專利名稱：可見光的光譜光效率函數(shù)及測(cè)光儀表的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及人眼的視覺特征及測(cè)光儀表。具體涉及到人眼的可見光的明視覺光譜光效率函數(shù)與光通表、照度計(jì)和控制用燈具、電源控制裝置及其它儀器儀表需用明視覺光譜光效率標(biāo)定計(jì)量值的其它裝置。
在1924年國際照明委員會(huì)(CIE)標(biāo)定的人眼明視覺光譜光效率函數(shù)曲線V(λ)是指導(dǎo)電光源科研、生產(chǎn)和應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)明視覺光譜靈敏度曲線;及近幾年CIE正在進(jìn)行的新的視亮度光譜光效率函數(shù)曲線Vb(λ)的認(rèn)定工作，Vb(λ)的頻譜比V(λ)略向紫外區(qū)擴(kuò)展，但擴(kuò)展區(qū)不大。視亮度光譜效率函數(shù)曲線V(λ)、Vb(λ)都是用匹配法測(cè)量的，是用光學(xué)濾光片采用組合的方法濾除其它單色光測(cè)定的，由于濾色片的光的衰減性，也就是說濾色片的本身具有光的誤差;由于測(cè)量時(shí)是人眼在黑暗中人眼觀察單色光的大小由于眩光的作用產(chǎn)生誤差，即亮度較低的眩光，也會(huì)給人以明亮的感覺;人眼看到可見光的七色光區(qū)即光的波長從380nm-780nm內(nèi)的可見光都能作用于人眼，其光譜的視覺特征只是明度不同，人眼可分辨整個(gè)可見光區(qū)(包括紫光區(qū)和紅光區(qū))的明度，而V(λ)和Vb(λ)曲線只代表黃綠光區(qū)(峰值波長555nm)的光視覺最強(qiáng);V(λ)和Vb(λ)曲線測(cè)量中也采用標(biāo)準(zhǔn)觀察者是采用V(λ)曲線相符的光譜光效率曲線的測(cè)量儀表測(cè)定。上述測(cè)光方法與光和人眼的視覺效應(yīng)不相符合。
V(λ)和Vb(λ)曲線的測(cè)定是觀察光的單色光的明度測(cè)定的，即以單色光的明暗產(chǎn)生人眼的眩光來測(cè)定光譜光效率函數(shù)曲線。本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員都應(yīng)該知道光的明度加法定理“經(jīng)驗(yàn)表明，混合光，不論光譜的成份如何，它所造成的表面明度等于各混合光各個(gè)組份分別產(chǎn)生的表面明度之和。明度加法定理對(duì)于不同光譜成份的光源作光度評(píng)價(jià)的一個(gè)重要前題”。見《測(cè)光技術(shù)基礎(chǔ)》P11(輕工出版社出版)。塔爾博特定律也證明光的周期變化和人眼有中和光的能力。從明度的加法定理及現(xiàn)實(shí)應(yīng)用證明，紅光區(qū)和紫光都能以可見光作用于人眼產(chǎn)生光的質(zhì)感效應(yīng);而現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)的光度系統(tǒng)中的V(λ)和Vb(λ)曲線只代表光的某一頻段的明度，而不代表整個(gè)可見光的質(zhì)量;可以用不同功率的普通白熾燈、熒光燈、鹵鎢燈、汞燈等日常用電光源放在一起點(diǎn)燃，從光源點(diǎn)上看，人并不能區(qū)分光的質(zhì)量的大小，也就是說人只能分辨光源點(diǎn)的光的顏色的明暗，而明暗的大小不能代表光的輻射量作用于人眼的大小，也就是說光的明度即V(λ)和Vb(λ)都不能代表光的質(zhì)量的大小。
視覺過程是物體發(fā)出的光進(jìn)入眼睛后，在視網(wǎng)膜上形成影象，影象的照度與物體相應(yīng)的亮度成比例，可以在眼睛中看到顏色，看到物體的運(yùn)動(dòng)特征。在可見光的應(yīng)用中，光的質(zhì)量的大小是產(chǎn)生視覺特征的光動(dòng)能，而V(λ)和Vb(λ)已經(jīng)證明是代表光的明度，而明度的亮暗并不代表光的質(zhì)量。人類不是直接觀察光源的可見光的明度的明暗，而是間接從物體中感受到光質(zhì)量的大小，在現(xiàn)實(shí)中太陽光在室內(nèi)室外的光質(zhì)量大小與明度的明暗無直接關(guān)系就能證明，所以說人類用光的目的與光的明度無直接關(guān)系。
