新舊明視覺光譜光視效率曲線
2022-04-15 15:44:10
闡述CIE 1924曲線存在的缺陷，推薦采用E1.48曲線來測量光度量（特別是窄波段藍光LED），并通過實際數(shù)據(jù)對這兩條曲線進行比較分析。
在眾多的物理量中，光度量堪稱是一朵奇葩。一般來說，只要是物理量，都有客觀的度量標準，人人都用kg去測量質(zhì)量、用m去測量長度，并對所測結(jié)果一致認同，而光度量則不然。一切數(shù)據(jù)均來自假想的“理想觀察者”的視覺敏感度，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，就要知道標準人眼和大腦對光的敏感度是如何的，其實這是一個實驗結(jié)果，涉及心理學、生理學和物理學等多個領(lǐng)域。
例如，有一臺燈具發(fā)出大量的紅外線或紫外線，但人眼看不見的話，根據(jù)定義，其光輸出為0！紅外線和紫外線均有功率輸出，但兩者均無光通量輸出。此外，在早期的人眼視覺敏感度實驗中，通常都假設(shè)光源的光譜是連續(xù)的，像白熾燈、太陽光那樣。當今的測光表也都是在這個假設(shè)的基礎(chǔ)上設(shè)計而成的。
1 光譜三刺激值曲線
讀者一定見過這樣的曲線吧（圖1）。
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的模型。它們沒有直接反映人眼對紅光、綠光、藍光（或長波、中波、短波）的視覺敏感度，而是建立一套數(shù)學模型，對人眼和大腦進行模仿。其實，人眼中的錐體細胞對不同波長的光的敏感度千差萬別?？梢赃@樣說，這是視網(wǎng)膜和大腦對原始的感官信息進行處理后的結(jié)果。在圖1中，名為y-bar的綠色曲線也表征了人眼對亮度的敏感度：拋開光源的色彩特性，只考慮其明暗程度。它反映了人眼對不同波長的光具有不同的明亮感覺程度，這就是明視覺光譜光視效率曲線（明視覺光譜光視效率函數(shù)），常簡稱為明視覺曲線。1924年，CIE（Commission Internationale de l´Eclairage，國際照明委員會）發(fā)布了一項研究成果，1931 CMF中的這條明視覺曲線就是從這里來的（在暗視條件下，也有一條相應(yīng)的曲線，叫做暗視覺曲線，當然這是題外話）。
2 明視覺曲線
1924明視覺光譜光視效率曲線V(λ)（下文簡稱CIE1924曲線）是經(jīng)實驗統(tǒng)計分析后獲得的，觀察者以男性大學生為主。這是由CIE發(fā)布的一項國際標準，它表征了在明視條件下，普通人的眼睛對不同波長的光具有不同的光譜靈敏度。從此，CIE 1924曲線開始得到廣泛應(yīng)用，全世界的測光表都根據(jù)CIE 1924曲線來生產(chǎn)。標準挺好的，所以什么問題都沒有了嗎？維澤斯基（Wyszecki）和斯蒂爾斯（Stiles）在其所著的《色彩學》（Color Science）一書中，對光度、色度測量方法做出了開創(chuàng)性的研究，關(guān)于這條曲線，他們這樣寫道
“作為標準，這條明視覺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)來源廣泛，實驗方法也多種多樣。各項研究成果所得數(shù)據(jù)被平均化了，其實在紫光段，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。”
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、兒童和老人的視覺敏感度幾乎沒有體現(xiàn)出來），檢測方法似乎也存在缺陷。1924年，檢測工作困難重重，現(xiàn)如今，也沒好到哪里去。拋開色彩特性，紅光比綠光亮了多少，這要怎么比，報告要怎么寫？在當年，要獲得光譜兩端的窄波段藍光和紅光，并使其處于可控狀態(tài)，這事可不好辦。這項標準的缺陷可謂顯而易見，那憑什么用了那么久？自發(fā)布以來，已經(jīng)走過90個年頭，在當今的檢測方法和統(tǒng)計手段下，這項工作肯定能得到進一步改善！
如今，一定能取得長足進步。不過，就算CIE 1924 曲線有缺陷，這要放在過去，也不是個事。若光源的光譜是連續(xù)的，則CIE 1924曲線和相應(yīng)的測光表完全夠用，只有百分之幾的誤差。白熾燈擁有連續(xù)光譜，其藍光、紫光含量也微乎其微，所以不存在這方面的問題。不過，對于窄波段LED光源來說，情況就變了。
3 窄波段LED光源
