CIE新發(fā)布的關(guān)于中間視覺(jué)應(yīng)用的兩項(xiàng)技術(shù)備注文件分析

李曉妮，黃 艷，劉騰海，李 倩

(杭州遠(yuǎn)方光電信息股份有限公司，浙江 杭州 310053)

CIE新發(fā)布的關(guān)于中間視覺(jué)應(yīng)用的兩項(xiàng)技術(shù)備注文件分析

李曉妮，黃 艷，劉騰海，李 倩

(杭州遠(yuǎn)方光電信息股份有限公司，浙江 杭州 310053)

CIE TC2—65新發(fā)布了兩項(xiàng)技術(shù)備注文件，分別針對(duì)中間視覺(jué)光度量值和照明應(yīng)用產(chǎn)品的性能表征給出了指導(dǎo)。本文重點(diǎn)介紹了這兩項(xiàng)技術(shù)備注文件的主要內(nèi)容，并基于此，給出了道路照明中間視覺(jué)光度學(xué)的測(cè)量解決方案以及舉例分析，供業(yè)內(nèi)人士參考。

中間視覺(jué)；術(shù)語(yǔ)和單位；性能表征；測(cè)量方案

引言

照明產(chǎn)品的光度性能往往通過(guò)明視覺(jué)量值給出，然而，許多照明產(chǎn)品的應(yīng)用環(huán)境亮度較低，例如夜晚道路和住宅區(qū)域。此時(shí)，視覺(jué)適應(yīng)常落在中間視覺(jué)區(qū)域(0.005 cd/m2～5 cd/m2)，用明視覺(jué)量值表示的產(chǎn)品性能參數(shù)與實(shí)際真正的視覺(jué)效果會(huì)存在很大的差異。CIE最近發(fā)表了兩項(xiàng)技術(shù)備注文件(TN)，分別針對(duì)中間視覺(jué)光度量值和照明應(yīng)用產(chǎn)品的性能表征給出了指導(dǎo)[1-2]。

這兩項(xiàng)技術(shù)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(xué)中的術(shù)語(yǔ)和單位——CIE中間視覺(jué)光度系統(tǒng)的應(yīng)用);②CIE TN 005:2016 Specifying Product Performance for Mesopic Applications (中間視覺(jué)應(yīng)用下的產(chǎn)品性能指標(biāo))。

這兩個(gè)文件均由CIE 第二分部即光輻射測(cè)量分部的TC 2-65技術(shù)委員會(huì)起草，反映了當(dāng)前CIE在這一領(lǐng)域的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。作為技術(shù)備注，這兩個(gè)文件都是資料性的，并非強(qiáng)制執(zhí)行。

1 中間視覺(jué)的光視效率函數(shù)

根據(jù)CIE 191—2010，中間視覺(jué)的光譜光視效率函數(shù)Vmes;m(λ)在明視覺(jué)V(λ)和暗視覺(jué)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(yīng)系數(shù)m由視覺(jué)適應(yīng)場(chǎng)的明視覺(jué)亮度和光譜特性(暗視覺(jué)和明視覺(jué)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(jué)適應(yīng)場(chǎng)亮度≥5 cd/m2時(shí)，m值為1；視覺(jué)適應(yīng)場(chǎng)亮度≤0.005 cd/m2，則m值為0；如圖1所示。

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

在明視覺(jué)下，V(λ)最大值出現(xiàn)在555 nm波長(zhǎng)位置，其發(fā)光效率為683 lm/W。而在中間視覺(jué)中，對(duì)于給定適應(yīng)系數(shù)m，Vmes;m(λ)最大處的發(fā)光效率Kmes;m如圖2所示，它可從m=1時(shí)的683 lm/W(明視覺(jué))向m=0時(shí)的1 700 lm/W(暗視覺(jué))變化。

圖2 中間視覺(jué)下的最大光譜光視效能Kmes;m隨適應(yīng)系數(shù)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(jù)CIE TN 004:2016，對(duì)于各種光度系統(tǒng)，所使用的光視效率加權(quán)函數(shù)必須使用以下原則加以注明：

明視覺(jué)光度值，使用下標(biāo)v表示使用V(λ)函數(shù)加權(quán)的量值，例如Iv。

暗視覺(jué)光度值，符號(hào)′與下標(biāo)v一起使用表示使用了V′(λ)函數(shù)，例如Iv′。

對(duì)于使用其它標(biāo)準(zhǔn)光視效率函數(shù)Vs(λ)進(jìn)行加權(quán)的量值，下標(biāo)s與對(duì)應(yīng)的量值符號(hào)一起使用，如Is；例如，用CIE 10°標(biāo)準(zhǔn)觀察函數(shù)V10(λ)加權(quán)的發(fā)光強(qiáng)度可用I10表示。

