CIE新發布的關于中間視覺應用的兩項技術備注文件分析

李曉妮，黃 艷，劉騰海，李 倩

(杭州遠方光電信息股份有限公司，浙江 杭州 310053)

CIE新發布的關于中間視覺應用的兩項技術備注文件分析

李曉妮，黃 艷，劉騰海，李 倩

(杭州遠方光電信息股份有限公司，浙江 杭州 310053)

CIE TC2—65新發布了兩項技術備注文件，分別針對中間視覺光度量值和照明應用產品的性能表征給出了指導。本文重點介紹了這兩項技術備注文件的主要內容，并基于此，給出了道路照明中間視覺光度學的測量解決方案以及舉例分析，供業內人士參考。

中間視覺；術語和單位；性能表征；測量方案

引言

照明產品的光度性能往往通過明視覺量值給出，然而，許多照明產品的應用環境亮度較低，例如夜晚道路和住宅區域。此時，視覺適應常落在中間視覺區域(0.005 cd/m2～5 cd/m2)，用明視覺量值表示的產品性能參數與實際真正的視覺效果會存在很大的差異。CIE最近發表了兩項技術備注文件(TN)，分別針對中間視覺光度量值和照明應用產品的性能表征給出了指導[1-2]。

這兩項技術備注文件分別為：①CIE TN 004:2016 The Use of Terms and Units in Photometry — Implementation of the CIE System for Mesopic Photometry (光度學中的術語和單位——CIE中間視覺光度系統的應用);②CIE TN 005:2016 Specifying Product Performance for Mesopic Applications (中間視覺應用下的產品性能指標)。

這兩個文件均由CIE 第二分部即光輻射測量分部的TC 2-65技術委員會起草，反映了當前CIE在這一領域的知識和經驗。作為技術備注，這兩個文件都是資料性的，并非強制執行。

1 中間視覺的光視效率函數

根據CIE 191—2010，中間視覺的光譜光視效率函數Vmes;m(λ)在明視覺V(λ)和暗視覺V′(λ)之間變化，由下式給出：

M(m)Vmes;m(λ)=mV(λ)+(1-m)V′(λ);

其中，適應系數m由視覺適應場的明視覺亮度和光譜特性(暗視覺和明視覺比值S/P)確定；M(m)是歸一化因子，使Vmes;m(λ)最大值為1。視覺適應場亮度≥5 cd/m2時，m值為1；視覺適應場亮度≤0.005 cd/m2，則m值為0；如圖1所示。

圖1 不同適應系數m下的光譜發光效率函數Vmes;m(λ)Fig.1 Spectral luminous efficiency functions Vmes;m(λ) for various values of the adaptation coefficient,m

在明視覺下，V(λ)最大值出現在555 nm波長位置，其發光效率為683 lm/W。而在中間視覺中，對于給定適應系數m，Vmes;m(λ)最大處的發光效率Kmes;m如圖2所示，它可從m=1時的683 lm/W(明視覺)向m=0時的1 700 lm/W(暗視覺)變化。

圖2 中間視覺下的最大光譜光視效能Kmes;m隨適應系數m的變化Fig.2 Maximum mesopic luminous efficacy Kmes;m as a function of the adaptation coefficient,m

2 光度量值和單位

根據CIE TN 004:2016，對于各種光度系統，所使用的光視效率加權函數必須使用以下原則加以注明：

明視覺光度值，使用下標v表示使用V(λ)函數加權的量值，例如Iv。

暗視覺光度值，符號′與下標v一起使用表示使用了V′(λ)函數，例如Iv′。

對于使用其它標準光視效率函數Vs(λ)進行加權的量值，下標s與對應的量值符號一起使用，如Is；例如，用CIE 10°標準觀察函數V10(λ)加權的發光強度可用I10表示。

