20°周邊視場(chǎng)光譜光視效率的實(shí)驗(yàn)研究

紀(jì)雅婧，李文宜，管彩霞，沈海平,

(1.復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，先進(jìn)照明技術(shù)教育部工程研究中心，上海 200433；2.復(fù)旦大學(xué)工程與應(yīng)用技術(shù)研究院超越照明研究所，上海 200433)

引言

光譜光視效率函數(shù)是光度學(xué)的基礎(chǔ)。明視覺光譜光視效率函數(shù)V(λ)在1924年被CIE推薦為標(biāo)準(zhǔn)光譜視效，為了改善其在短波范圍內(nèi)嚴(yán)重低估的視效值，Judd[1]和Vos[2]相繼在CIE1924的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)。對(duì)V(λ)的定義是一個(gè)心理物理學(xué)實(shí)驗(yàn)過程，許多研究已經(jīng)證明測(cè)量方法[3,4]、測(cè)量視場(chǎng)[5,6]、亮度級(jí)[7,8]、脈沖光占空比[9-11]等因素都會(huì)對(duì)亮度感知造成影響。

同時(shí)，人眼的光譜光視效率在不同視場(chǎng)上也是不一致的。人眼將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的生理基礎(chǔ)是由感光細(xì)胞完成的。兩種感光細(xì)胞在視網(wǎng)膜上的分布極不均勻：視錐細(xì)胞集中在中央凹，由該處向周邊延伸，視錐細(xì)胞的密度急劇減少；視桿細(xì)胞的密度則隨著離開中央凹而逐漸增加。同時(shí)，錐體細(xì)胞又分為對(duì)長(zhǎng)波敏感的L型、對(duì)中段波長(zhǎng)敏感M型和對(duì)短波敏感的S型，三類錐體細(xì)胞在視網(wǎng)膜上不同視場(chǎng)上的相對(duì)分布密度也不同。這些都是造成不同視場(chǎng)角下V(λ)不一致的生理學(xué)基礎(chǔ)。在視網(wǎng)膜建模的研究中，就有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)視網(wǎng)膜模型理論計(jì)算得到的仿真結(jié)果與人眼實(shí)際觀測(cè)結(jié)果存在偏差[12]，這一定程度上就是由于在建模計(jì)算中，沒有考慮V(λ) 的分布問題，對(duì)所有錐體細(xì)胞都采用同一V(λ)函數(shù)進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，從而造成計(jì)算結(jié)果與人眼實(shí)際感知不符。目前CIE所推薦的明視覺2°視場(chǎng)、明視覺10°視場(chǎng)、暗視覺20°視場(chǎng)、中間視覺等V(λ)函數(shù)，考察的都是中央凹視場(chǎng)或10°、20°視場(chǎng)內(nèi)所有視錐或視桿細(xì)胞的整體響應(yīng)，也都沒有考慮V(λ)函數(shù)在不同視場(chǎng)上的空間分布特性，這不符合人眼對(duì)視覺場(chǎng)景的真實(shí)響應(yīng)。

因此，本文擬研究V(λ)函數(shù)在不同視場(chǎng)上的空間分布特性，這方面的研究成果不僅可以揭示感光細(xì)胞分布對(duì)人眼主觀視覺感知的影響，而且可使基于視網(wǎng)膜模型的視覺感知計(jì)算結(jié)果更加精確，從而更準(zhǔn)確地描述人眼的實(shí)際視覺感知，從而進(jìn)一步完善光度學(xué)的研究基礎(chǔ)，對(duì)學(xué)科發(fā)展具有積極意義。由于明視覺的應(yīng)用場(chǎng)景最為廣泛，因此作為該項(xiàng)研究的起步工作，本文首先開展明視覺下20°周邊視場(chǎng)的V(λ)特性研究，這方面的研究工作目前仍是空白。本文工作可為后續(xù)測(cè)量整個(gè)視場(chǎng)的明視覺、暗視覺和中間視覺V(λ)函數(shù)分布提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)原理

比較以往的光譜視效實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，不同方法測(cè)得的V(λ)曲線不同，根據(jù)其是否符合Abney定律的相加性[4]可將V(λ)的測(cè)量方法分為兩類。

