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中间视觉浅析姚佩玉林燕丹邵红 上海陈大华200433)(复旦大学电光源研究所随着社会经济的发展 ,人们的物质生活和精神文化需求不断提高 ,与人类各种活动息息相关的照明设 施质量的改进和完善已成为视觉科学研究的不可忽 视的重要目标 众所周知 ,人眼的视觉可对照明效果进行最直观 的评价 视觉依赖于照明 ,照明将提供给人们一个视 觉条件 (图 1 和图 2 分别列出人眼的剖面图和视网膜 的剖面图) 图 2视网膜的剖面图线) V (λ) ,用于评价亮度在 10cd/ m2 以上 ,对应人眼视网膜中央 2范围的视觉灵敏度 按照国际照明委员 会的规定 ,对光度学单位的定义 、 光度学仪器 、 光源和照明灯具以及照明设备安装的评价依据 ,一直采用人 眼在 明 视 觉 状 态 下 的 光 谱 光 视 效 率 函 数 ( 曲 线 ) V(λ) ,这条曲线也被广泛地应用在照明工业中 当环 境亮度低于 10 - 2 cd/ m2 时 ,就进入暗视觉 ( scotopic vi2sion) 的范围 , 通常眼睛适应暗视觉状态约需 30min 为此在 1951 年 , CIE 推荐了基于视网膜杆状细胞的 光谱 光 视 效 率 函 数 ( 曲 线) V (λ) , 对 应 亮 度 范 围 为10 - 6 ～10 - 2 cd/ m2 、 视野中央 20范围的暗视觉状态 。

通过进一步实验和研究 ,在 1964 年 , CIE 制订了第三 条曲线 ,这是对应视野中央 10范围的明视觉光谱光图 1 人眼的剖面图在光线入射到眼睛内引起视神经反映的条件下 ,人们能高效 、 舒适地工作和生活 了解视觉系统的物 理 、 生理 、 知觉条件 ,对于预言人类行为与照明条件的 相关性是很重要的 对于一定的照明亮度范围 ,评价 它是否符合安全的要求 、 是否符合作业的要求 、 是不 是达到一定的照度水平和照度分布 、 是不是能够正确 显现物体的轮廓和颜色等问题 ,被归纳为视觉科学的 四个最基本的问题 : 人类视觉系统对明 、 暗的感觉特 性 ;对颜色的感觉特性 ; 对空间的感觉特性和对光刺 激的时间响应特性 ,近年来 ,受到各国科学家的重视并开展研究 其中 ,在亮度超过 10cd/ m2 的照明环境里 (photopic visin) ,视觉主要由人眼中的锥状细胞起 作用 在对不同人眼用各种波长的单色刺激亮度进 行了大量的实验对比后 , 1924 年 CIE 推荐了基于人 眼视网膜锥状细胞的明视觉光谱光视效率函数 ( 曲10 (λ) 图 3 列出上述两个范围内人眼视效率函数 V的相对光谱灵敏度曲线 。

但在照明应用中 ,有许多实际情况是处在夜晚或 在比较暗的环境之中 比如夜晚的广场照明 、 商业照 明 、 建筑照明和道路照明等 ,这时人眼处在中间视觉姚佩玉 等 :中间视觉浅析9下 ,主要为杆状细胞产生视觉作用 ,其峰值视觉响应为 507nm 介于明视觉和暗视觉之间的中间视觉状 态下 ,锥状细胞和杆状细胞同时发生作用 ,在这种情 况下 ,其光谱光视效率函数与明视觉和暗视觉状态下 的光谱光视效率函数 V (λ) 和 V′(λ) 都不相同 研究表明 ,中间视觉状态下人眼中心 (中央) 视觉 的光谱光视效率在一定程度上可以沿用明视觉下的 V (λ) 曲线 ,因为视网膜中央主要分布的是锥状细胞 , 明视觉状态下主要是锥状细胞发挥作用 ,V (λ) 曲线 正反映了它的特性 但在周边视觉上 ,视觉对光谱的响应特性会发生不可忽视的改变 在中间视觉状态 下 ,周边视觉能力主要受杆状细胞的影响 ,此时人眼 对短波长光更加敏感 寻找中间视觉范围内的光谱 光视效率曲线已成为许多科技工作者孜孜以求的奋 斗目标 ,但至今还没获得被 CIE 组织批准的结果 中间视觉研究的价值首先体现在道路照明的应 用上 。