對(duì)于CIE中間視覺(jué)光度值，下標(biāo)mes必須與其后的分號(hào)和適應(yīng)系數(shù)m一同使用，例如，Imes;0.2指使用適應(yīng)系數(shù)m=0.2的中間視覺(jué)的發(fā)光強(qiáng)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(yīng)的符號(hào)和光譜光視效率函數(shù)

表2 光度量值的文字描述和符號(hào)舉例

根據(jù)CIE TN 004:2016，相關(guān)光度量值的單位與所使用的光視效率函數(shù)無(wú)關(guān)，僅與測(cè)量幾何有關(guān)。也即，“明視覺(jué)”，“暗視覺(jué)”或“中間視覺(jué)”等詞不能與光度單位一起使用，但可以用來(lái)描述或定義光度量值。例如明視覺(jué)光通量Φv和中間視覺(jué)的光通量Φmes;m，單位均為流明。一般如果沒(méi)有給定描述詞，默認(rèn)為明視覺(jué)條件下的量值。

3 道路照明產(chǎn)品的中間視覺(jué)量值應(yīng)用說(shuō)明

夜晚道路和住宅區(qū)域的視覺(jué)適應(yīng)常落在中間視覺(jué)區(qū)域(亮度范圍為0.005 cd/m2～5 cd/m2)，用明視覺(jué)光度量值表示的產(chǎn)品性能參數(shù)與實(shí)際真正的視覺(jué)效果會(huì)存在很大的差異。CIE TN 005-2016對(duì)此類照明產(chǎn)品的性能表征給出了指導(dǎo)意見(jiàn)。

人眼特性是隨視覺(jué)適應(yīng)條件而發(fā)生變化的，因此雖然燈的輻射通量這一絕對(duì)物理量保持不變，但在不同的適應(yīng)場(chǎng)亮度下，使用的加權(quán)函數(shù)不同，計(jì)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(jué)量值表示產(chǎn)品的規(guī)格信息，而是推薦給出產(chǎn)品的明視覺(jué)光度量值和S/P值(符號(hào)Rsp)。

4 中間視覺(jué)應(yīng)用的補(bǔ)充信息

CIE TN 005:2016推薦使用中間視覺(jué)增強(qiáng)因子Fmes(Lv,adapt；Rsp)作為補(bǔ)充信息，以便人們更好地了解產(chǎn)品性能。其中，Lv,adapt為明視覺(jué)適應(yīng)亮度，Rsp為適應(yīng)場(chǎng)的S/P比率。例如，明視覺(jué)亮度為0.100 cd/m2，S/P比率為2.00的光源，根據(jù)CIE 191計(jì)算，其適應(yīng)系數(shù)m為0.473，適應(yīng)場(chǎng)的中間視覺(jué)亮度為0.131 cd/m2，中間視覺(jué)增強(qiáng)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(jué)適應(yīng)亮度時(shí)，那么其適應(yīng)系數(shù)、中間視覺(jué)亮度和中間視覺(jué)增強(qiáng)因子分別為0.619、0.360 cd/m2和1.20。

道路照明標(biāo)準(zhǔn)中，一般針對(duì)不同區(qū)域規(guī)定了明視覺(jué)亮度(例如，CIE 115中規(guī)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?？梢园凑毡?給出相應(yīng)的中間視覺(jué)增強(qiáng)因子Fmes(Lv,adapt;Rsp)。

中間視覺(jué)增強(qiáng)因子只適用于照明產(chǎn)品，而對(duì)于直接觀察的對(duì)象，如交通信號(hào)燈、緊急指示燈等產(chǎn)品，由于此時(shí)僅視網(wǎng)膜中間凹區(qū)域起作用，只需提供明視覺(jué)光度量值。

需要說(shuō)明的是，中間視覺(jué)增強(qiáng)因子越大，其中間視覺(jué)的光度值相對(duì)明視覺(jué)要增強(qiáng)很多，同時(shí)，也會(huì)增加眩光的風(fēng)險(xiǎn)，因此，需要在產(chǎn)品規(guī)范中綜合考慮，CIE TC 4-33正在做這方面的研究工作，為將來(lái)光源的選擇應(yīng)用提供更全面的指導(dǎo)[3]。