自有人類以來，人類就生活在陽光下，人眼的視覺特征是完全適應(yīng)了太陽光的連續(xù)的可見光譜的技術(shù)特征。而V(λ)，Vb(λ)代表的視亮度光譜光效率函數(shù)的積分值約與太陽光的光譜輻射值的函數(shù)的積分值相差3.5倍以上，所以說任何一種單色光或多種單色光并不能完全取代太陽光的連續(xù)光譜的視覺特征。在91年7月召開的22屆國際照明委員會(huì)(CIE)大會(huì)上已確認(rèn)1924年建立的光度系統(tǒng)與人眼觀察結(jié)果存在明顯的差異。(見《科技日?qǐng)?bào)》91年12月24日三版)人類分辨物體的精細(xì)分辨力除自身的視覺特征外，與光的質(zhì)量的大小有直接關(guān)系，分辨越細(xì)的物體其光質(zhì)量要求大一點(diǎn)，分辨粗大的物體要求光的質(zhì)量要小一點(diǎn)，這是自然法則。照度值的大小與工作學(xué)習(xí)的時(shí)間長短也有關(guān)系，工作時(shí)間長相應(yīng)的照度值要高一點(diǎn)。人類照明的目的是既要分辨精細(xì)物品又要觀察大件物品，所以說人類照明需要的照度值最低要達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)值，否則易引起視覺疲勞，降低工作、學(xué)習(xí)效率。目前我國已有40%人患近視，不能不說與熒光燈的低的光質(zhì)量照明有直接的關(guān)系。
本發(fā)明克服V(λ)、Vb(λ)代表的光的顏色的明度是采用濾光法匹配法測(cè)定的相對(duì)視亮度光譜光效率函數(shù)，只代表黃綠光作用于人眼產(chǎn)生亮度感覺，而忽視了其它頻段的可見光作用于人眼的事實(shí)，太陽光對(duì)人類的生命、光的視覺起到?jīng)Q定性作用。本發(fā)明的目的克服人類長期以來評(píng)介光質(zhì)量是以亮度衡量表面明度、直接觀察光源的明度作為光質(zhì)量的主要方向性錯(cuò)誤。本發(fā)明提出一種視亮度光譜光效率函數(shù)替代V(λ)、Vb(λ)視亮度光譜效率。
本發(fā)明的實(shí)施方法是光通量、照度值是可見光的計(jì)量儀表，本發(fā)明采用大于1.3倍相對(duì)光譜光效率函數(shù)V(λ)的積分值，其中包括本發(fā)明推薦采用晴天在地面上測(cè)定的太陽光相對(duì)光譜輻射值相近似的函數(shù)的積分值，替代光通量標(biāo)定公式中Φ＝km∫ΦeλV(λ)dλ、照度值E＝ (Φ)/(A2) 中的V(λ)，作為視亮度相對(duì)光譜光效率函數(shù)Vc(λ)作為光通量、照度值計(jì)量儀表的標(biāo)定;同時(shí)也可作燈具的照度控制、報(bào)警裝置、電源控制裝置及其它計(jì)量、控制的儀器儀表需用明視覺光譜光效率VC(λ)標(biāo)定計(jì)量值的其它裝置。
上述可見光的光通量、照度值的計(jì)量儀表，其采用的工作原理是用光電轉(zhuǎn)換部件將光轉(zhuǎn)換成光電流，經(jīng)量程手動(dòng)或自動(dòng)切換裝置，經(jīng)運(yùn)算放大元件的運(yùn)算放大到顯示裝置，顯示裝置包括指針式、數(shù)字式、文字打印式和帶微處理器各種形式的計(jì)量儀表。
上述照度值，光通量表其光電轉(zhuǎn)換部件可采用硒光電池加上VC(λ)曲線或?yàn)V除紅外、紫外線的光學(xué)、電子匹配法，其將可見光轉(zhuǎn)換為正比電壓電流適用于可見光的測(cè)光儀器儀表中。
太陽光相對(duì)光譜輻射函數(shù)
上述可見光測(cè)光儀器儀表其光電轉(zhuǎn)換部件采用式只或式只以上到多只的對(duì)可見光有足夠靈敏度的光電接收器，如光電管、光電池、光電二極管、光電阻和光晶體管，分別加上不同色的濾色片合成符合VC(λ)曲線的光學(xué)，電子匹配法，將可見光轉(zhuǎn)換成正比電壓電流適用可見光測(cè)光儀器儀表及控制裝置用。
