新旧明视觉光谱光视效率曲线
2021-12-27原文迈克伍德编译
原文/[美]迈克·伍德 编译/施 端
(上海戏剧学院,上海 200040)
在众多的物理量中,光度量堪称是一朵奇葩。一般来说,只要是物理量,都有客观的度量标准,人人都用kg去测量质量、用m去测量长度,并对所测结果一致认同,而光度量则不然。一切数据均来自假想的“理想观察者”的视觉敏感度,旨在表征普通人的眼睛所看到的东西。
要客观地反映光能量,可去测量辐(射)通量(单位:W瓦特),但这是辐射度量,不是光度量。辐射度量只是反映了光能量,不考虑视觉效应,人眼和大脑是如何“解读”这些光能量的,它压根就不管。而一旦测量光照度(单位:lux勒克斯、fc呎烛光)、光通量(单位:lm流明)等光度量,就要知道标准人眼和大脑对光的敏感度是如何的,其实这是一个实验结果,涉及心理学、生理学和物理学等多个领域。
例如,有一台灯具发出大量的红外线或紫外线,但人眼看不见的话,根据定义,其光输出为0!红外线和紫外线均有功率输出,但两者均无光通量输出。此外,在早期的人眼视觉敏感度实验中,通常都假设光源的光谱是连续的,像白炽灯、太阳光那样。当今的测光表也都是在这个假设的基础上设计而成的。
1 光谱三刺激值曲线
读者一定见过这样的曲线吧(图1)。
图1 CIE 1931光谱三刺激值曲线
这些曲线是CIE 1931光谱三刺激值曲线,也叫做CIE 1931颜色匹配函数(CMF),是一套面向人眼视觉的模型。它们没有直接反映人眼对红光、绿光、蓝光(或长波、中波、短波)的视觉敏感度,而是建立一套数学模型,对人眼和大脑进行模仿。其实,人眼中的锥体细胞对不同波长的光的敏感度千差万别。可以这样说,这是视网膜和大脑对原始的感官信息进行处理后的结果。在图1中,名为y-bar()的绿色曲线也表征了人眼对亮度的敏感度:抛开光源的色彩特性,只考虑其明暗程度。它反映了人眼对不同波长的光具有不同的明亮感觉程度,这就是明视觉光谱光视效率曲线(明视觉光谱光视效率函数),常简称为明视觉曲线。1924年,CIE(Commission Internationale de l'Eclairage,国际照明委员会)发布了一项研究成果,1931 CMF中的这条明视觉曲线就是从这里来的(在暗视条件下,也有一条相应的曲线,叫做暗视觉曲线,当然这是题外话)。
2 明视觉曲线
1924明视觉光谱光视效率曲线V(λ)(下文简称CIE 1924曲线)是经实验统计分析后获得的,观察者以男性大学生为主。这是由CIE发布的一项国际标准,它表征了在明视条件下,普通人的眼睛对不同波长的光具有不同的光谱灵敏度。从此,CIE 1924曲线开始得到广泛应用,全世界的测光表都根据CIE 1924曲线来生产。标准挺好的,所以什么问题都没有了吗?维泽斯基(Wyszecki)和斯蒂尔斯(Stiles)在其所著的《色彩学》(Color Science)一书中,对光度、色度测量方法做出了开创性的研究,关于这条曲线,他们这样写道:
“作为标准,这条明视觉光谱光视效率曲线参考了大量的光度数据,这些数据来源广泛,实验方法也多种多样。各项研究成果所得数据被平均化了,其实在紫光段,这些数据相差10倍之多,因而存在诸多不确定因素。这条曲线大大低估了短波的光谱灵敏度。”
观察者不具有普遍性(绝大多数观察者都是年轻男性,女性、儿童和老人的视觉敏感度几乎没有体现出来),检测方法似乎也存在缺陷。1924年,检测工作困难重重,现如今,也没好到哪里去。抛开色彩特性,红光比绿光亮了多少,这要怎么比,报告要怎么写?在当年,要获得光谱两端的窄波段蓝光和红光,并使其处于可控状态,这事可不好办。这项标准的缺陷可谓显而易见,那凭什么用了那么久?自发布以来,已经走过90个年头,在当今的检测方法和统计手段下,这项工作肯定能得到进一步改善!