近年来 ,国外对于驾驶员在中间照明水平 ( 中 间视觉状态) 下的视觉功能开展了大量的实验研究工 作 主要进行在不同照明水平 、 不同背景亮度 、 不同 视场条件 、 不同眩光环境下的视觉功能探测 ,尤其是对光谱能量分布的敏感状况进行研究 ,以期寻找道路 照明的最佳条件 ,已经积累了大量实验数据 同时 , 对于中间照明水平下 ,在下雨 、 下雪 、 多雾等恶劣气候 条件下车灯的颜色效果对驾驶员的影响也进行了实 验研究 证明黄色车灯除了比白色车灯有更低的眩光以外 ,还可以减少背景光对驾驶员产生的有害效 应 ,使驾驶员感觉更为舒适 而驾驶员戴过深的墨镜 可以使他们的视觉反映延长 100ms 另外 ,人们还发 现按明视觉条件下测量和计算高压钠灯的光效远大 于同功率的金属卤化物灯 ,然而在夜间处于中间视觉范围下的道路照明中 ,实验得到普遍的结论 : 行人和 驾驶员都感觉高压钠灯照明的效果不如相同功率的 金属卤化物灯 这就给道路照明均应采用光效高的 高压钠灯概念带来了冲击 ,现在已有许多道路照明开 始采用金属卤化物灯来代替高压钠灯 这一点在夜间照明 、 尤其是夜间道路照明的实际应用中有非常重 要的价值 。

理论和实验研究都表明 ,在中间视觉状态下 ,人 眼的边缘视觉起了更大的作用 它对于短波长的光 比长波长的光更为敏感 这就很好地解释了在夜晚 , 人们感觉到同功率的金属卤化物灯比高压钠灯明亮图 3 人眼的相对光谱灵敏度状态下 ( mesopic vision) , 其亮度范围一般在 01001 ～3cd/ m2 之间 表 1 列出这种情况的典型照明场景 表 1处于中间视觉状态的场景亮度(cdΠm2 )亮度(cdΠm2 )环境环境高速公路路面 太阳下山约 1 刻钟 的天空 满月下白色物体表面 紧急照明下的白色物体良好照明街道上的物体21市郊路灯下的路面101501101006太阳下山半小时的天空 星光下的白色物体表面01101001大量的实践证明 ,中间视觉状态下的视觉功能与明视觉和暗视觉的视觉功能有很多不同点 ,这种状况 将对中间视觉状态下的照明设计测量和计算产生一 定的影响 ,因此中间视觉的研究已成为国际照明领域 的一个热点课题 自 20 世纪 80 年代起 ,国际上对于中间视觉功能的研究日趋活跃 美国 、 德国 、 芬兰和 日本等国的大学和研究机构都在开展这一项目的研究 。

近年来 ,对于中间视觉状态下人眼的光谱灵敏度 研究 ,各国科学家表现了极大的重视和关注 人们首先从视觉眼睛的生理特征出发 ,经剖析发 现 ,人眼的锥状细胞处于视网膜中央 ,它对于辨别细 小物体的能力很强 ,而杆状细胞则处于视网膜边缘 , 它更能感受微弱光的刺激 ,而对于辨别细小物体的能 力较弱 明视觉状态下 ,人眼中主要是视网膜中央的 锥状细胞产生视觉效果 ,其最大的视觉响应在光谱蓝绿区间中的 555nm 处 随着照明水平的下降 ,处于视 网膜周边的杆状细胞逐步被激活 , 到了暗视觉状态中 国 照 明 电 器2002 年第 9 期10舒适的原因 研究表明 ,在中间视觉状态下 ,金属卤化物灯的效率比高压钠灯高 40 %～ 60 % , 但在目前 的道路照明中 ,大部分仍采用高压钠灯 这是基于明 视觉状态下钠灯比金属卤化物灯效率高 20 %的原理 而设定的 就我国道路照明现状而言 ,我们的道路照明涉及多种省际国道 、 高速公路 、 城市街道及乡间小 路 其中包括有大范围良好照明设施的道路 ,也有照 明质量低劣甚至无照明的公路 随着经济建设的发 展 ,特别是我国加入 WTO 以后 ,基础设施的标准越来 越高 ,对道路照明也会提出更高的要求 。