對于CIE中間視覺光度值，下標mes必須與其后的分號和適應系數m一同使用，例如，Imes;0.2指使用適應系數m=0.2的中間視覺的發光強度。

表1給出了部分光度量值的示例。

表1 部分光度量值以及相應的符號和光譜光視效率函數

表2 光度量值的文字描述和符號舉例

根據CIE TN 004:2016，相關光度量值的單位與所使用的光視效率函數無關，僅與測量幾何有關。也即，“明視覺”，“暗視覺”或“中間視覺”等詞不能與光度單位一起使用，但可以用來描述或定義光度量值。例如明視覺光通量Φv和中間視覺的光通量Φmes;m，單位均為流明。一般如果沒有給定描述詞，默認為明視覺條件下的量值。

3 道路照明產品的中間視覺量值應用說明

夜晚道路和住宅區域的視覺適應常落在中間視覺區域(亮度范圍為0.005 cd/m2～5 cd/m2)，用明視覺光度量值表示的產品性能參數與實際真正的視覺效果會存在很大的差異。CIE TN 005-2016對此類照明產品的性能表征給出了指導意見。

人眼特性是隨視覺適應條件而發生變化的，因此雖然燈的輻射通量這一絕對物理量保持不變，但在不同的適應場亮度下，使用的加權函數不同，計算同一盞燈得到的光通量值卻并不相同。因此，不建議使用中間視覺量值表示產品的規格信息，而是推薦給出產品的明視覺光度量值和S/P值(符號Rsp)。

4 中間視覺應用的補充信息

CIE TN 005:2016推薦使用中間視覺增強因子Fmes(Lv,adapt；Rsp)作為補充信息，以便人們更好地了解產品性能。其中，Lv,adapt為明視覺適應亮度，Rsp為適應場的S/P比率。例如，明視覺亮度為0.100 cd/m2，S/P比率為2.00的光源，根據CIE 191計算，其適應系數m為0.473，適應場的中間視覺亮度為0.131 cd/m2，中間視覺增強因子Fmes(0.100；2.00)為1.31；利用該光源提供0.300 cd/m2的明視覺適應亮度時，那么其適應系數、中間視覺亮度和中間視覺增強因子分別為0.619、0.360 cd/m2和1.20。

道路照明標準中，一般針對不同區域規定了明視覺亮度(例如，CIE 115中規定了0.010 cd/m2，0.030 cd/m2，0.100 cd/m2，0.300 cd/m2，1.00 cd/m2以及3.00 cd/m2等亮度值。可以按照表3給出相應的中間視覺增強因子Fmes(Lv,adapt;Rsp)。

中間視覺增強因子只適用于照明產品，而對于直接觀察的對象，如交通信號燈、緊急指示燈等產品，由于此時僅視網膜中間凹區域起作用，只需提供明視覺光度量值。

需要說明的是，中間視覺增強因子越大，其中間視覺的光度值相對明視覺要增強很多，同時，也會增加眩光的風險，因此，需要在產品規范中綜合考慮，CIE TC 4-33正在做這方面的研究工作，為將來光源的選擇應用提供更全面的指導[3]。

5 中間視覺光度量的測量分析

實際的中間視覺光度測量還有很多問題待解決，例如：如何確定適應視場？哪些應用涉及中間視覺量值等等。CIE JTC1以及JTC2還在做進一步的研究，有望在將來推出更進一步的標準或技術報告。

表3 中間視覺下的照明產品的補充信息推薦表示方法(明視覺光通量為1 000 lm，S/P比率為2.00)

圖3 中間視覺增強因子與適應亮度的關系示意圖(明視覺光通量為1 000 lm，S/P比率為2.00)Fig.4 Graphical presentation of information on products intended for illumination purposes in the mesopic region (example for product with photopic luminous flux of 1 000 lm and S/P ratio of 2.0)

目前，對照明現場尤其是道路照明和人行道照明的中間視覺亮度測量是學界普遍認為最有意義的測量，而針對課題，杭州遠方光電也作了大量研究工作，相關論文應邀在CIE大會上作了報告，我們分析了中間視覺下的光度量值表征和計算問題，并提出了具有高測量精度的道路照明測量新方案[4]，現簡單介紹如下：

