新舊明視覺(jué)光譜光視效率曲線

原文/[美]邁克·伍德 編譯/施 端

（上海戲劇學(xué)院，上海 200040）

在眾多的物理量中，光度量堪稱是一朵奇葩。一般來(lái)說(shuō)，只要是物理量，都有客觀的度量標(biāo)準(zhǔn)，人人都用kg去測(cè)量質(zhì)量、用m去測(cè)量長(zhǎng)度，并對(duì)所測(cè)結(jié)果一致認(rèn)同，而光度量則不然。一切數(shù)據(jù)均來(lái)自假想的“理想觀察者”的視覺(jué)敏感度，旨在表征普通人的眼睛所看到的東西。

要客觀地反映光能量，可去測(cè)量輻(射)通量（單位：W瓦特），但這是輻射度量，不是光度量。輻射度量只是反映了光能量，不考慮視覺(jué)效應(yīng)，人眼和大腦是如何“解讀”這些光能量的，它壓根就不管。而一旦測(cè)量光照度（單位：lux勒克斯、fc呎燭光）、光通量（單位：lm流明）等光度量，就要知道標(biāo)準(zhǔn)人眼和大腦對(duì)光的敏感度是如何的，其實(shí)這是一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，涉及心理學(xué)、生理學(xué)和物理學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。

例如，有一臺(tái)燈具發(fā)出大量的紅外線或紫外線，但人眼看不見(jiàn)的話，根據(jù)定義，其光輸出為0！紅外線和紫外線均有功率輸出，但兩者均無(wú)光通量輸出。此外，在早期的人眼視覺(jué)敏感度實(shí)驗(yàn)中，通常都假設(shè)光源的光譜是連續(xù)的，像白熾燈、太陽(yáng)光那樣。當(dāng)今的測(cè)光表也都是在這個(gè)假設(shè)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)而成的。

1 光譜三刺激值曲線

讀者一定見(jiàn)過(guò)這樣的曲線吧（圖1）。

圖1 CIE 1931光譜三刺激值曲線

這些曲線是CIE 1931光譜三刺激值曲線，也叫做CIE 1931顏色匹配函數(shù)（CMF），是一套面向人眼視覺(jué)的模型。它們沒(méi)有直接反映人眼對(duì)紅光、綠光、藍(lán)光（或長(zhǎng)波、中波、短波）的視覺(jué)敏感度，而是建立一套數(shù)學(xué)模型，對(duì)人眼和大腦進(jìn)行模仿。其實(shí)，人眼中的錐體細(xì)胞對(duì)不同波長(zhǎng)的光的敏感度千差萬(wàn)別。可以這樣說(shuō)，這是視網(wǎng)膜和大腦對(duì)原始的感官信息進(jìn)行處理后的結(jié)果。在圖1中，名為y-bar（）的綠色曲線也表征了人眼對(duì)亮度的敏感度：拋開(kāi)光源的色彩特性，只考慮其明暗程度。它反映了人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有不同的明亮感覺(jué)程度，這就是明視覺(jué)光譜光視效率曲線（明視覺(jué)光譜光視效率函數(shù)），常簡(jiǎn)稱為明視覺(jué)曲線。1924年，CIE（Commission Internationale de l'Eclairage，國(guó)際照明委員會(huì)）發(fā)布了一項(xiàng)研究成果，1931 CMF中的這條明視覺(jué)曲線就是從這里來(lái)的（在暗視條件下，也有一條相應(yīng)的曲線，叫做暗視覺(jué)曲線，當(dāng)然這是題外話）。

2 明視覺(jué)曲線

1924明視覺(jué)光譜光視效率曲線V(λ)（下文簡(jiǎn)稱CIE 1924曲線）是經(jīng)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析后獲得的，觀察者以男性大學(xué)生為主。這是由CIE發(fā)布的一項(xiàng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，它表征了在明視條件下，普通人的眼睛對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有不同的光譜靈敏度。從此，CIE 1924曲線開(kāi)始得到廣泛應(yīng)用，全世界的測(cè)光表都根據(jù)CIE 1924曲線來(lái)生產(chǎn)。標(biāo)準(zhǔn)挺好的，所以什么問(wèn)題都沒(méi)有了嗎？維澤斯基（Wyszecki）和斯蒂爾斯（Stiles）在其所著的《色彩學(xué)》（Color Science）一書(shū)中，對(duì)光度、色度測(cè)量方法做出了開(kāi)創(chuàng)性的研究，關(guān)于這條曲線，他們這樣寫(xiě)道：