良好的道路照明 ,一方面是城市夜景的需要 ,更 为重要的是 ,对于夜间作业人员 ,尤其是驾驶员来讲 , 可以减少行车的事故发生率 ,使他们在枯燥的行车过 程中 ,多了一份安全与自信 我国道路照明的潜在市 场呼唤更加优质 、 高效 、 节能的照明设施 ,而中间视觉的研究将会提供合理的夜间道路照明设计必要的理 论基础 与此同时 ,照明科技是关系到提高每个人生活质 量的不可缺少的重要因素 我国近年来对各大中城 市推广实施绿色照明工程 ,旨在为人们提供更加舒适和优质的照明环境 ,尤其是城市的夜景照明给城市带 来勃勃生机 ,促进了社会效益 、 环境效益和经济效益 的共同发展 ,已经得到社会各界的公认 据统计 ,我 国照明工业年产值达 800 亿元人民币 ,占全国工业总 产值的 1 % 可以预期 ,随着西部开发 、 申奥 、 申博 、城市亮化工程的不断推进 ,大批具有世界一流水平的 建筑和基础设施崛起所伴随的照明工程的实施 ,将为 我国照明产业带来新的生机和活力 加强城市夜景 照明的科学研究工作 ,同样与中间视觉功能的研究是 不可分隔的 夜景照明要求被照明物体有一定的亮 度 、 色彩 、 均匀性 、 尽可能少的眩光以及减少光污染 ,与环境协调 ,体现更多的人文特性等 ,反映了多门学科的综合效应 ,但其本质的一点即照明效果 ,同样是 中间视觉功能研究的丰富内涵 。

正确认识中间视觉状态下视觉功能与明视觉和 暗视觉的相同点和不同点以及各影响因素 ,从而对中间视觉下的照明进行正确评价 ;根据人眼在不同状态 下的生理变化 ,对现行的光度学计算 、 测量和设计进 行修正 ,制订出适用于中间视觉状态下的光度学标 准 ,从而进行更为合理的照明设计 ,使照明产生更大 的经济效益和社会效益 其研究的真实结果 ,势必会在照明领域产生很大的影响 它将引导人们设计和 生产更符合夜间照明的光源与灯具 ,从而使人们用最 少的能源来达到最大的照明效果 我国是一个占世界人口 1Π6 的大国 中国人的 眼睛在各种情况下的视觉功能和光谱灵敏度情况受到许多国家科学工作者的注意和重视 ,中国人眼视觉 的实验结果 ,已被国际照明委员会采纳为基础数据 我国从事这方面研究的科研人员 ,正在从理论和实验 方面去研究 、 探讨人眼的 “中间视觉功能”,以期得出 更为确切合理的结果 ; 同时与欧洲 、 日本等国的科研人员正在开展合作交流 相信在不久的将来 ,在这方 面的研究会产生积极的有一定指导意义的成果 ,为我 国视觉与照明科技发展增添新的篇章 参考文献1J . R. Coaton & Marsden. Lamp & Lighting. Fourth Edition 1997 ,JohnWiley & Sons Inc . LondonHelms , R. N. 1993 Lighting handbook. 8th edition. New Y ork : Illumina2ting Eng. Soc . of North America 庞蕴凡. 视觉与照明. 北京 :中国铁道出版社 ,1993Overington , I. 1976 . Vision & acquisition , London : Pentech press (本文编辑王东明)234。