一類以閃爍光度法為代表，其原理是在同一視場(chǎng)內(nèi)令兩個(gè)不同波長(zhǎng)的視覺刺激以相反相位交替閃爍，觀測(cè)者調(diào)節(jié)其光亮度，使得兩種光在亮度上匹配以消除(或最小化)閃爍感知。閃爍光度法測(cè)得的V(λ)曲線平滑，峰值大致在560 nm處[13]，亮度具有相加性。另一類不滿足相加性的則以視亮度匹配法為代表，觀測(cè)者匹配兩等分視場(chǎng)中不同波長(zhǎng)的視覺刺激，當(dāng)兩者亮度相等時(shí)視場(chǎng)中間的分界線消失，兩部分合并為一個(gè)視場(chǎng)。與CIE1924推薦的V(λ)函數(shù)相比，視亮度匹配法測(cè)得的曲線形狀較為寬闊且起伏較多，有540 nm和600 nm兩個(gè)峰值[14]。

本實(shí)驗(yàn)采用異色閃爍光度法(Heterochromatic Flicker Photometry)測(cè)量明視覺下的V(λ)函數(shù)值。實(shí)驗(yàn)中，兩種不同波長(zhǎng)的單色光視目標(biāo)以25 Hz的頻率交替閃爍，照明同一視場(chǎng)范圍，其中波長(zhǎng)和亮度均固定的為參考光，亮度可調(diào)的為某一波長(zhǎng)的待測(cè)光，參考光和待測(cè)光的閃爍頻率相同，相位相反(相位差180°)。實(shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié)待測(cè)光的亮度，當(dāng)被試觀察到視目標(biāo)閃爍消失或閃爍感知最小時(shí)，認(rèn)為此時(shí)的參考光和待測(cè)光亮度相等。

閃爍頻率選擇25 Hz，該頻率在觀測(cè)中可以排除視桿細(xì)胞的作用[15]。此外，在兩色光閃爍中，隨著頻率的升高依次會(huì)出現(xiàn)異色閃爍、顏色融合但亮度閃爍、亮度融合且閃爍消失三種現(xiàn)象，而25 Hz介于顏色閃爍融合頻率和亮度閃爍融合頻率之間。因此，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)中最小頻閃的判據(jù)僅依賴于非顏色通道，使得測(cè)量的光譜光視效率函數(shù)符合亮度相加性。

基于視網(wǎng)膜感光細(xì)胞的分布特性，本實(shí)驗(yàn)采用圓環(huán)形的視目標(biāo)以探索不同張角下的光譜光視效率函數(shù)。由此，V(λ)函數(shù)的空間分布可以表示為V(λ,θ)，其中為視覺刺激的波長(zhǎng)，θ為視覺刺激的視場(chǎng)張角。具體地，實(shí)驗(yàn)中使用對(duì)應(yīng)視場(chǎng)角20°的環(huán)形視目標(biāo)，以此為例討論本系統(tǒng)在測(cè)量明視覺周邊視場(chǎng)V(λ,θ)時(shí)的應(yīng)用。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包含光發(fā)生裝置和光測(cè)量裝置，整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，搭建完成后的真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖2所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of experiment system

圖2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境Fig.2 Experiment environment

2.1 參數(shù)設(shè)置

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的亮度參數(shù)設(shè)置和Sharpe等[15]測(cè)量V*(λ)時(shí)的亮度參數(shù)相同，后者已在2008年被CIE推薦為基于三種視錐細(xì)胞響應(yīng)的2°視場(chǎng)明視覺光譜光視效率函數(shù)。該研究也采用異色閃爍法，通過氙燈+光柵單色儀的方式獲得單色視目標(biāo)，參考光強(qiáng)度為2.45 log photopic trolands(視網(wǎng)膜照度單位，對(duì)應(yīng)的亮度為89.8 cd/m2)；白色適應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)度為3.0 log photopic trolands(對(duì)應(yīng)的亮度為318.5 cd/m2)。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

我們采用和Sharpe實(shí)驗(yàn)中相同的2°圓形作為視目標(biāo)，采用單色LED作為光源，相同明視覺實(shí)驗(yàn)條件下在5個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)上用異色閃爍光度法進(jìn)行V(λ)的測(cè)量，為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的可行性與可靠性，將2°視場(chǎng)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和CIE 2008標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。在此基礎(chǔ)上，使用20°視場(chǎng)張角的環(huán)形視目標(biāo)進(jìn)行周邊視場(chǎng)V(λ,20°)的測(cè)量。

