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1、城市照明与中间视觉倪孟麟 杨惠琴 郭姝蓉（天津光电星球显示设备有限公司）摘摘 要：要： 城市照明与道路照明和人类中间视觉密切相关，人类视觉器官的锥体细胞与杆体细胞同时参与相应的观察与感知。目前国际上还没有中间视觉的定量数据与数学模式，本文提出用同一测试仪器 1980A 彩色亮度计分别测出明视觉暗视觉的光度数据，以为确切获取 S/P 数据和建立中间视觉的数学模式奠定必要的基础。关键词：关键词：中间视觉 杆体细胞 锥体细胞 明视觉滤光片 暗视觉滤光片 1980A 彩色亮度计1.前言本文提出在城市照明与道路照明中必须同时测出人类的明视觉和暗视觉并研究中间视觉。明视觉状态下，人眼的锥状细胞起主导作用，
2、对波长为555nm的黄绿光最敏感；暗视觉环境下，人眼的杆状细胞发挥作用，对波长为507nm的蓝绿光最敏感。夜景照明和道路照明在有些情况下属于中间视觉，两种视觉细胞同时感知，对波长为 507555nm 范围的绿光最敏感。但目前国际上尚没有中间视觉的定量数据与数学模式，用同一测试仪器 1980A 彩色亮度计可分别测出明视觉暗视觉的光度数据，为确切获取 S/P 数据和建立中间视觉的数学模式奠定必要的基础。2 人类的明视觉与暗视觉2.1 锥状细胞和杆状细胞图 1是人眼视网膜上锥状细胞和杆状细胞的形状图。从图 1 可以看出：视网膜可以粗略的分为三层，最外层是锥状细胞和杆状细胞。这两种细胞是以它们的形状命
3、名的，图中 D、E、F、G 是锥状细胞系统；A、B、C 是杆状细胞系统，H 是锥状细胞与杆状细胞的混合系统。锥状细胞 b 和杆状细胞 a 的末端靠近脉络膜，它们位于视网膜的最后层。光线由角膜进入眼球至视网膜，先通过视网膜的其它层次，最后才到达杆状细胞和锥状细胞。第二层为双极细胞（d、e、f、h）和其它细胞，杆状细胞和锥状细胞都与双极细胞连结。一般来说，每一个锥状细胞都与一个双极细胞相连接。这是为了在光亮条件下，每一个锥状细胞作为一个单元，能够精细地分辨外界景象的细节。而杆状细胞则不同，几个杆状细胞只连结一双极细胞。这是为了在黑暗条件下通过几个杆状细胞对外界的微弱光起总合作用。第三层是最内层，主
4、要含有神经节细胞（m、s）神经节细胞与视神经相连接。图 1 杆状细胞与椎状细胞形状图人眼的锥状细胞的长度大约为 0.025 mm0.0075mm，杆状细胞比锥状细胞长，其长度大约为 0.04 mm0.06mm，平均直径只有 0.002mm。在视网膜中央的黄斑区部位和中央窝大约 30视角范围内主要是锥状细胞，几乎没有杆状细胞。在黄斑区之外，杆体细胞逐渐增多，而锥体细胞大量减小。从图 1.可以看出：越靠近视网膜边缘部分，杆状细胞越多。杆状细胞的灵敏度极高，在低照度下，主要靠它来辨别明暗，但对彩色不敏感，主要确定人眼的暗视觉特性；越靠近视网膜中心部分，锥状细胞越密，它既能辨别光的强弱，又能辨别颜色，
