新旧明视觉光谱光视效率曲线
2022-04-15 15:44:10
阐述CIE 1924曲线存在的缺陷，推荐采用E1.48曲线来测量光度量（特别是窄波段蓝光LED），并通过实际数据对这两条曲线进行比较分析。
在众多的物理量中，光度量堪称是一朵奇葩。一般来说，只要是物理量，都有客观的度量标准，人人都用kg去测量质量、用m去测量长度，并对所测结果一致认同，而光度量则不然。一切数据均来自假想的“理想观察者”的视觉敏感度，旨在表征普通人的眼睛所看到的东西。
要客观地反映光能量，可去测量辐(射)通量（单位：W瓦特），但这是辐射度量，不是光度量。辐射度量只是反映了光能量，不考虑视觉效应，人眼和大脑是如何“解读”这些光能量的，它压根就不管。而一旦测量光照度（单位：lux勒克斯、fc呎烛光）、光通量（单位：lm流明）等光度量，就要知道标准人眼和大脑对光的敏感度是如何的，其实这是一个实验结果，涉及心理学、生理学和物理学等多个领域。
例如，有一台灯具发出大量的红外线或紫外线，但人眼看不见的话，根据定义，其光输出为0！红外线和紫外线均有功率输出，但两者均无光通量输出。此外，在早期的人眼视觉敏感度实验中，通常都假设光源的光谱是连续的，像白炽灯、太阳光那样。当今的测光表也都是在这个假设的基础上设计而成的。
1 光谱三刺激值曲线
读者一定见过这样的曲线吧（图1）。
这些曲线是CIE 1931光谱三刺激值曲线，也叫做 CIE 1931颜色匹配函数（CMF），是一套面向人眼视觉的模型。它们没有直接反映人眼对红光、绿光、蓝光（或长波、中波、短波）的视觉敏感度，而是建立一套数学模型，对人眼和大脑进行模仿。其实，人眼中的锥体细胞对不同波长的光的敏感度千差万别。可以这样说，这是视网膜和大脑对原始的感官信息进行处理后的结果。在图1中，名为y-bar的绿色曲线也表征了人眼对亮度的敏感度：抛开光源的色彩特性，只考虑其明暗程度。它反映了人眼对不同波长的光具有不同的明亮感觉程度，这就是明视觉光谱光视效率曲线（明视觉光谱光视效率函数），常简称为明视觉曲线。1924年，CIE（Commission Internationale de l´Eclairage，国际照明委员会）发布了一项研究成果，1931 CMF中的这条明视觉曲线就是从这里来的（在暗视条件下，也有一条相应的曲线，叫做暗视觉曲线，当然这是题外话）。
2 明视觉曲线
1924明视觉光谱光视效率曲线V(λ)（下文简称CIE1924曲线）是经实验统计分析后获得的，观察者以男性大学生为主。这是由CIE发布的一项国际标准，它表征了在明视条件下，普通人的眼睛对不同波长的光具有不同的光谱灵敏度。从此，CIE 1924曲线开始得到广泛应用，全世界的测光表都根据CIE 1924曲线来生产。标准挺好的，所以什么问题都没有了吗？维泽斯基（Wyszecki）和斯蒂尔斯（Stiles）在其所著的《色彩学》（Color Science）一书中，对光度、色度测量方法做出了开创性的研究，关于这条曲线，他们这样写道
“作为标准，这条明视觉光谱光视效率曲线参考了大量的光度数据，这些数据来源广泛，实验方法也多种多样。各项研究成果所得数据被平均化了，其实在紫光段，这些数据相差10倍之多，因而存在诸多不确定因素。这条曲线大大低估了短波的光谱灵敏度。”
观察者不具有普遍性（绝大多数观察者都是年轻男性，女性、儿童和老人的视觉敏感度几乎没有体现出来），检测方法似乎也存在缺陷。1924年，检测工作困难重重，现如今，也没好到哪里去。抛开色彩特性，红光比绿光亮了多少，这要怎么比，报告要怎么写？在当年，要获得光谱两端的窄波段蓝光和红光，并使其处于可控状态，这事可不好办。这项标准的缺陷可谓显而易见，那凭什么用了那么久？自发布以来，已经走过90个年头，在当今的检测方法和统计手段下，这项工作肯定能得到进一步改善！
如今，一定能取得长足进步。不过，就算CIE 1924 曲线有缺陷，这要放在过去，也不是个事。若光源的光谱是连续的，则CIE 1924曲线和相应的测光表完全够用，只有百分之几的误差。白炽灯拥有连续光谱，其蓝光、紫光含量也微乎其微，所以不存在这方面的问题。不过，对于窄波段LED光源来说，情况就变了。
3 窄波段LED光源
笔者在2008年写过一篇文章，谈到用不同的测光表来测量LED灯具，所测结果差距很大，RGB LED等混色灯具是重灾区。误差还真不小，在测量蓝光LED时发现，有时不同测光表的读数竟然相差10倍，甚至更高。有两点理由：其一，CIE 1924曲线大大低估了深蓝光的光谱灵敏度；其二，对测光表来说，蓝光几乎是不可见光，在这个波段内，存在很大误差。只要光源的光谱不连续，且含有很强的蓝光，这个问题就会或多或少暴露出来。比如，刚果蓝滤色片就有这个问题。色本上给出的刚果蓝滤色片的光谱透射率是很低的，而在舞台上看到的刚果蓝光总要亮得多，还比测光表测出来的要亮。