為直觀的比較，本發(fā)明將V(λ)曲線和本發(fā)明提出的太陽光相對(duì)光譜輻射函數(shù)制成說明書附圖
。上述函數(shù)值中橫座標(biāo)為光的波長;豎座標(biāo)為V(λ)光譜函數(shù)和太陽相對(duì)光譜輻射率函數(shù)曲線;其最大相對(duì)值為1.00，與橫座標(biāo)的交點(diǎn)為0起點(diǎn)。在說明書的附圖中，①-代表V(λ)曲線，②-·-·代表太陽光曲線。
由于太陽光的相對(duì)光譜輻射率是恒定的，光度計(jì)是標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量單位儀表，所以在地面上測(cè)定的太陽光譜的相對(duì)輻射率也是恒定的。
本發(fā)明提出新的視亮度相對(duì)光譜光效率曲線VC(λ)替代V(λ)作可見光計(jì)量裝置的標(biāo)定，經(jīng)下列證明是能夠成立的(一)、自然法則證明。太陽光的光譜自人類以來一直作用于視覺特征，任何以一種或幾種單色光的光譜光效率替代太陽光的光譜的視覺特征都是不能成立的。也就是說任何一種光源的光譜特征并不能完全取代太陽光的連續(xù)光譜的視覺特征。
(二)、光的質(zhì)量天平法。世界上對(duì)物質(zhì)的質(zhì)量發(fā)明了天平法，在光質(zhì)量的比較上也有光質(zhì)量天平。光質(zhì)量的大小采用光的相減原理證明的，本發(fā)明提出光的陰影效應(yīng)“當(dāng)兩個(gè)光源以不同的角度等距離照射某一物體時(shí)，光源在物體的相對(duì)面產(chǎn)生陰影，由于光的中和作用，光質(zhì)量強(qiáng)的光源在物體的背面產(chǎn)生的陰影要濃黑一點(diǎn)，光質(zhì)量弱的光源在物體的背面產(chǎn)生的陰影要淺黑些;光質(zhì)量強(qiáng)的光源在物體上形成的照度值與陰影對(duì)比形成的質(zhì)感要強(qiáng)烈些，上述自然現(xiàn)象叫光的陰影效應(yīng)。在不等距離上，距離大的光源在陰影效應(yīng)中淺黑相等的情況下光質(zhì)量要大一點(diǎn)”。陰影效應(yīng)是直接比較光源的可見光各個(gè)組份的全部合成可見光的光質(zhì)量大小的一種自然法則，由于沒有附加儀表、方法、試驗(yàn)條件也相等，所以不存在技術(shù)性、人為的錯(cuò)誤。采用陰影效應(yīng)時(shí)，單只光源只是黑暗效應(yīng)沒有光的中和作用，所以不能證明光質(zhì)量的大小。采用光的陰影效應(yīng)時(shí)必須注意三要素1、有二個(gè)光源點(diǎn);2、被照射物體不能細(xì)長短小，否則輪廓效應(yīng)造成陰影不明顯;3、盡量減少其它雜散光的影響。
采用陰影效應(yīng)對(duì)比實(shí)例1、耗電15W的9WH燈的540lm遠(yuǎn)小于220V25W的220lm普燈的光質(zhì)量;僅約相當(dāng)白熾燈的180lm的光質(zhì)量;
2、耗電37W的30W環(huán)形熒光燈的1550lm與220V、60W普燈的630lm的光質(zhì)量相當(dāng);
3、60W的普燈的光質(zhì)量大于40W普燈的光質(zhì)量;
4、耗電48W的40W熒光燈2200lm小于普燈的100W1250lm的光質(zhì)量;
5、125W自鎮(zhèn)流高壓汞燈大于1600lm的光通量是含汞弧放電管，白熾體和熒光物質(zhì)三種要素同時(shí)發(fā)光的一種復(fù)合光源，由于有白熾體光譜特征，估計(jì)與普燈800lm的光質(zhì)量相當(dāng)，但遠(yuǎn)小于100W220V1250tm的光質(zhì)量。
6、耗電40W的37W鹵鎢燈的800lm的低電壓照明系統(tǒng)其光質(zhì)量與耗電48W的40W熒光燈的2200lm的照明系統(tǒng)相當(dāng)。