5、主要确定人眼的明视觉特性，白天视觉过程主要由锥状细胞完成；夜晚的视觉过程主要由杆状细胞起作用，所以人们在夜晚只能看到黑白画面，无法辨别颜色。这些光敏细胞都与视神经末梢相连接。视神经汇集到视网膜上一点，然后通向大脑，完成视觉作用。科学工作者奥斯特伯格（G Osterberg）曾以视网膜的 164 个代表区为取样区，计算了锥状细胞与杆状细胞的分布情况，发现人眼视网膜大约有 650 万个锥状细胞和 1 亿个杆状细胞，视网膜的中央窝每平方毫米有 14 万16 万个锥状细胞。离开中央窝，椎状细胞急剧减少，而杆状细胞急剧增多，在离开中央窝200的地方，杆状细胞的数量最多，这就是人眼对中心和边缘图像具有不同
6、分辨力的原因。2.2 明视觉特性与暗视觉特性现代物理学认为：光是属于一定波长的电磁辐射，电磁辐射的范围很广，可见光的光谱范围在 380nm780nm 之间，即只有在这一范围内的电磁辐射才能够引起人眼的视觉感受。在可见光的范围内，不同波长的电磁辐射引起人眼的不同颜色感觉。例如700nm 为红色，580nm 为黄色，510nm 为绿色，470nm 为蓝色。光的颜色决定于进入人眼的可见光谱不同波长的辐射的相对功率分布。上述单一波长的光表现为一种颜色，称为单色光。大量实验证明：人眼对不同的波长具有不同的灵敏度，引起杆状细胞与锥状细胞的相对能量，可以看出：人眼对杆状细胞与锥状细胞的最大感受在光波的不同部
7、位；杆状细胞决定人眼的暗视觉特性，它在 510nm（蓝绿色）时具有最低相对辐射能量，即波长为 510nm 处具有最高灵敏度；锥状细胞决定人眼的明视觉特性，它在波长为 555nm（黄绿色）处具有最高灵敏度；在 400nm 和 700nm 处明视觉特性具有最低灵敏度。1924 年国际照明委员会（Commission Internationale de l，Eclairage，简称 CIE）规定了明视觉特性曲线，1951 年规定了暗视觉曲线，两种视觉特性见图2。CIE 明视觉特性和暗视觉特性在色度学中分别称为“CIE 明视觉标准光度观察者”和“CIE 暗视觉标准光度观察者” ，它们代表光谱不同波长的
8、能量对人眼产生光感觉的效率，虽然两条曲线的明亮度相差很大，但为了方便使用，CIE 将两条曲线进行了归一化处理（logVmax=logK=0） ，使明视觉函数和暗视觉函数均成为相对值。用公式表示，即在引起明亮感相等的条件下：V（）= （1） m式中：m和 分别为波长 m和 的辐射通量。CIE 正式推荐的明视觉光谱光效率曲线V（）和暗视觉光谱光效率曲线V，（）是将原 CIE 1924 明视觉曲线和 CIE 1951 暗视觉曲线修匀后用算术坐标表示，成为两条近似对称的圆钟形曲线，见图 2；V（）和 V，（）的函数，数据见表 1。图 2 明视觉和暗视觉的光谱光效率表 1 明视觉与暗视觉的光谱光效率函数
9、（最大值为 1）波长（nm）明视觉V（）暗视觉V，（）波长（nm）明视觉V（）暗视觉V，（）3800.000040.0005895900.7570.06553900.000120.0022096000.6310.033154000.00040.009296100.5030.015934100.00120.034846200.3810.007374200.00400.09666300.2650.0033354300.01160.19986400.1750.0014974400.0230.32816500.1070.0006774500.0380.4556600.0610.00031294600.