如今,一定能取得长足进步。不过,就算CIE 1924曲线有缺陷,这要放在过去,也不是个事。若光源的光谱是连续的,则CIE 1924曲线和相应的测光表完全够用,只有百分之几的误差。白炽灯拥有连续光谱,其蓝光、紫光含量也微乎其微,所以不存在这方面的问题。不过,对于窄波段LED光源来说,情况就变了。
3 窄波段LED光源
笔者在2008年写过一篇文章,谈到用不同的测光表来测量LED灯具,所测结果差距很大,RGB LED等混色灯具是重灾区。误差还真不小,在测量蓝光LED时发现,有时不同测光表的读数竟然相差10倍,甚至更高。有两点理由:其一,CIE 1924曲线大大低估了深蓝光的光谱灵敏度;其二,对测光表来说,蓝光几乎是不可见光,在这个波段内,存在很大误差。只要光源的光谱不连续,且含有很强的蓝光,这个问题就会或多或少暴露出来。比如,刚果蓝滤色片就有这个问题。色本上给出的刚果蓝滤色片的光谱透射率是很低的,而在舞台上看到的刚果蓝光总要亮得多,还比测光表测出来的要亮。
4 改进后的明视觉曲线
图2是一套新的CMF曲线,它发布于2007年,取代之前的1931 CMF曲线。
图2 CIE 2007光谱三刺激值曲线
可见,这3条曲线全都得到了修正。与之前相比,人眼对蓝光、红光的敏感度得到显著体现,对深蓝光的敏感度也得到进一步增强。多年来,涌现出许许多多的明视觉曲线V(λ)建议版本,它们都在CIE 1924曲线基础上取得了重大进步。最近,一个研究团队综合了很多最新研究成果,再结合已知的人眼生理结构,最终提出一项新的方案。CIE准备采用这条曲线,把它命名为CIE 2012,《ANSI E1.48-2014舞台、演播室灯光用明视觉光谱光视效率函数》推荐性标准(ANSI E1.48 - 2014, A Recommended Luminous Efficiency Function for Stage and Studio Luminaire Photometry)中给出了这条曲线。图3就是E1.48曲线与CIE 1924曲线。
图3 明视觉光谱光视效率曲线——CIE 1924与E1.48
可见,人眼对蓝光的光谱灵敏度得到显著体现。在450 nm单色蓝光处,新曲线下的光谱灵敏度是旧曲线的两倍。这更符合人眼真正感受到的亮度,深蓝光LED和刚果蓝光是完全可见的。
5 它会带来多大影响?
也许有人会问:好是好,但这不就是个理论吗?能给灯光实践带来多大影响呢?答:影响很大,深蓝光LED只是其中一个方面。笔者测量了几个实际光源,比较其在新旧两条曲线下的光通量(图4~图7),对于光照度,也是一样的。
图4 以红光LED为例进行比较
图5 以绿光LED为例进行比较
图6 以蓝光LED为例进行比较
图7 以荧光粉转换型白光LED为例进行比较
对于绿光LED来说,E1.48曲线下的光通量只比CIE 1924曲线多出2%,差距不大,在测光表所允许的误差范围内,所以无所谓。但对于红光,新曲线下的光通量要高出11%,对于蓝光,竟然高出47%。这可不是理论,这是人眼实实在在看到的光通量,时至今日,所测数据还是远低于实际数据。蓝光+黄色荧光粉的白光LED也未能幸免,E1.48曲线下的光通量要高出10%(译者注:图7中为8%)。要知道,人眼还是那双人眼、LED还是那个LED,是旧的CIE曲线和相应的测光表把蓝光低估了。究其原因,光度学不是一门精确的学科,它所依赖的数学模型是根据普通人的眼睛建立起来的,难免存在种种缺陷。要是测量LED的辐通量,读数始终保持一致,用不着明视觉曲线。辐通量是客观的物理量,而光通量不是(光通量与辐通量相对应)。
6 如何使用E1.48?
想让测光表厂家一夜之间转而采用CIE 2012 / ANSI E1.48明视觉曲线,这无异于天方夜谭。自CIE 1924曲线发布后,又陆续出现了许多这类曲线,但市场始终没有采用任何一条新曲线,那凭什么现在就会把曲线换掉呢?其实,几乎全世界的灯光行业都认为,CIE 1924曲线中的误差没有造成什么不利影响。除演艺灯光行业外,整个灯光行业差不多只用白光,测量白光时,误差很小。然而,演艺灯光行业特别喜欢用色光,对于蓝光的光谱灵敏度,误差翻了一番,这也太大了。
多希望数字式测光表能自带几条V(λ)曲线,以便用户选择想要的那一条。这点计算量真的微不足道,但笔者一定会为此拍手叫好。还有两种切实可行的方法。第一,先用光谱仪测量光源的辐射度量,再结合V(λ)曲线来算,Excel处理起来易如反掌。当然,光谱仪用起来不如测光表来得方便,好在最近市面上出现了几款体积小巧的便携式光谱仪,这样用起来就方便多了。图8是笔者使用的一款光谱仪。第二,用户可以要求灯光厂家提供基于ANSI E1.48 V(λ)曲线的光度数据,这一点至关重要,对于固态光源,更要这么做。反正,厂家是用光谱仪来测量的,提供这些数据的话,应该没什么大问题。
无论如何,CIE 1924曲线再用几年肯定不成问题,所以用起来要留个心眼,要用慧眼去识破它。每当用这样的测光表去测量窄波段LED,比如高饱和度的色光LED,就要提醒自己,读数偏低了,弄不好还大大偏低,尤其是深蓝光LED,要格外当心。本文反复强调,光度量不是客观的物理量,但只要测光表采用ANSI E1.48曲线,这个问题就会得到大幅改观。