2.2 光發(fā)生裝置

以往的研究中，觀測(cè)所需的不同波長(zhǎng)單色視覺刺激一般是由白色光源通過單色儀產(chǎn)生的。然而單色儀對(duì)光的衰減很嚴(yán)重，特別是明視覺實(shí)驗(yàn)中，即使采用數(shù)千瓦的大功率氙燈作為光源，在通過單色儀的衰減后其亮度依然較難滿足被試觀測(cè)所需的明視覺亮度水平。本實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性地采用單色LED作為刺激光源，不僅比較容易達(dá)到目標(biāo)所需的亮度值，以及光功率的精密調(diào)節(jié)，配合波形發(fā)生器和放大器也更能精確地實(shí)現(xiàn)參考光和待測(cè)光的180°相位差。盡管單色LED產(chǎn)生的視覺刺激的單色性會(huì)單色儀更差，我們通過預(yù)先的理論研究，發(fā)現(xiàn)20nm及以下的帶寬對(duì)V(λ)的測(cè)量結(jié)果的影響可以忽略不計(jì)。

采用單色LED作為視目標(biāo)的光源，產(chǎn)生參考光(527 nm)和五種波長(zhǎng)的待測(cè)光(450 nm、479 nm、509 nm、622 nm、656 nm)，單色LED的平均帶寬(FWHM)為23.35 nm。將多顆同波長(zhǎng)的單色LED進(jìn)行串聯(lián)，再將所有波長(zhǎng)的單色LED鑲嵌在PCB板上，經(jīng)封裝后制成燈圈作為視目標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)采用的視目標(biāo)是2°圓形及20°環(huán)形，計(jì)算得到它們分別對(duì)應(yīng)于2 cm和20 cm的直徑，觀測(cè)效果如圖3所示。封裝燈圈的最上層都覆有擴(kuò)散膜，經(jīng)測(cè)試得到其出射光線的不均勻度為2.37%，可知視目標(biāo)的光線分布有很好的均勻性。通過波形發(fā)生器(WF1974)實(shí)現(xiàn)參考光和待測(cè)光的相反相位輸出，再經(jīng)放大器(HSA 4011)放大后驅(qū)動(dòng)參考光和待測(cè)光，使它們的亮度疊加在背景亮度之上。參考光、待測(cè)光和背景光的時(shí)序如圖4所示,參考光和待測(cè)光疊加在背景光上，以180°的反相交疊出現(xiàn)。用三臺(tái)冷白光LED燈箱作為背景，提供180°×118°的明視覺適應(yīng)視場(chǎng)，由兩臺(tái)精密直流穩(wěn)流穩(wěn)壓電源(WY605 & WY3020,Everfine)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

圖3 實(shí)驗(yàn)中的視目標(biāo)Fig.3 Visual stimuli in experiment

圖4 參考光、待測(cè)光和背景光的時(shí)序圖Fig.4 Time course of the reference, test and backgroundlight

2.3 光測(cè)量裝置

分析以往光譜視效研究的實(shí)驗(yàn)方法，我們發(fā)現(xiàn)其在進(jìn)行光測(cè)量時(shí)所選擇的測(cè)量裝置和物理量各不相同，其中測(cè)量的物理量既有輻射度量也有光度量，包括輻射亮度、輻射功率、光電流、光強(qiáng)度等。嚴(yán)格按照光譜光視效率的定義應(yīng)該采用輻射亮度，由于其測(cè)量結(jié)果直接影響到V(λ)函數(shù)的測(cè)量結(jié)果，因此對(duì)參考光、待測(cè)光的輻射亮度測(cè)量必須精確。

輻射度的測(cè)量要求探測(cè)器的光譜響應(yīng)平坦，一般探測(cè)器都很難做到，因此本實(shí)驗(yàn)中采用了光譜修正的方法，具體如下：

探測(cè)器對(duì)某個(gè)光信號(hào)的測(cè)量結(jié)果i為

(1)

