暗視覺(jué)測(cè)量及中間視覺(jué)評(píng)價(jià)體系——以1980A 彩色亮度計(jì)為測(cè)試工具

倪孟麟，張 瑩，張志宏，董樹(shù)凱

(天津市照明學(xué)會(huì)計(jì)量測(cè)試專(zhuān)業(yè)委員會(huì))

1 錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞

錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞是以它們的形狀命名的，錐狀細(xì)胞b 和桿狀細(xì)胞a 的末端靠近脈絡(luò)膜，它們位于視網(wǎng)膜的最后層。光線(xiàn)由角膜進(jìn)入眼球至視網(wǎng)膜，先通過(guò)視網(wǎng)膜的其他層次，最后才到達(dá)桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞。第二層為雙極細(xì)胞和其他細(xì)胞，桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞都與雙極細(xì)胞連結(jié)。一般來(lái)說(shuō)，每一個(gè)錐狀細(xì)胞都與一個(gè)雙極細(xì)胞相連接。這是為了在光亮條件下，每一個(gè)錐狀細(xì)胞作為一個(gè)單元，能夠精準(zhǔn)地分辨外界景象的細(xì)節(jié)。而桿狀細(xì)胞則不同，幾個(gè)桿狀細(xì)胞只連結(jié)一個(gè)雙極細(xì)胞。這是為了在黑暗條件下通過(guò)幾個(gè)桿狀細(xì)胞對(duì)外界的微弱光起總合作用。

越靠近視網(wǎng)膜邊緣部分，桿狀細(xì)胞越多。桿狀細(xì)胞的靈敏度極高，在低照度下，主要靠它來(lái)辨別明暗，但對(duì)彩色不敏感，主要確定人眼的暗視覺(jué)特性;越靠近視網(wǎng)膜中心部分，錐狀細(xì)胞越密，它既能辨別光的強(qiáng)弱，又能辨別顏色，主要確定人眼的明視覺(jué)特性，白天視覺(jué)過(guò)程主要由錐狀細(xì)胞完成;夜晚的視覺(jué)過(guò)程主要由桿狀細(xì)胞起作用，所以人們?cè)谝雇碇荒芸吹胶诎桩?huà)面，無(wú)法辨別顏色。科學(xué)工作者奧斯特伯格(G ﹒Osterberg)曾以視網(wǎng)膜的164 個(gè)代表區(qū)為取樣區(qū)，計(jì)算了錐狀細(xì)胞與桿狀細(xì)胞的分布情況，發(fā)現(xiàn)人眼視網(wǎng)膜大約有650 萬(wàn)個(gè)錐狀細(xì)胞和1 億個(gè)桿狀細(xì)胞，視網(wǎng)膜的中央窩每平方毫米有14 萬(wàn)～16 萬(wàn)個(gè)錐狀細(xì)胞。離開(kāi)中央窩，錐狀細(xì)胞急劇減少，而桿狀細(xì)胞急劇增多，在離開(kāi)中央窩20°的地方，桿狀細(xì)胞的數(shù)量最多，這就是人眼對(duì)中心和邊緣圖像具有不同分辨力的原因。

2 明視覺(jué)和暗視覺(jué)

明視覺(jué)狀態(tài)下，人眼的錐狀細(xì)胞起主導(dǎo)作用，對(duì)波長(zhǎng)為555 nm 的黃綠光最敏感;暗視覺(jué)環(huán)境下，人眼的桿狀細(xì)胞發(fā)揮作用，對(duì)波長(zhǎng)為507 nm 的藍(lán)綠光最敏感;夜景照明有些屬于中間視覺(jué)，而道路照明大多屬于中間視覺(jué)，兩種視覺(jué)細(xì)胞同時(shí)感知，對(duì)波長(zhǎng)為507～555 nm范圍的綠光最敏感。目前國(guó)際上尚沒(méi)有中間視覺(jué)的定量數(shù)據(jù)與數(shù)學(xué)模式，用同一測(cè)試儀器1980A 可分別測(cè)出明視覺(jué)暗視覺(jué)的光度數(shù)據(jù)，為確切獲取S/P 數(shù)據(jù)和建立中間視覺(jué)的數(shù)學(xué)模式奠定必要的基礎(chǔ)。

