CN1087716A

CN1087716A - 可见光的光谱光效率函数及测光仪表

Info

Publication number: CN1087716A
Application number: CN 93118883
Authority: CN
Inventors: 徐国名
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-10-22
Filing date: 1993-10-21
Publication date: 1994-06-08

Abstract

可见光的光通量、照度值的计量装置，采用大于1.3倍相对光谱光效率函数V_(λ)的积分值，其中包括采用太阳光相对光谱辐射值相近似的函数积分值，替代光通量标定公式中φ＝Km∫φeλV_(λ)dλ，照度值

中的V_(λ)作为新的视亮度相对光谱光效率函数Vc_(λ)，作为照度值、光通量计量仪表的标定。同时也可用Vc_(λ)作灯具、电源控制装置及其它计量、控制装置的标定。

本发明经自然法，光的质量天平，频谱能量分析、光的分解实验和应用证明V_(λ)不能成立，卤钨灯与其它光源相比是最节电的光源。本发明对预防近视，提高安全性，提高工作学习效率，节省能源、费用有积极的社会意义。

Description

本发明涉及人眼的视觉特征及测光仪表。具体涉及到人眼的可见光的明视觉光谱光效率函数与光通表、照度计和控制用灯具、电源控制装置及其它仪器仪表需用明视觉光谱光效率标定计量值的其它装置。

在1924年国际照明委员会（CIE）标定的人眼明视觉光谱光效率函数曲线V_（λ）是指导电光源科研、生产和应用的标准相对明视觉光谱灵敏度曲线;及近几年CIE正在进行的新的视亮度光谱光效率函数曲线V_b（λ）的认定工作，V_b（λ）的频谱比V_（λ）略向紫外区扩展，但扩展区不大。视亮度光谱效率函数曲线V_（λ）、V_b（λ）都是用匹配法测量的，是用光学滤光片采用组合的方法滤除其它单色光测定的，由于滤色片的光的衰减性，也就是说滤色片的本身具有光的误差;由于测量时是人眼在黑暗中人眼观察单色光的大小由于眩光的作用产生误差，即亮度较低的眩光，也会给人以明亮的感觉;人眼看到可见光的七色光区即光的波长从380nm-780nm内的可见光都能作用于人眼，其光谱的视觉特征只是明度不同，人眼可分辨整个可见光区（包括紫光区和红光区）的明度，而V_（λ）和V_b（λ）曲线只代表黄绿光区（峰值波长555nm）的光视觉最强;V_（λ）和V_b（λ）曲线测量中也采用标准观察者是采用V_（λ）曲线相符的光谱光效率曲线的测量仪表测定。上述测光方法与光和人眼的视觉效应不相符合。

V_（λ）和V_b（λ）曲线的测定是观察光的单色光的明度测定的，即以单色光的明暗产生人眼的眩光来测定光谱光效率函数曲线。本技术领域的技术人员都应该知道光的明度加法定理：“经验表明，混合光，不论光谱的成份如何，它所造成的表面明度等于各混合光各个组份分别产生的表面明度之和。明度加法定理对于不同光谱成份的光源作光度评价的一个重要前题”。见《测光技术基础》P11（轻工出版社出版）。塔尔博特定律也证明光的周期变化和人眼有中和光的能力。从明度的加法定理及现实应用证明，红光区和紫光都能以可见光作用于人眼产生光的质感效应;而现在标准的光度系统中的V_（λ）和V_b（λ）曲线只代表光的某一频段的明度，而不代表整个可见光的质量;可以用不同功率的普通白炽灯、荧光灯、卤钨灯、汞灯等日常用电光源放在一起点燃，从光源点上看，人并不能区分光的质量的大小，也就是说人只能分辨光源点的光的颜色的明暗，而明暗的大小不能代表光的辐射量作用于人眼的大小，也就是说光的明度即V_（λ）和V_b（λ）都不能代表光的质量的大小。

视觉过程是：物体发出的光进入眼睛后，在视网膜上形成影象，影象的照度与物体相应的亮度成比例，可以在眼睛中看到颜色，看到物体的运动特征。在可见光的应用中，光的质量的大小是产生视觉特征的光动能，而V_（λ）和V_b（λ）已经证明是代表光的明度，而明度的亮暗并不代表光的质量。人类不是直接观察光源的可见光的明度的明暗，而是间接从物体中感受到光质量的大小，在现实中太阳光在室内室外的光质量大小与明度的明暗无直接关系就能证明，所以说人类用光的目的与光的明度无直接关系。