首先是量值表征問題，在實際駕駛中，司機對道路的觀察確實是視網膜外圍區域的細胞作用為主，而非中央凹區域，此時視錐細胞和視桿細胞同時作用，中間視覺的條件成立。基于原先的道路照明標準，采用中間視覺亮度Lave,mes和亮度均勻性Umes評價道路照明更為客觀合理。

適應場的明視覺亮度用成像亮度的方法獲取并不困難，但其S/P值測量卻相對復雜。Rsp并不僅僅取決于光源的光譜，它與路面的反射率以及周圍其他光源的影響也密切相關。雖然道路面都為中性灰，但是其光譜反射率是具有波長選擇性的，如圖4所示為典型混泥土路面和瀝青路面的光譜反射率曲線；這一點也已經引起了CIE的強烈關注和普遍共識。

圖4 混泥土和瀝青路面的光譜反射率分布Fig.4 Spectral reflectance of concrete and asphalt

遠方的分析計算表明，當光源S/P較高、路面的明視覺亮度Lp較低時，是否考慮路面反射率對最終的適應系數和中間視覺亮度的影響尤為明顯，因此在實際的中間視覺亮度測量中，必須測量道路表面的光譜輻亮度，以獲得正確的S/P和最終的Lave,mes。

基于以上分析的結果，遠方光電提出了一種道路照明中間視覺測量新方案—光譜圖像亮度計(SIRC)方法，如圖5所示。光譜圖像亮度計汲取傳統成像亮度計和光譜輻射計的優點，避免了成像亮度計的光譜失匹配以及光譜輻射計的效率低問題，通過雙CCD設計，一次成像就可得到指定道路照明區域內各點的亮度和瞄準點的光譜輻亮度，并能快速分析計算出所需的Lave,mes和亮度均勻性Umes，整個測量簡便而精確，不僅可用于中間視覺光度學的研究，還可應用于照明產品的實際設計之中。

圖5 光譜圖像亮度計測量原理及其典型儀器Fig.5 Theory and typical equipment of spectral image radiance colorimeter

圖6所示為采用遠方的光譜圖像亮度計對道路照明的中間視覺光度值進行了測量分析的典型界面。

圖6 中間視覺亮度分析界面Fig.6 The evaluation part for mesopic luminance analysis

6 總結

隨著CIE 191—2010的發布，關于中間視覺光度學的研究也引起了國內外的廣泛關注。本文基于CIE最新發布的中間視覺技術備注文件，主要介紹了中間視覺光度學的術語和單位以及應用產品的性能表征方法等。道路照明是中間光度學的重要應用之一，本文基于遠方光電在此方面所作的大量研究工作，對道路照明中中間視覺光度量值的表征和計算問題進行了分析，結果表明在實際的中間視覺亮度測量中，必須測量道路表面的光譜輻亮度，才可獲得正確的表征結果。文中也提出了一種用于道路照明的高精度測量新方案—光譜圖像亮度計(SIRC)法，完全滿足中間視覺光度學的研究要求。

[1] The use of terms and units in photometry-implementation of the CIE system for Mesopic photometry：CIE TC2-65(1).

[2] Specifying product performance for mesopic application：CIE TC2-65(2).

[3] Discomfort Glare and Road Lighting：CIE TC 4-33.

[4] LAU S, LI Q, HUANG Y, et al. A New Measurement Solution for Mesopic Photometry of Road Lighting:CIE x042:2016.

Analysis of the Two Technical Notes for the Application of Mesopic Photometry Issued by CIE

LI Xiaoni, HUANG Yan, LIU Tenghai, LI Qian

(EVERFINEInstituteofOptoelectronics,Hangzhou310053,China)

Recently, CIE TC2—65 published two technical notes, which provide guidance on the implementation of the CIE system for mesopic photometry. This paper introduces the main contents of these two technical notes, and provide a typical measurement solution of mesopic photometry in road lighting as well asexample analysis for professional reference.

mesopic photometry; terms and units; performance characterization; measurement solution

O432

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.02.018