8].英国的标准BS5489规定当采用显色指数大于60的光源时,道路照明的平均照度可以降低.

 

3.4. 中间视觉时年龄的影响

   也像大多数其他类似的研究一样.上面所说的MOVE研究的受试者的年龄范围是20-35.人眼的晶状体会随着年龄增长而逐渐变黄.结果造成蓝色和绿色(短波长)视觉的损失. 3 给出了 60-69 岁年龄段与 20-29 岁年龄段人眼晶状体的光谱透过率的比值.  蓝光丰富的白光中蓝色成份被老年人黄色晶状体的吸收当然会减少到达锥状细胞和杆状细胞的光量.因而对老年人来说,蓝光丰富的白光(S/P值高)不如暖白光对线上和线外视觉有效.对蓝光的吸收效应要减少S/P,因而上面所说的蓝光丰富的优点对老年驾驶员从整体上来说就可以忽略不计了(见注解8).对年龄效应的更精确的定量分析还在研究之中.

4. 在道路照明条件下的适应亮度

   在前面的各节中,所说的“适应亮度”是指目标所处的大尺度背景的平均的亮度.在道路照明情况下,路面的亮度是不均匀的.为简化起见,常错误地将路面的平均亮度取为适应亮度.在很多情况下在视场中常常是更高的亮度扮演着重要的角色.试想一下,明亮的路灯、汽车前照灯、发光的信号标志以及路面的反射光,它们一起增加了适应亮度,使其高于路面的平均亮度.因此与只考虑路面的平均亮度的情况相比,真实的视觉更趋向于明视觉的情况.在居民区的照明,这一效果是尤其重要的,因为街上走的行人的视线是处于高亮度的区域.汽车驾驶员的情况则不同,他们的主要观察方向是前方的路面.

 

致谢

作者十分感谢 Teresa Goodman (英国)  Terry McGowan (美国Janos Schanda(匈牙利)和周太明(中国)他们看了本文的初稿,并提出了宝贵的意见.

 

参考文献

[1] Rea, MS.,Bullough, JD., “Making the move to a unified system of photometry”, Lighting Researchand Technology 2007, 39: 393-408.

[2] Goodman, T., Forbes, A., Walkey, H.,Eloholma, M., Halonen, L., Alferdinck, J., Freiding, A., Bodrogi, P., Varady,G., Szalmas, A., “Mesopic visual efficiency IV: a model with relevance to nighttimedriving and other applications”, Lighting Research and Technology 2007; 39: 365-392.

[3] Nakagawa, K., Akashi, Y., “The effectof yellowing human crystalline lens on the mesopic ision”,CIE Midterm meeting,Light and Lighting Conference with special emphasis on LEDs and Solid StateLighting, Budapest, 2009.

[4] CIE Publication 158, “Ocular lightingeffects on human physiology and behavior”, Vienna, 2004.

[5] Raynham, P., Saksvikkronning, T.,“White light and facial recognition”, The Lighting Journal 2003;69: 29-33.

[6] Knight, C., van Kemenade, J.,“Wahrnehmung und Wertschatzung der Erdkunden in Bezug auf die offentlicheBeleuchtung“, Licht 2006, 10-13, 2006, Bern.

[7] Boyce, PR., Rea, MS, “Securitylighting: effects of illuminance and light sourceon the capabilities of guardsand intruders”, Lighting Research and Technology 1990; 22:57-79.

[8] Fotios, SA., Cheal, C., “Road lightingfor pedestrians in residential areas: choosing the optimum lamp colourcharacteristics”, CIE Midterm meeting, Light and Lighting Conference withspecial emphasis on LEDs and Solid State Lighting, Budapest, 2009.

 

Prof. Wout van Bommel

Nuenen, The Netherlands

wout@woutvanbommel.eu

www.woutvanbommel.eu

 

(复旦大学电光源研究所周太明 林燕丹 译,刊载于《中国照明工程学报》和《固态照明》杂志,)

【转载及出版需联系作者】

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1、在非热带地区,满月在海平面上产生约0.3lx的水平照度.平均说来,在沥青路面上产生的亮度为0.02-0.03cd/㎡。很明显这对暗视觉而言是太“亮”了.在有微弱照明的居民区,平均亮度约在0.2-0.5cd/㎡,,更比暗视觉亮得多.

2、让我们以一个波长为500nm的理想单色光源为例。从图我们可以看到暗视觉V(λ)相对值是0.99,明视觉V(λ)相对值是0.3。将暗、明视觉的相对值分别乘以人眼的最大光谱效率1700680,得到相应的绝对值。从而S/P的比值在本例中应为(0,99* 1700) / ( 0,30 * 693) = 8,2。对于非单色光源必须对其所包含的所有波长进行相应的计算。

3、绿色或蓝色的LEDS/P值较高,但是不适宜用于道路照明,因为照明的效果不自然,而且它们的显色性差(3.3节“在中间视觉范畴的颜色视觉”), 对于老年人来说效率低(3.4节“在中间视角范畴内年龄的影响”。

4、有时候我们在出版物中看到S/P比值用来表征中间视觉的直接的、唯一的特性.这是一种误导,是不正确的.就像我们在这一节将要说明的那样,在中间视觉范畴内光谱的影响不仅取决于光源的光谱(因而S/P)本身 ,还与实际的的适应亮度有关.

5、为杆状细胞不能形成清晰的像,因而眼睛在探测到线外不清晰的像后,就会将视线聚焦在目标物上,进行最后的辨认。

6、MOVE的这个项目在2008年荣获英国光和照明学会的Walsh-Weston奖。

7、20095月在技术委员会投票以后,讨论进入协调阶段.在此协调报告最终表决通过以后,将出版作为国际认同的线外中间视觉的CIE系统.

8、现在白内障手术中所用的人造晶状体常常是阻蓝型的,目的是保护眼睛的视网膜.50岁的人的自然的晶状体相似,这种透镜能够过滤蓝、绿光.它对蓝、绿光的透过率比20-30岁的年轻人的晶状体要低得多.

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