自有人类以来，人类就生活在阳光下，人眼的视觉特征是完全适应了太阳光的连续的可见光谱的技术特征。而V_（λ），Vb_（λ）代表的视亮度光谱光效率函数的积分值约与太阳光的光谱辐射值的函数的积分值相差3.5倍以上，所以说任何一种单色光或多种单色光并不能完全取代太阳光的连续光谱的视觉特征。在91年7月召开的22届国际照明委员会（CIE）大会上已确认1924年建立的光度系统与人眼观察结果存在明显的差异。（见《科技日报》91年12月24日三版）

人类分辨物体的精细分辨力除自身的视觉特征外，与光的质量的大小有直接关系，分辨越细的物体其光质量要求大一点，分辨粗大的物体要求光的质量要小一点，这是自然法则。照度值的大小与工作学习的时间长短也有关系，工作时间长相应的照度值要高一点。人类照明的目的是既要分辨精细物品又要观察大件物品，所以说人类照明需要的照度值最低要达到一定的标准值，否则易引起视觉疲劳，降低工作、学习效率。目前我国已有40%人患近视，不能不说与荧光灯的低的光质量照明有直接的关系。

本发明克服V_（λ）、V_b（λ）代表的光的颜色的明度是采用滤光法匹配法测定的相对视亮度光谱光效率函数，只代表黄绿光作用于人眼产生亮度感觉，而忽视了其它频段的可见光作用于人眼的事实，太阳光对人类的生命、光的视觉起到决定性作用。本发明的目的克服人类长期以来评介光质量是以亮度衡量表面明度、直接观察光源的明度作为光质量的主要方向性错误。本发明提出一种视亮度光谱光效率函数替代V_（λ）、V_b（λ）视亮度光谱效率。

本发明的实施方法是：光通量、照度值是可见光的计量仪表，本发明采用大于1.3倍相对光谱光效率函数V_（λ）的积分值，其中包括本发明推荐采用晴天在地面上测定的太阳光相对光谱辐射值相近似的函数的积分值，替代光通量标定公式中Φ＝km∫ΦeλV_（λ）dλ、照度值E＝ (Φ)/(A2) 中的V_（λ），作为视亮度相对光谱光效率函数Vc_（λ）作为光通量、照度值计量仪表的标定;同时也可作灯具的照度控制、报警装置、电源控制装置及其它计量、控制的仪器仪表需用明视觉光谱光效率V_C（λ）标定计量值的其它装置。

上述可见光的光通量、照度值的计量仪表，其采用的工作原理是用光电转换部件将光转换成光电流，经量程手动或自动切换装置，经运算放大元件的运算放大到显示装置，显示装置包括指针式、数字式、文字打印式和带微处理器各种形式的计量仪表。

上述照度值，光通量表其光电转换部件可采用硒光电池加上V_C（λ）曲线或滤除红外、紫外线的光学、电子匹配法，其将可见光转换为正比电压电流适用于可见光的测光仪器仪表中。

太阳光相对光谱辐射函数

光谱相对光的波长（nm) 辐射函数	光谱相对光的波长（nm）辐射函数
		380 0.330400 0.440425 0.638450 0.833475 0.995500 0.993525 0.992550 0.990	575 0.988600 0.986625 0.984650 0.982675 0.980700 0.978725 0.840750 0.715780 0.556

上述可见光测光仪器仪表其光电转换部件采用式只或式只以上到多只的对可见光有足够灵敏度的光电接收器，如光电管、光电池、光电二极管、光电阻和光晶体管，分别加上不同色的滤色片合成符合V_C（λ）曲线的光学，电子匹配法，将可见光转换成正比电压电流适用可见光测光仪器仪表及控制装置用。

为直观的比较，本发明将V_（λ）曲线和本发明提出的太阳光相对光谱辐射函数制成说明书附图。上述函数值中横座标为光的波长;竖座标为V_（λ）光谱函数和太阳相对光谱辐射率函数曲线;其最大相对值为1.00，与横座标的交点为0起点。在说明书的附图中，①-代表V_（λ）曲线，②-·-·代表太阳光曲线。

由于太阳光的相对光谱辐射率是恒定的，光度计是标准计量单位仪表，所以在地面上测定的太阳光谱的相对辐射率也是恒定的。

本发明提出新的视亮度相对光谱光效率曲线V_C（λ）替代V_（λ）作可见光计量装置的标定，经下列证明是能够成立的：

（一）、自然法则证明。太阳光的光谱自人类以来一直作用于视觉特征，任何以一种或几种单色光的光谱光效率替代太阳光的光谱的视觉特征都是不能成立的。也就是说任何一种光源的光谱特征并不能完全取代太阳光的连续光谱的视觉特征。