4 改进后的明视觉曲线
图2是一套新的CMF曲线，它发布于2007年，取代之前的1931CMF曲线。
可见，这3条曲线全都得到了修正。与之前相比，人眼对蓝光、红光的敏感度得到显著体现，对深蓝光的敏感度也得到进一步增强。多年来，涌现出许许多多的明视觉曲线V(λ)建议版本，它们都在CIE 1924曲线基础上取得了重大进步。一个研究团队综合了很多研究成果，再结合已知的人眼生理结构，提出一项新的方案。CIE准备采用这条曲线，把它命名为CIE 2012，《ANSI E1.48–2014舞台、演播室灯光用明视觉光谱光视效率函数》推荐性标准（ANSI E1.48 – 2014, A Recommended Luminous Efficiency Function for Stage and Studio Luminaire Photometry）中给出了这条曲线。图3就是E1.48曲线与CIE 1924曲线。
可见，人眼对蓝光的光谱灵敏度得到显著体现。在450nm单色蓝光处，新曲线下的光谱灵敏度是旧曲线的两倍。这更符合人眼真正感受到的亮度，深蓝光LED和刚果蓝光是完全可见的。
5 它会带来多大影响？
也许有人会问：好是好，但这不就是个理论吗？能给灯光实践带来多大影响呢？答：影响很大，深蓝光LED只是其中一个方面。笔者测量了几个实际光源，比较其在新旧两条曲线下的光通量（图4~图7），对于光照度，也是一样的。
对于绿光LED来说，E1.48曲线下的光通量只比CIE1924曲线多出2%，差距不大，在测光表所允许的误差范围内，所以无所谓。但对于红光，新曲线下的光通量要高出11%，对于蓝光，竟然高出47%。这可不是理论，这是人眼实实在在看到的光通量，时至今日，所测数据还是远低于实际数据。蓝光+黄色荧光粉的白光LED也未能幸免，E1.48曲线下的光通量要高出10%（译者注：图7中为8%）。要知道，人眼还是那双人眼、LED还是那个LED，是旧的CIE曲线和相应的测光表把蓝光低估了。究其原因，光度学不是一门精准的学科，它所依赖的数学模型是根据普通人的眼睛建立起来的，难免存在种种缺陷。要是测量LED的辐通量，读数始终保持一致，用不着明视觉曲线。辐通量是客观的物理量，而光通量不是（光通量与辐通量相对应）。
6 如何使用E1.48？
想让测光表厂家一夜之间转而采用CIE 2012 / ANSI E1.48明视觉曲线，这无异于天方夜谭。自CIE 1924曲线发布后，又陆续出现了许多这类曲线，但市场始终没有采用任何一条新曲线，那凭什么现在就会把曲线换掉呢？其实，几乎全世界的灯光行业都认为，CIE 1924曲线中的误差没有造成什么不利影响。除演艺灯光行业外，整个灯光行业差不多只用白光，测量白光时，误差很小。然而，演艺灯光行业特别喜欢用色光，对于蓝光的光谱灵敏度，误差翻了一番，这也太大了。
多希望数字式测光表能自带几条V(λ)曲线，以便用户选择想要的那一条。这点计算量真的微不足道，但笔者一定会为此拍手叫好。还有两种切实可行的方法。首先，先用光谱仪测量光源的辐射度量，再结合V(λ)曲线来算，Excel处理起来易如反掌。当然，光谱仪用起来不如测光表来得方便，好在市面上出现了几款体积小巧的便携式光谱仪，这样用起来就方便多了。图8是笔者使用的一款光谱仪。第二，用户可以要求灯光厂家提供基于ANSI E1.48 V(λ)曲线的光度数据，这一点至关重要，对于固态光源，更要这么做。反正，厂家是用光谱仪来测量的，提供这些数据的话，应该没什么大问题。
无论如何，CIE 1924曲线再用几年肯定不成问题，所以用起来要留个心眼，要用慧眼去识破它。每当用这样的测光表去测量窄波段LED，比如高饱和度的色光LED，就要提醒自己，读数偏低了，弄不好还大大偏低，尤其是深蓝光LED，要格外当心。本文反复强调，光度量不是客观的物理量，但只要测光表采用ANSI E1.48曲线，这个问题就会得到大幅改观。
（本文编译自美国《P R O T O C O L》杂志2 0 1 4年春季刊《Photopic curves—the old and the new》一文。）
选自《演艺科技》2021年第10期 原文/[美]迈克•伍德 编译/施 端 《新旧明视觉光谱光视效率曲线》，转载请标注：演艺科技传媒。更多详细内容请参阅《演艺科技》。