5 中間視覺(jué)光度量的測(cè)量分析

實(shí)際的中間視覺(jué)光度測(cè)量還有很多問(wèn)題待解決，例如：如何確定適應(yīng)視場(chǎng)？哪些應(yīng)用涉及中間視覺(jué)量值等等。CIE JTC1以及JTC2還在做進(jìn)一步的研究，有望在將來(lái)推出更進(jìn)一步的標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)報(bào)告。

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

圖3 中間視覺(jué)增強(qiáng)因子與適應(yīng)亮度的關(guān)系示意圖(明視覺(jué)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(duì)照明現(xiàn)場(chǎng)尤其是道路照明和人行道照明的中間視覺(jué)亮度測(cè)量是學(xué)界普遍認(rèn)為最有意義的測(cè)量，而針對(duì)課題，杭州遠(yuǎn)方光電也作了大量研究工作，相關(guān)論文應(yīng)邀在CIE大會(huì)上作了報(bào)告，我們分析了中間視覺(jué)下的光度量值表征和計(jì)算問(wèn)題，并提出了具有高測(cè)量精度的道路照明測(cè)量新方案[4]，現(xiàn)簡(jiǎn)單介紹如下：

首先是量值表征問(wèn)題，在實(shí)際駕駛中，司機(jī)對(duì)道路的觀察確實(shí)是視網(wǎng)膜外圍區(qū)域的細(xì)胞作用為主，而非中央凹區(qū)域，此時(shí)視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞同時(shí)作用，中間視覺(jué)的條件成立。基于原先的道路照明標(biāo)準(zhǔn)，采用中間視覺(jué)亮度Lave,mes和亮度均勻性Umes評(píng)價(jià)道路照明更為客觀合理。

適應(yīng)場(chǎng)的明視覺(jué)亮度用成像亮度的方法獲取并不困難，但其S/P值測(cè)量卻相對(duì)復(fù)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(guān)。雖然道路面都為中性灰，但是其光譜反射率是具有波長(zhǎng)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(diǎn)也已經(jīng)引起了CIE的強(qiáng)烈關(guān)注和普遍共識(shí)。

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(yuǎn)方的分析計(jì)算表明，當(dāng)光源S/P較高、路面的明視覺(jué)亮度Lp較低時(shí)，是否考慮路面反射率對(duì)最終的適應(yīng)系數(shù)和中間視覺(jué)亮度的影響尤為明顯，因此在實(shí)際的中間視覺(jué)亮度測(cè)量中，必須測(cè)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(jié)果，遠(yuǎn)方光電提出了一種道路照明中間視覺(jué)測(cè)量新方案—光譜圖像亮度計(jì)(SIRC)方法，如圖5所示。光譜圖像亮度計(jì)汲取傳統(tǒng)成像亮度計(jì)和光譜輻射計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，避免了成像亮度計(jì)的光譜失匹配以及光譜輻射計(jì)的效率低問(wèn)題，通過(guò)雙CCD設(shè)計(jì)，一次成像就可得到指定道路照明區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的亮度和瞄準(zhǔn)點(diǎn)的光譜輻亮度，并能快速分析計(jì)算出所需的Lave,mes和亮度均勻性Umes，整個(gè)測(cè)量簡(jiǎn)便而精確，不僅可用于中間視覺(jué)光度學(xué)的研究，還可應(yīng)用于照明產(chǎn)品的實(shí)際設(shè)計(jì)之中。

圖5 光譜圖像亮度計(jì)測(cè)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(yuǎn)方的光譜圖像亮度計(jì)對(duì)道路照明的中間視覺(jué)光度值進(jìn)行了測(cè)量分析的典型界面。

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

6 總結(jié)

隨著CIE 191—2010的發(fā)布，關(guān)于中間視覺(jué)光度學(xué)的研究也引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。本文基于CIE最新發(fā)布的中間視覺(jué)技術(shù)備注文件，主要介紹了中間視覺(jué)光度學(xué)的術(shù)語(yǔ)和單位以及應(yīng)用產(chǎn)品的性能表征方法等。道路照明是中間光度學(xué)的重要應(yīng)用之一，本文基于遠(yuǎn)方光電在此方面所作的大量研究工作，對(duì)道路照明中中間視覺(jué)光度量值的表征和計(jì)算問(wèn)題進(jìn)行了分析，結(jié)果表明在實(shí)際的中間視覺(jué)亮度測(cè)量中，必須測(cè)量道路表面的光譜輻亮度，才可獲得正確的表征結(jié)果。文中也提出了一種用于道路照明的高精度測(cè)量新方案—光譜圖像亮度計(jì)(SIRC)法，完全滿足中間視覺(jué)光度學(xué)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