（二）、光的质量天平法。世界上对物质的质量发明了天平法，在光质量的比较上也有光质量天平。光质量的大小采用光的相减原理证明的，本发明提出光的阴影效应：

“当两个光源以不同的角度等距离照射某一物体时，光源在物体的相对面产生阴影，由于光的中和作用，光质量强的光源在物体的背面产生的阴影要浓黑一点，光质量弱的光源在物体的背面产生的阴影要浅黑些;光质量强的光源在物体上形成的照度值与阴影对比形成的质感要强烈些，上述自然现象叫光的阴影效应。在不等距离上，距离大的光源在阴影效应中浅黑相等的情况下光质量要大一点”。阴影效应是直接比较光源的可见光各个组份的全部合成可见光的光质量大小的一种自然法则，由于没有附加仪表、方法、试验条件也相等，所以不存在技术性、人为的错误。采用阴影效应时，单只光源只是黑暗效应没有光的中和作用，所以不能证明光质量的大小。采用光的阴影效应时必须注意三要素：

1、有二个光源点;2、被照射物体不能细长短小，否则轮廓效应造成阴影不明显;3、尽量减少其它杂散光的影响。

采用阴影效应对比实例：

1、耗电15W的9WH灯的540 lm远小于220V 25W的220 lm普灯的光质量;仅约相当白炽灯的180 lm的光质量;

2、耗电37W的30W环形荧光灯的1550 lm与220V、60W普灯的630 lm的光质量相当;

3、60W的普灯的光质量大于40W普灯的光质量;

4、耗电48W的40W荧光灯2200 lm小于普灯的100W1250 lm的光质量;

5、125W自镇流高压汞灯大于1600 lm的光通量是含汞弧放电管，白炽体和荧光物质三种要素同时发光的一种复合光源，由于有白炽体光谱特征，估计与普灯800 lm的光质量相当，但远小于100W 220V 1250tm的光质量。

6、耗电40W的37W卤钨灯的800 lm的低电压照明系统其光质量与耗电48W的40W荧光灯的2200 lm的照明系统相当。

注：上述光源比较都不采用灯具，只用室内反光;荧光灯点燃100小时后测定，灯泡为外购件。

（三）、频谱积分法和能量分布法

把白炽灯的可见光的频谱的相对辐射值的分布放在本说明书中的附图中太阳光光谱辐射函数中发现，现在的光学测量系统只测量了白炽灯可见光谱的辐射能量0.4倍，另外的可见光辐射能量的0.6倍排斥在现有的测量方法之外，用太阳光的光谱特征就不会发生排斥现象。用频谱分析法能解释为什么白炽灯的800 lm与荧光灯的2200 lm的光质量相当，因为荧光灯的光谱相对能量辐射与现有的光度测量系统相吻合。荧光灯的光谱能量分布与白炽灯的光谱能量分布见天津科学技术出版社84年10月版《照明工程设计册》P32中图2-17和P23中图2-3中。

由于V_（λ）的光谱特征只代表黄绿光的光谱特征作用人眼的视觉特征，世界上的电光源界为符合V_（λ）的视觉特征，生产了相当多在550nm处有一特强光波长的电光源产品，如上述的荧光灯的光谱特征。在中国建筑工业出版社85年9月版，由日本照明学会编著的《照明设计手册》中，各种电光源的频谱分布如下：图6-24各种荧光灯的光谱分布;图6-25三基色荧光灯的光谱分布;图6-45高压汞灯的光谱分布;图6-54普通照明用金属卤化物灯的光谱分布;图6-57高压钠灯的光谱分布;图6-70 Na-TI-Ga短弧金属卤化物灯;图6-71 DY-Ho-Tm短弧金属卤化物灯的光谱分布等电光源的产品的频谱分析得知：上述电光源相对光谱辐射量仅约相当于白炽灯光谱辐射量（相对）0.5倍-0.1倍之间。国外在采用的五基色，七基色荧光灯也可用光的阴影效应和能量分布来证明光的质量大小。

（四）、光的分解实验证明：

本发明曾用太阳光在普通三棱镜上作分解实验，太阳光通过三棱镜的折射分解投影到屏幕上会出现红、绿、紫三种主要基色光;在上述三基色的交界面分别出现橙、黄和青、蓝四种颜色的分解光，但占比例很少。从太阳光的分解看，光有以下直视特征：（1）.从红光区到紫光区的分解光都可见;（2）.从光的分解及众多的书本资料证明，太阳光的辐射相对能量在可见光区近线一条直线;（3）.在三棱镜中用减光法能证明，各个单色光的明度相等，无V_（λ）曲线的明显的明度之分;（4）.从光的三基色原理，黄色光可由红光及绿光按比例合成，故V_（λ）明度比其它单色光有特别的明度无实践证明;（5）.从光的三棱镜分解，由于多重界面的折射，波长越短，折射越显著，如紫色光投射面会扩大数倍，相应的紫色光在屏幕上的辐射能略低。