“作為標(biāo)準(zhǔn)，這條明視覺(jué)光譜光視效率曲線參考了大量的光度數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)來(lái)源廣泛，實(shí)驗(yàn)方法也多種多樣。各項(xiàng)研究成果所得數(shù)據(jù)被平均化了，其實(shí)在紫光段，這些數(shù)據(jù)相差10倍之多，因而存在諸多不確定因素。這條曲線大大低估了短波的光譜靈敏度?！?/p>

觀察者不具有普遍性（絕大多數(shù)觀察者都是年輕男性，女性、兒童和老人的視覺(jué)敏感度幾乎沒(méi)有體現(xiàn)出來(lái)），檢測(cè)方法似乎也存在缺陷。1924年，檢測(cè)工作困難重重，現(xiàn)如今，也沒(méi)好到哪里去。拋開(kāi)色彩特性，紅光比綠光亮了多少，這要怎么比，報(bào)告要怎么寫(xiě)？在當(dāng)年，要獲得光譜兩端的窄波段藍(lán)光和紅光，并使其處于可控狀態(tài)，這事可不好辦。這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的缺陷可謂顯而易見(jiàn)，那憑什么用了那么久？自發(fā)布以來(lái)，已經(jīng)走過(guò)90個(gè)年頭，在當(dāng)今的檢測(cè)方法和統(tǒng)計(jì)手段下，這項(xiàng)工作肯定能得到進(jìn)一步改善！

如今，一定能取得長(zhǎng)足進(jìn)步。不過(guò)，就算CIE 1924曲線有缺陷，這要放在過(guò)去，也不是個(gè)事。若光源的光譜是連續(xù)的，則CIE 1924曲線和相應(yīng)的測(cè)光表完全夠用，只有百分之幾的誤差。白熾燈擁有連續(xù)光譜，其藍(lán)光、紫光含量也微乎其微，所以不存在這方面的問(wèn)題。不過(guò)，對(duì)于窄波段LED光源來(lái)說(shuō)，情況就變了。

3 窄波段LED光源

筆者在2008年寫(xiě)過(guò)一篇文章，談到用不同的測(cè)光表來(lái)測(cè)量LED燈具，所測(cè)結(jié)果差距很大，RGB LED等混色燈具是重災(zāi)區(qū)。誤差還真不小，在測(cè)量藍(lán)光LED時(shí)發(fā)現(xiàn)，有時(shí)不同測(cè)光表的讀數(shù)竟然相差10倍，甚至更高。有兩點(diǎn)理由：其一，CIE 1924曲線大大低估了深藍(lán)光的光譜靈敏度；其二，對(duì)測(cè)光表來(lái)說(shuō)，藍(lán)光幾乎是不可見(jiàn)光，在這個(gè)波段內(nèi)，存在很大誤差。只要光源的光譜不連續(xù)，且含有很強(qiáng)的藍(lán)光，這個(gè)問(wèn)題就會(huì)或多或少暴露出來(lái)。比如，剛果藍(lán)濾色片就有這個(gè)問(wèn)題。色本上給出的剛果藍(lán)濾色片的光譜透射率是很低的，而在舞臺(tái)上看到的剛果藍(lán)光總要亮得多，還比測(cè)光表測(cè)出來(lái)的要亮。

4 改進(jìn)后的明視覺(jué)曲線

圖2是一套新的CMF曲線，它發(fā)布于2007年，取代之前的1931 CMF曲線。

圖2 CIE 2007光譜三刺激值曲線

可見(jiàn)，這3條曲線全都得到了修正。與之前相比，人眼對(duì)藍(lán)光、紅光的敏感度得到顯著體現(xiàn)，對(duì)深藍(lán)光的敏感度也得到進(jìn)一步增強(qiáng)。多年來(lái)，涌現(xiàn)出許許多多的明視覺(jué)曲線V(λ)建議版本，它們都在CIE 1924曲線基礎(chǔ)上取得了重大進(jìn)步。最近，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)綜合了很多最新研究成果，再結(jié)合已知的人眼生理結(jié)構(gòu)，最終提出一項(xiàng)新的方案。CIE準(zhǔn)備采用這條曲線，把它命名為CIE 2012，《ANSI E1.48-2014舞臺(tái)、演播室燈光用明視覺(jué)光譜光視效率函數(shù)》推薦性標(biāo)準(zhǔn)（ANSI E1.48 - 2014, A Recommended Luminous Efficiency Function for Stage and Studio Luminaire Photometry）中給出了這條曲線。圖3就是E1.48曲線與CIE 1924曲線。

圖3 明視覺(jué)光譜光視效率曲線——CIE 1924與E1.48

可見(jiàn)，人眼對(duì)藍(lán)光的光譜靈敏度得到顯著體現(xiàn)。在450 nm單色藍(lán)光處，新曲線下的光譜靈敏度是舊曲線的兩倍。這更符合人眼真正感受到的亮度，深藍(lán)光LED和剛果藍(lán)光是完全可見(jiàn)的。