人眼對(duì)桿狀細(xì)胞與錐狀細(xì)胞的最大感受在光波的不同部位。桿狀細(xì)胞決定人眼的暗視覺(jué)特性，它在510 nm(藍(lán)綠色)時(shí)具有最低相對(duì)輻射能量，即波長(zhǎng)為510 nm 處具有最高靈敏度。錐狀細(xì)胞決定人眼的明視覺(jué)特性，它在波長(zhǎng)為555 nm(黃綠色)處具有最高靈敏度，在400 nm 和700 nm 處明視覺(jué)特性具有最低靈敏度。

國(guó)際照明委員會(huì)規(guī)定了明視覺(jué)特性曲線(xiàn)和暗視覺(jué)曲線(xiàn)，兩種視覺(jué)特性見(jiàn)圖1。CIE 明視覺(jué)特性和暗視覺(jué)特性在色度學(xué)中分別稱(chēng)為“CIE 明視覺(jué)標(biāo)準(zhǔn)光度觀(guān)察者”和“CIE 暗視覺(jué)標(biāo)準(zhǔn)光度觀(guān)察者”，它們代表光譜不同波長(zhǎng)的能量對(duì)人眼產(chǎn)生光感覺(jué)的效率，雖然兩條曲線(xiàn)的明亮度相差很大，但為了方便使用，CIE將兩條曲線(xiàn)進(jìn)行了歸一化處理，使明視覺(jué)函數(shù)和暗視覺(jué)函數(shù)均成為相對(duì)值。用公式表示，即在引起明亮感相等的條件下

式中φλm和φλ分別為波長(zhǎng)λm和λ 的輻射通量。

CIE 正式推薦的明視覺(jué)光譜光效率曲線(xiàn)［V(λ)］和暗視覺(jué)光譜光效率曲線(xiàn)［V'(λ)］是將原CIE 1924明視覺(jué)曲線(xiàn)和CIE 1951 暗視覺(jué)曲線(xiàn)修勻后用算術(shù)坐標(biāo)表示，成為兩條近似對(duì)稱(chēng)的圓鐘形曲線(xiàn)，見(jiàn)圖1。［V(λ)］和［V'(λ)］的函數(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖1 明視覺(jué)和暗視覺(jué)的光譜光效率

表1 明視覺(jué)與暗視覺(jué)的光譜光效率函數(shù)(最大值為1)

續(xù)表

在圖1 中，V(λ)和V'(λ)的相對(duì)值代表等能光譜波長(zhǎng)λ 的單色輻射所引起的明亮感覺(jué)的程度，明視覺(jué)曲線(xiàn)V(λ)的最大值在555 nm 處，即光譜555 nm 波長(zhǎng)的黃綠色最明亮，越向光譜兩端的光愈來(lái)愈暗;暗視覺(jué)曲線(xiàn)V'(λ)的最大值在507 nm 處，即507 nm 波長(zhǎng)的光譜最明亮。整個(gè)暗視覺(jué)曲線(xiàn)V'(λ)相對(duì)于明視覺(jué)曲線(xiàn)V(λ)向短波方向推移，長(zhǎng)波端的能見(jiàn)范圍減小，短波端的能見(jiàn)范圍略有擴(kuò)大。暗視覺(jué)曲線(xiàn)V'(λ)的形狀主要決定于桿狀細(xì)胞的視覺(jué)特性，適用于0.001 cd/m2以下的亮度水平;明視覺(jué)曲線(xiàn)V(λ)的形狀主要決定于錐狀細(xì)胞的視覺(jué)特性，適用于1 cd/m2以上的亮度水平。在明視覺(jué)和暗視覺(jué)之間的亮度稱(chēng)為中間視覺(jué)。中間視覺(jué)既有錐狀細(xì)胞參與，也有桿狀細(xì)胞參與。在明視覺(jué)條件下觀(guān)察大面積表面時(shí)(＞10°視場(chǎng)角)，多少也有桿狀細(xì)胞參與，因此明視覺(jué)特性略有變動(dòng)。