筆者在2008年寫過一篇文章，談到用不同的測光表來測量LED燈具，所測結(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，在測量藍光LED時發(fā)現(xiàn)，有時不同測光表的讀數(shù)竟然相差10倍，甚至更高。有兩點理由：其一，CIE 1924曲線大大低估了深藍光的光譜靈敏度；其二，對測光表來說，藍光幾乎是不可見光，在這個波段內(nèi)，存在很大誤差。只要光源的光譜不連續(xù)，且含有很強的藍光，這個問題就會或多或少暴露出來。比如，剛果藍濾色片就有這個問題。色本上給出的剛果藍濾色片的光譜透射率是很低的，而在舞臺上看到的剛果藍光總要亮得多，還比測光表測出來的要亮。
4 改進后的明視覺曲線
圖2是一套新的CMF曲線，它發(fā)布于2007年，取代之前的1931CMF曲線。
可見，這3條曲線全都得到了修正。與之前相比，人眼對藍光、紅光的敏感度得到顯著體現(xiàn)，對深藍光的敏感度也得到進一步增強。多年來，涌現(xiàn)出許許多多的明視覺曲線V(λ)建議版本，它們都在CIE 1924曲線基礎(chǔ)上取得了重大進步。一個研究團隊綜合了很多研究成果，再結(jié)合已知的人眼生理結(jié)構(gòu)，提出一項新的方案。CIE準備采用這條曲線，把它命名為CIE 2012，《ANSI E1.48–2014舞臺、演播室燈光用明視覺光譜光視效率函數(shù)》推薦性標準（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。
可見，人眼對藍光的光譜靈敏度得到顯著體現(xiàn)。在450nm單色藍光處，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，深藍光LED和剛果藍光是完全可見的。
5 它會帶來多大影響？
也許有人會問：好是好，但這不就是個理論嗎？能給燈光實踐帶來多大影響呢？答：影響很大，深藍光LED只是其中一個方面。筆者測量了幾個實際光源，比較其在新舊兩條曲線下的光通量（圖4~圖7），對于光照度，也是一樣的。
對于綠光LED來說，E1.48曲線下的光通量只比CIE1924曲線多出2%，差距不大，在測光表所允許的誤差范圍內(nèi)，所以無所謂。但對于紅光，新曲線下的光通量要高出11%，對于藍光，竟然高出47%。這可不是理論，這是人眼實實在在看到的光通量，時至今日，所測數(shù)據(jù)還是遠低于實際數(shù)據(jù)。藍光+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LED，是舊的CIE曲線和相應(yīng)的測光表把藍光低估了。究其原因，光度學不是一門精準的學科，它所依賴的數(shù)學模型是根據(jù)普通人的眼睛建立起來的，難免存在種種缺陷。要是測量LED的輻通量，讀數(shù)始終保持一致，用不著明視覺曲線。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應(yīng)）。
6 如何使用E1.48？
想讓測光表廠家一夜之間轉(zhuǎn)而采用CIE 2012 / ANSI E1.48明視覺曲線，這無異于天方夜譚。自CIE 1924曲線發(fā)布后，又陸續(xù)出現(xiàn)了許多這類曲線，但市場始終沒有采用任何一條新曲線，那憑什么現(xiàn)在就會把曲線換掉呢？其實，幾乎全世界的燈光行業(yè)都認為，CIE 1924曲線中的誤差沒有造成什么不利影響。除演藝燈光行業(yè)外，整個燈光行業(yè)差不多只用白光，測量白光時，誤差很小。然而，演藝燈光行業(yè)特別喜歡用色光，對于藍光的光譜靈敏度，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。這點計算量真的微不足道，但筆者一定會為此拍手叫好。還有兩種切實可行的方法。首先，先用光譜儀測量光源的輻射度量，再結(jié)合V(λ)曲線來算，Excel處理起來易如反掌。當然，光譜儀用起來不如測光表來得方便，好在市面上出現(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)，這一點至關(guān)重要，對于固態(tài)光源，更要這么做。反正，廠家是用光譜儀來測量的，提供這些數(shù)據(jù)的話，應(yīng)該沒什么大問題。
無論如何，CIE 1924曲線再用幾年肯定不成問題，所以用起來要留個心眼，要用慧眼去識破它。每當用這樣的測光表去測量窄波段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，尤其是深藍光LED，要格外當心。本文反復強調(diào)，光度量不是客觀的物理量，但只要測光表采用ANSI E1.48曲線，這個問題就會得到大幅改觀。
（本文編譯自美國《P R O T O C O L》雜志2 0 1 4年春季刊《Photopic curves—the old and the new》一文。）
選自《演藝科技》2021年第10期 原文/[美]邁克•伍德 編譯/施 端 《新舊明視覺光譜光視效率曲線》，轉(zhuǎn)載請標注：演藝科技傳媒。更多詳細內(nèi)容請參閱《演藝科技》。