5 它會(huì)帶來(lái)多大影響？

也許有人會(huì)問(wèn)：好是好，但這不就是個(gè)理論嗎？能給燈光實(shí)踐帶來(lái)多大影響呢？答：影響很大，深藍(lán)光LED只是其中一個(gè)方面。筆者測(cè)量了幾個(gè)實(shí)際光源，比較其在新舊兩條曲線下的光通量（圖4～圖7），對(duì)于光照度，也是一樣的。

圖4 以紅光LED為例進(jìn)行比較

圖5 以綠光LED為例進(jìn)行比較

圖6 以藍(lán)光LED為例進(jìn)行比較

圖7 以熒光粉轉(zhuǎn)換型白光LED為例進(jìn)行比較

對(duì)于綠光LED來(lái)說(shuō)，E1.48曲線下的光通量只比CIE 1924曲線多出2%，差距不大，在測(cè)光表所允許的誤差范圍內(nèi)，所以無(wú)所謂。但對(duì)于紅光，新曲線下的光通量要高出11%，對(duì)于藍(lán)光，竟然高出47%。這可不是理論，這是人眼實(shí)實(shí)在在看到的光通量，時(shí)至今日，所測(cè)數(shù)據(jù)還是遠(yuǎn)低于實(shí)際數(shù)據(jù)。藍(lán)光+黃色熒光粉的白光LED也未能幸免，E1.48曲線下的光通量要高出10%（譯者注：圖7中為8%）。要知道，人眼還是那雙人眼、LED還是那個(gè)LED，是舊的CIE曲線和相應(yīng)的測(cè)光表把藍(lán)光低估了。究其原因，光度學(xué)不是一門(mén)精確的學(xué)科，它所依賴的數(shù)學(xué)模型是根據(jù)普通人的眼睛建立起來(lái)的，難免存在種種缺陷。要是測(cè)量LED的輻通量，讀數(shù)始終保持一致，用不著明視覺(jué)曲線。輻通量是客觀的物理量，而光通量不是（光通量與輻通量相對(duì)應(yīng)）。

6 如何使用E1.48？

想讓測(cè)光表廠家一夜之間轉(zhuǎn)而采用CIE 2012 / ANSI E1.48明視覺(jué)曲線，這無(wú)異于天方夜譚。自CIE 1924曲線發(fā)布后，又陸續(xù)出現(xiàn)了許多這類(lèi)曲線，但市場(chǎng)始終沒(méi)有采用任何一條新曲線，那憑什么現(xiàn)在就會(huì)把曲線換掉呢？其實(shí)，幾乎全世界的燈光行業(yè)都認(rèn)為，CIE 1924曲線中的誤差沒(méi)有造成什么不利影響。除演藝燈光行業(yè)外，整個(gè)燈光行業(yè)差不多只用白光，測(cè)量白光時(shí)，誤差很小。然而，演藝燈光行業(yè)特別喜歡用色光，對(duì)于藍(lán)光的光譜靈敏度，誤差翻了一番，這也太大了。

多希望數(shù)字式測(cè)光表能自帶幾條V(λ)曲線，以便用戶選擇想要的那一條。這點(diǎn)計(jì)算量真的微不足道，但筆者一定會(huì)為此拍手叫好。還有兩種切實(shí)可行的方法。第一，先用光譜儀測(cè)量光源的輻射度量，再結(jié)合V(λ)曲線來(lái)算，Excel處理起來(lái)易如反掌。當(dāng)然，光譜儀用起來(lái)不如測(cè)光表來(lái)得方便，好在最近市面上出現(xiàn)了幾款體積小巧的便攜式光譜儀，這樣用起來(lái)就方便多了。圖8是筆者使用的一款光譜儀。第二，用戶可以要求燈光廠家提供基于ANSI E1.48 V(λ)曲線的光度數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)至關(guān)重要，對(duì)于固態(tài)光源，更要這么做。反正，廠家是用光譜儀來(lái)測(cè)量的，提供這些數(shù)據(jù)的話，應(yīng)該沒(méi)什么大問(wèn)題。

無(wú)論如何，CIE 1924曲線再用幾年肯定不成問(wèn)題，所以用起來(lái)要留個(gè)心眼，要用慧眼去識(shí)破它。每當(dāng)用這樣的測(cè)光表去測(cè)量窄波段LED，比如高飽和度的色光LED，就要提醒自己，讀數(shù)偏低了，弄不好還大大偏低，尤其是深藍(lán)光LED，要格外當(dāng)心。本文反復(fù)強(qiáng)調(diào)，光度量不是客觀的物理量，但只要測(cè)光表采用ANSI E1.48曲線，這個(gè)問(wèn)題就會(huì)得到大幅改觀。