暗视觉测量及中间视觉评价体系——以1980A 彩色亮度计为测试工具

倪孟麟，张 莹，张志宏，董树凯

(天津市照明学会计量测试专业委员会)

1 锥状细胞和杆状细胞

锥状细胞和杆状细胞是以它们的形状命名的，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，先通过视网膜的其他层次，最后才到达杆状细胞和锥状细胞。第二层为双极细胞和其他细胞，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，能够精准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个双极细胞。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。

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，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。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，锥状细胞急剧减少，而杆状细胞急剧增多，在离开中央窝20°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分辨力的原因。

2 明视觉和暗视觉

明视觉状态下，人眼的锥状细胞起主导作用，对波长为555 nm 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507 nm 的蓝绿光最敏感;夜景照明有些属于中间视觉，而道路照明大多属于中间视觉，两种视觉细胞同时感知，对波长为507～555 nm范围的绿光最敏感。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 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。

人眼对杆状细胞与锥状细胞的最大感受在光波的不同部位。杆状细胞决定人眼的暗视觉特性，它在510 nm(蓝绿色)时具有最低相对辐射能量，即波长为510 nm 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555 nm(黄绿色)处具有最高灵敏度，在400 nm 和700 nm 处明视觉特性具有最低灵敏度。

国际照明委员会规定了明视觉特性曲线和暗视觉曲线，两种视觉特性见图1。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，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

式中φλm和φλ分别为波长λm和λ 的辐射通量。

CIE 正式推荐的明视觉光谱光效率曲线［V(λ)］和暗视觉光谱光效率曲线［V'(λ)］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1。［V(λ)］和［V'(λ)］的函数数据见表1。

图1 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(最大值为1)

续表

在图1 中，V(λ)和V'(λ)的相对值代表等能光谱波长λ 的单色辐射所引起的明亮感觉的程度，明视觉曲线V(λ)的最大值在555 nm 处，即光谱555 nm 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'(λ)的最大值在507 nm 处，即507 nm 波长的光谱最明亮。整个暗视觉曲线V'(λ)相对于明视觉曲线V(λ)向短波方向推移，长波端的能见范围减小，短波端的能见范围略有扩大。暗视觉曲线V'(λ)的形状主要决定于杆状细胞的视觉特性，适用于0.001 cd/m2以下的亮度水平;明视觉曲线V(λ)的形状主要决定于锥状细胞的视觉特性，适用于1 cd/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(＞10°视场角)，多少也有杆状细胞参与，因此明视觉特性略有变动。

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(λ)和V'(λ)］来评价的辐通量Φe即为光通量Φv，辐通量与光通量的关系为:

对于明视觉

对于暗视觉

式中Km是明视觉的最大光谱光效率函数。

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，人类视觉器官的锥状细胞与杆状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 分别测出明视觉和暗视觉的光度数据，以克服不同仪器带来的误差，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。

对不同光源的光谱分布P(λ)，可用暗视觉范围的光谱光视效率V'(λ)分光迭加后得到暗视觉时的光通S(相对)和用明视觉范围的光谱光视效率V (λ)分光迭加后得到明视觉时的光通P(相对)，为此，S/P能代表一个光源在暗视觉和明视觉下产生的光通之间的差异。

文章认为最中心的问题是确切和严格测出明视觉S 与暗视觉P，获取S/P 数值，其中最关键是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。

1980A 彩色亮度计亮度测试范围宽达10-4cd/m2到108cd/m2。

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，可以确切严格地实现测量相应情况下人类的明视觉和暗视觉并获取S/P 数值，2010年v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准确的中间视觉评价体系。

1980A 彩色亮度计同时含夜视滤光片Scotopic(night vision)Filter measuring below 0.34 cd/m2，可以测量和研究相应情况下人类的视觉，我们可提供该仪器和各种类型的技术服务。

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