三棱镜也可作电光源光质量大小的证明，可从折射光的各个单色光的明度的辐射相对值比较，本发明曾对比60W普灯与30W环形荧光灯，从三棱镜的折射光看，60W普灯的光质量大于30W荧光灯的光质量。

（五）、应用实例证明：

1、本发明曾用北京师范大学光电仪器厂生产的ST-80B型照度计、数字化仪表（测量中荧光灯用原灯具、镇流器、灯管为新灯管点燃100小时后测定，白炽灯无灯具，电光源选用成品），测定光源的照度值（现标准）如下：

从上述照度测定比较后发现在相同的室内条件下，荧光灯、白炽灯的照度值与光通量是不正比的。由于荧光灯的光谱在可见光光谱的能量最高仅约相当于白炽灯光谱的平均能量的0.5倍，也就是说荧光灯的2200 lm的光通量仅约相当于耗电40W的37W卤钨灯低压照明的800 lm的光质量;9W H灯从照度值分析其光质量也远小于220V25W的光质量。

2、现有书本资料证明：

（1）、据《简明电工手册》1981年7月版P1277关于一般照明照度参考值数值表中白炽灯与荧光灯最低照度值（lx）之比，荧光灯的实际照度值应为白炽灯的2.0-2.5倍，人类对荧光灯的光质量也作出正确的评价：

（2）、据《照明工程设计手册》P384一般教室照明也证明荧光灯的照度值也要大于白炽灯照度值的一倍;

（3）、据《贵阳晚报》89年10月27日三版《光与工作效率》一文介绍：高压钠灯的亮度要提高7.5倍才相当于全色光谱的灯时的工作效率。

纵上所述本发明提出新的光度系统符合光质量人的光视觉特征，且用光的方法与太阳光的光视觉特征相近似。V_（λ）、V_b（λ）是经实践证明是不能成立的理论。

本发明的提出，使人类重新对自然界的人眼视觉光效能有一正确的认识，对开发高效、节能、应用简便，光质量高的电光源产品应用照明领域有重大的社会意义;对提高人类的光照强度，防止近视，提高工作学习效率，提高身体健康。人类长期以来所依赖的所谓高效节电光源，如荧光灯、三基色（含其它基色）荧光灯、高压汞灯、高低压钠灯和某些金属卤化物灯，由于本发明推翻现有的光度系统沦为低光效的电光源产品，而遭淘汰，所谓荧光灯比白炽灯节电80%的理论根据也不复存在。卤钨灯和低电压卤钨灯的热辐射型电光源产品是目前唯一应用于日常照明且节电效率最高的电光源产品。本发明对节省能源、节省费用也有重大的社会意义！

Claims

1、可见光的光通量、照度值的计量仪表，其采用光电转换部件、量程手动或自动换挡装置、运算放大器和带显示装置组成，其中包括指针式、数字式、文字打印式和带微处理器的各种形式的计量仪表，其特征在于采用大于1.3倍相对光谱光效率函数V_(λ)的积分值，其中包括本发明推荐采用晴天在地面上测定的太阳光相对光谱辐射值相近似的函数的积分值，替代光通量标定公式中Φ=Km∫ΦeλV_(λ)dλ，照度值E= (Φ)/(A2) 中的V_(λ)，作为新的视亮度相对光谱光效率函数Vc_(λ)，作为光通量、照度值计量仪表的标定；同时也作灯具的照度控制，报警装置、电源控制装置及其它计量、控制的仪器仪表需用明视觉光谱光效率Vc_(λ)标定计量值的其它装置。

太阳光相对光谱辐射函数 光谱相对光的波长（nm) 辐射函数光谱相对光的波长（nm）辐射函数 380 0.330400 0.440425 0.638450 0.833475 0.995500 0.993525 0.992550 0.990 575 0.988600 0.986625 0.984650 0.982675 0.980700 0.978725 0.840750 0.715780 0.556

上述太阳光函数值中横座标为光的波长，竖座标为太阳光相对光谱光效率函数，其最大相对值为1.00，与横座标的交点为0起点。在地面上测定的太阳光光谱辐射率相对来讲也是恒定的。

2、按照权利要求书1所述的可见光测光仪表及控制装置，其特征在于光电转换部件采用硒光电池加上V_C（λ）曲线和滤除红外线、紫外线的光学或电子匹配法，将可见光转换成正比电压电流适用于可见光的测光仪器仪表及控制装置用。

3、按照权利要求1所述的可见光测光仪器仪表及控制装置，其特征在于光电转换部件采用式只或式只以上的到多只的对可见光有足够灵敏度的光电接收器，如光电管、光电池、光电二极管、光电阻和光晶体管，分别加上不同色的滤色片合成符合V_C（λ）曲线的光学、电子匹配法，将可见光转换成正比电压电流适用于可见光的测光仪器仪表及控制装置用。