10、0600.5676700.0320.00014804700.0910.6766800.0170.00007154800.1390.7936900.00820.000035334900.2080.9047000.00410.000017805000.3230.9827100.00210.000009145100.5030.9977200.001050.000004785200.7100.9357300.000520.0000025465300.8620.8117400.000250.0000013795400.9540.6507500.000120.0000007605500.9950.4817
11、600.000060.0000004255600.9950.32887700.000030.00000024135700.9520.20767800.0000150.00000013905800.8700.1212在图 2 中，V（）和 V，（）的相对值代表等能光谱波长 的单色辐射所引起的明亮感觉的程度，明视觉曲线 V（）的最大值在 555nm 处，即光谱555nm 波长的黄绿色最明亮，越向光谱两端的光愈来愈暗；暗视觉曲线 V，（）的最大值在 507nm 处，即 507nm 波长的光谱最明亮。整个暗视觉曲线 V，（）相对于明视觉曲线 V（）向短波方向推移，长波端的能见范围减小，短波端的能见范围
12、略有扩大。暗视觉曲线 V，（）的形状主要决定于杆状细胞的视觉特性，适用于 0.001cd/m2以下的亮度水平；明视觉曲线 V（）的形状主要决定于锥状细胞的视觉特性，适用于 1cd/m2以上的亮度水平。在明视觉和暗视觉之间的亮度称为中间视觉。中间视觉既有锥状细胞参与，也有杆状细胞参与。在明视觉条件下观察大面积表面时（100视场角） ，多少也有杆状细胞参与，因此明视觉特性略有变动。CIE 明视觉光谱光效率特性函数和暗视觉光谱光效率特性函数是光学计算的重要依据，1933 年国际计量委员会采用 CIE 明视觉光谱光效率特性函数 V（）作为光学计量的标准。在黑暗观测条件下，CIE 推荐暗视觉光谱光效率特
13、性函数V，（） 。明视觉光谱光效率特性函数 V（）又称为“国际标准眼” 。光源的某些波长不在人眼的光谱光效率特性函数 V（）之内，人眼是无法感觉的，例如红外光、紫外光等，其光谱光效率等于零。在人眼可以感觉的部分，人眼对各个波长光的感觉也不同，因而按照 CIE 标准光度观察者的视觉特性V（）和 V，（）来评价的辐通量e即为光通量v，辐通量与光通量的关系为：对于明视觉：v=Km （2）dVe)(780380,对于暗视觉：，v=K，mV，（）d （3）780380,e式中：Km是明视觉的最大光谱光效率函数。由于人眼的光谱光效率特性函数V（）是光学测量的国际标准，光学测量中光接收元件的光谱光效率特性必
14、须符合人眼的光谱光效率特性函数V（），例如照度计的硒光电池，必须通过校正滤色片，使仪器的光谱灵敏度符合人眼的光谱光效率特性函数V（），这就是对接收器进行“人眼校正”或“颜色校正。仪器接收器的光谱灵敏度曲线与人眼的光谱光效率特性函数V（）越接近，测量精度越高。3 严格和确切获取 S/P 是研究中间视觉的关键与中心夜景照明与人类中间视觉密切相关，在夜景照明和道路照明的光环境中，人类视觉器官的锥体细胞与杆体细胞同时参与相应的观察与感知。目前国际上尚没有中间视觉的定量数据与数学模式，本文提出用同一测试仪器 1980A 分别测出锥体细胞和感体细胞的光度数据，以为确切获取 S/P 数据和建立中间视觉的数学
15、模式奠定必要的基础。本文认为最关键最中心的问题是应确切和严格测出明视觉 S 与暗视觉 P，获取 S/P 数值；应采用同一测试仪器分别测出人类明视觉与暗视觉的定量数据，以克服仪器之间所带来的差别。1980 彩色亮度计亮度测试范围宽达 10-4cd/m2到108/cd2，1980A 有两组滤波器旋转支架，每组可分别装入七种滤波器，因此可以实现在一台 1980A 分别装入明视觉滤光片 PHOTOPIC 和夜视滤光片Scotopic(night vision) Filter ，可以实现分别测量和研究相应情况下人类的明视觉和暗视觉并获取 S/P 数值，2010 年国际照明委员会正式出台了基于视觉功效的中间视觉光度学推荐系统，这是一个重大的突破，对未来 LED 道路照明的发展和推广有着重要的意义；同时能测量明视觉和暗视觉的彩色亮度计的测试结果将会有助于逐渐建立中间视觉评价体系。参 考 文 献1 荆其诚等.色度学.科学出版社.2 倪孟麟.科研专著：彩色电视的彩色还原（一） （二）.电视技术通讯 专刊. 3 肖辉乾.目前城市夜景照明中值得注意的几个问题.照明工程学报.4 安永成. 数字电视平板电视中的色度学.