在人眼可以感覺(jué)的部分，人眼對(duì)各個(gè)波長(zhǎng)光的感覺(jué)也不同，因而按照CIE 標(biāo)準(zhǔn)光度觀(guān)察者的視覺(jué)特性［V(λ)和V'(λ)］來(lái)評(píng)價(jià)的輻通量Φe即為光通量Φv，輻通量與光通量的關(guān)系為:

對(duì)于明視覺(jué)

對(duì)于暗視覺(jué)

式中Km是明視覺(jué)的最大光譜光效率函數(shù)。

3 嚴(yán)格和確切獲取S/P 是研究中間視覺(jué)的關(guān)鍵與中心

夜景照明與人類(lèi)中間視覺(jué)密切相關(guān)，在夜景照明和道路照明的光環(huán)境中，人類(lèi)視覺(jué)器官的錐狀細(xì)胞與桿狀細(xì)胞同時(shí)參與相應(yīng)的觀(guān)察與感知。目前國(guó)際上尚沒(méi)有中間視覺(jué)的定量數(shù)據(jù)與數(shù)學(xué)模式，本文提出用同一測(cè)試儀器1980A 分別測(cè)出明視覺(jué)和暗視覺(jué)的光度數(shù)據(jù)，以克服不同儀器帶來(lái)的誤差，為確切獲取S/P數(shù)據(jù)和建立中間視覺(jué)的數(shù)學(xué)模式奠定必要的基礎(chǔ)。

對(duì)不同光源的光譜分布P(λ)，可用暗視覺(jué)范圍的光譜光視效率V'(λ)分光迭加后得到暗視覺(jué)時(shí)的光通S(相對(duì))和用明視覺(jué)范圍的光譜光視效率V (λ)分光迭加后得到明視覺(jué)時(shí)的光通P(相對(duì))，為此，S/P能代表一個(gè)光源在暗視覺(jué)和明視覺(jué)下產(chǎn)生的光通之間的差異。

文章認(rèn)為最中心的問(wèn)題是確切和嚴(yán)格測(cè)出明視覺(jué)S 與暗視覺(jué)P，獲取S/P 數(shù)值，其中最關(guān)鍵是應(yīng)采用同一測(cè)試儀器分別測(cè)出人類(lèi)明視覺(jué)與暗視覺(jué)的定量數(shù)據(jù)，以克服儀器之間所帶來(lái)的差別。

1980A 彩色亮度計(jì)亮度測(cè)試范圍寬達(dá)10-4cd/m2到108cd/m2。

1980A 有兩組濾波器旋轉(zhuǎn)支架，每組可分別裝入七種濾波器，因此可以實(shí)現(xiàn)在一臺(tái)1980A 分別裝入明視覺(jué)濾光片PHOTOPIC 和夜視濾光片Scotopic(night vision)Filter，可以確切嚴(yán)格地實(shí)現(xiàn)測(cè)量相應(yīng)情況下人類(lèi)的明視覺(jué)和暗視覺(jué)并獲取S/P 數(shù)值，2010年v國(guó)際照明委員會(huì)正式出臺(tái)了基于視覺(jué)功效的中間視覺(jué)光度學(xué)推薦系統(tǒng)，這是一個(gè)重大的突破，對(duì)未來(lái)LED 道路照明的發(fā)展和推廣有著重要的意義。

同時(shí)能測(cè)量明視覺(jué)和暗視覺(jué)的彩色亮度計(jì)的測(cè)試結(jié)果將會(huì)有助于逐漸建立準(zhǔn)確的中間視覺(jué)評(píng)價(jià)體系。

1980A 彩色亮度計(jì)同時(shí)含夜視濾光片Scotopic(night vision)Filter measuring below 0.34 cd/m2，可以測(cè)量和研究相應(yīng)情況下人類(lèi)的視覺(jué)，我們可提供該儀器和各種類(lèi)型的技術(shù)服務(wù)。

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