其中，Srel為探測(cè)器的相對(duì)光譜靈敏度，P為視目標(biāo)的相對(duì)光譜功率分布，S0和P0分別為它們的歸一系數(shù)。將參考光的下標(biāo)記為r，待測(cè)光的下標(biāo)記為t，則測(cè)得的參考光和待測(cè)光的比值可表示為

(2)

式中ir為該波長(zhǎng)下參考光的直接測(cè)量結(jié)果，it為該波長(zhǎng)下待測(cè)光的直接測(cè)量結(jié)果。根據(jù)光譜光視效率的定義，有

(3)

其中，Vt(λ)和Vr(λ)分別為待測(cè)光和參考光的光視效率(最后將各波長(zhǎng)下的光視效率比值進(jìn)行歸一化即可得到V(λ)函數(shù))，Let和Ler分別為待測(cè)光和參考光的輻射亮度。將式(2)代入式(3)中，則有

(4)

其中的Ktr(λ)為光譜修正系數(shù)：

(5)

將測(cè)得的光譜光視效率函數(shù)在參考光波長(zhǎng)處進(jìn)行歸一，即令Vr(λ)=1，那么實(shí)驗(yàn)得到的V(λ)可表示為

(6)

通過該修正系數(shù)Ktr將探測(cè)器的直接測(cè)量結(jié)果進(jìn)行光譜修正，可以消除探測(cè)器光譜響應(yīng)不平坦帶來的誤差響應(yīng)。

3 實(shí)驗(yàn)步驟

首先，在黑暗的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中打開背景光適應(yīng)場(chǎng)，設(shè)置背景亮度為318.5 cd/m2，被試適應(yīng)光環(huán)境10 min。待背景光穩(wěn)定后，測(cè)量背景亮度Lb。隨后打開2°圓形視目標(biāo)，并設(shè)置參考光，待其穩(wěn)定后在同一位置測(cè)量此時(shí)視目標(biāo)亮度Lb+r。被試將頭部固定在額托架上以確保觀察視角。然后以相反相位驅(qū)動(dòng)待測(cè)光使其和參考光交替閃爍，被試調(diào)節(jié)待測(cè)光強(qiáng)度直至頻閃消失或閃爍最小，在同一位置測(cè)量融合視目標(biāo)亮度Lb+r+t。每次調(diào)節(jié)前，待測(cè)光亮度都隨機(jī)地設(shè)為高于或低于參考光。450 nm、479 nm、509 nm、622 nm、656 nm五種待測(cè)光采樣波長(zhǎng)的測(cè)量順序是隨機(jī)的。每個(gè)被試進(jìn)行3組完整的實(shí)驗(yàn)。

異色閃爍光度法符合亮度相加性，故實(shí)驗(yàn)中參考光亮度Lr和待測(cè)光亮度Lt可以由間接計(jì)算得出：

Lr=Lb+r-Lb

(7)

Lt=Lb+r+t-Lb+r

(8)

代入式(6)可得到2°視場(chǎng)下的明視覺光譜光視效率函數(shù)：

(9)

式中Ktr(λ)由探測(cè)器的光譜靈敏度和光源的光譜功率分布按式(5)計(jì)算得出。最后，將V(λ,2°)在參考光波長(zhǎng)處歸一。本實(shí)驗(yàn)中，設(shè)Vr(527)=1。

完成2°視場(chǎng)測(cè)量之后，按照上述同樣實(shí)驗(yàn)步驟，將視目標(biāo)更換為20°環(huán)形視場(chǎng)，測(cè)量20°周邊視覺的光譜光視效率函數(shù)V(λ,20°)。

4 結(jié)果與討論

共有四名訓(xùn)練后的被試參與實(shí)驗(yàn)，均無視覺異常。經(jīng)測(cè)量及計(jì)算，由四名被試共得到12組數(shù)據(jù)。

在五個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)上測(cè)得的明視覺2°圓形視場(chǎng)光譜光視效率值V(λ,2°)和明視覺20°環(huán)形視場(chǎng)光譜光視效率值V(λ,20°)如表2和圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，由本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)得到的V(λ,2°)測(cè)量結(jié)果和相同實(shí)驗(yàn)條件下的CIE2008標(biāo)準(zhǔn)值十分接近(為方便比較，CIE2008標(biāo)注值已在本實(shí)驗(yàn)的參考光波長(zhǎng)點(diǎn)527 nm上進(jìn)行歸一化)，從而證明了本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)方法是可行可靠的，可以用來進(jìn)行光譜光視效率的測(cè)量研究。

表2 CIE標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)和2°、20°測(cè)量結(jié)果(在527 nm處歸一)

圖5 測(cè)量結(jié)果和CIE2008V(λ)函數(shù)(在527 nm處歸一)Fig.5 Measurement results and CIE2008V(λ) function (normalized at 527 nm)

進(jìn)一步研究表2和圖5的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，V(λ,20°)曲線與V(λ,2°)曲線存在明顯區(qū)別，從而實(shí)驗(yàn)論證了中央視覺和周邊視覺具有不同光譜光視效率函數(shù)的觀點(diǎn)。在所有測(cè)試波長(zhǎng)點(diǎn)上，20°視場(chǎng)的值均大于2°視場(chǎng)的值，且在短波段尤為明顯，即周邊視場(chǎng)的V(λ,20°)曲線相較于中央視場(chǎng)的V(λ,2°)曲線呈現(xiàn)出了展寬現(xiàn)象。這與CIE1964V(λ)函數(shù)(10°圓形視場(chǎng))和CIE1924V(λ)函數(shù)(2°圓形視場(chǎng))相比也更展寬的現(xiàn)象是一致的，說明隨著視場(chǎng)的擴(kuò)大，視網(wǎng)膜上感光細(xì)胞的光譜靈敏度更平坦。

本實(shí)驗(yàn)318.5 cd/m2的光環(huán)境和25 Hz的閃爍頻率保證了在觀測(cè)中只有視錐細(xì)胞參與響應(yīng)。根據(jù)Curcio等[16]的研究，視網(wǎng)膜離心度在2°和20°處所對(duì)應(yīng)的視錐細(xì)胞密度分別約為11 000個(gè)/mm2和5 000個(gè)/mm2。雖然視錐細(xì)胞在周邊視場(chǎng)的總體密度大幅下降，但其中短波敏感的S型視錐細(xì)胞密度在三種視錐細(xì)胞中所占的比重要大于中央視場(chǎng)[17]，我們認(rèn)為這是造成周邊視場(chǎng)的明視覺光譜光視效率曲線相較于中央視場(chǎng)呈現(xiàn)出放寬、且在短波段尤為明顯的原因。

5 結(jié)束語

基于異色閃爍光度法，搭建了一套測(cè)量人眼光譜光視效率函數(shù)空間分布特性的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并提出了一套實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)得了明視覺下2°圓形視場(chǎng)和20°環(huán)形視場(chǎng)下在五個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)上的V(λ)值。通過與相同實(shí)驗(yàn)條件下的CIE標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證了本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，同一波長(zhǎng)點(diǎn)上，20°周邊視場(chǎng)的V(λ)曲線相較于2°中央視場(chǎng)呈現(xiàn)出展寬，且在短波段尤為明顯。V(λ,2°)與V(λ,20°)曲線的差異證明了視網(wǎng)膜上感光細(xì)胞分布的不均勻性會(huì)對(duì)V(λ)值造成影響，這體現(xiàn)了現(xiàn)有CIE1924V(λ)函數(shù)在周邊視覺上的局限性。

對(duì)明視覺光譜光視效率函數(shù)在周邊視場(chǎng)的分布特性研究，不僅可以揭示感光細(xì)胞分布對(duì)人眼主觀感知的影響，而且可使基于視網(wǎng)膜模型的視覺感知計(jì)算結(jié)果更加精確。本文工作為后續(xù)測(cè)量整個(gè)視場(chǎng)的明視覺、暗視覺和中間視覺V(λ)函數(shù)分布奠定了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，對(duì)光度學(xué)的發(fā)展具有積極意義。

受時(shí)間和客觀條件限制，目前系統(tǒng)中所采用的單色LED波長(zhǎng)點(diǎn)有限，對(duì)V(λ)函數(shù)的描述還不夠精細(xì)，后期的研究中將繼續(xù)增加實(shí)驗(yàn)波長(zhǎng)點(diǎn)。另外，將進(jìn)一步采用不同的視目標(biāo)視場(chǎng)角，以達(dá)到測(cè)量整個(gè)視場(chǎng)上V(λ,θ)函數(shù)空間分布的目的。