注上述光源比較都不采用燈具，只用室內(nèi)反光;熒光燈點(diǎn)燃100小時(shí)后測(cè)定，燈泡為外購件。
(三)、頻譜積分法和能量分布法把白熾燈的可見光的頻譜的相對(duì)輻射值的分布放在本說明書中的附圖中太陽光光譜輻射函數(shù)中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)只測(cè)量了白熾燈可見光譜的輻射能量0.4倍，另外的可見光輻射能量的0.6倍排斥在現(xiàn)有的測(cè)量方法之外，用太陽光的光譜特征就不會(huì)發(fā)生排斥現(xiàn)象。用頻譜分析法能解釋為什么白熾燈的800lm與熒光燈的2200lm的光質(zhì)量相當(dāng)，因?yàn)闊晒鉄舻墓庾V相對(duì)能量輻射與現(xiàn)有的光度測(cè)量系統(tǒng)相吻合。熒光燈的光譜能量分布與白熾燈的光譜能量分布見天津科學(xué)技術(shù)出版社84年10月版《照明工程設(shè)計(jì)冊(cè)》P32中圖2-17和P23中圖2-3中。
由于V(λ)的光譜特征只代表黃綠光的光譜特征作用人眼的視覺特征，世界上的電光源界為符合V(λ)的視覺特征，生產(chǎn)了相當(dāng)多在550nm處有一特強(qiáng)光波長的電光源產(chǎn)品，如上述的熒光燈的光譜特征。在中國建筑工業(yè)出版社85年9月版，由日本照明學(xué)會(huì)編著的《照明設(shè)計(jì)手冊(cè)》中，各種電光源的頻譜分布如下圖6-24各種熒光燈的光譜分布;圖6-25三基色熒光燈的光譜分布;圖6-45高壓汞燈的光譜分布;圖6-54普通照明用金屬鹵化物燈的光譜分布;圖6-57高壓鈉燈的光譜分布;圖6-70 Na-TI-Ga短弧金屬鹵化物燈;圖6-71 DY-Ho-Tm短弧金屬鹵化物燈的光譜分布等電光源的產(chǎn)品的頻譜分析得知上述電光源相對(duì)光譜輻射量僅約相當(dāng)于白熾燈光譜輻射量(相對(duì))0.5倍-0.1倍之間。國外在采用的五基色，七基色熒光燈也可用光的陰影效應(yīng)和能量分布來證明光的質(zhì)量大小。
(四)、光的分解實(shí)驗(yàn)證明本發(fā)明曾用太陽光在普通三棱鏡上作分解實(shí)驗(yàn)，太陽光通過三棱鏡的折射分解投影到屏幕上會(huì)出現(xiàn)紅、綠、紫三種主要基色光;在上述三基色的交界面分別出現(xiàn)橙、黃和青、藍(lán)四種顏色的分解光，但占比例很少。從太陽光的分解看，光有以下直視特征(1).從紅光區(qū)到紫光區(qū)的分解光都可見;(2).從光的分解及眾多的書本資料證明，太陽光的輻射相對(duì)能量在可見光區(qū)近線一條直線;(3).在三棱鏡中用減光法能證明，各個(gè)單色光的明度相等，無V(λ)曲線的明顯的明度之分;(4).從光的三基色原理，黃色光可由紅光及綠光按比例合成，故V(λ)明度比其它單色光有特別的明度無實(shí)踐證明;(5).從光的三棱鏡分解，由于多重界面的折射，波長越短，折射越顯著，如紫色光投射面會(huì)擴(kuò)大數(shù)倍，相應(yīng)的紫色光在屏幕上的輻射能略低。
三棱鏡也可作電光源光質(zhì)量大小的證明，可從折射光的各個(gè)單色光的明度的輻射相對(duì)值比較，本發(fā)明曾對(duì)比60W普燈與30W環(huán)形熒光燈，從三棱鏡的折射光看，60W普燈的光質(zhì)量大于30W熒光燈的光質(zhì)量。
(五)、應(yīng)用實(shí)例證明1、本發(fā)明曾用北京師范大學(xué)光電儀器廠生產(chǎn)的ST-80B型照度計(jì)、數(shù)字化儀表(測(cè)量中熒光燈用原燈具、鎮(zhèn)流器、燈管為新燈管點(diǎn)燃100小時(shí)后測(cè)定，白熾燈無燈具，電光源選用成品)，測(cè)定光源的照度值(現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn))如下
從上述照度測(cè)定比較后發(fā)現(xiàn)在相同的室內(nèi)條件下，熒光燈、白熾燈的照度值與光通量是不正比的。由于熒光燈的光譜在可見光光譜的能量最高僅約相當(dāng)于白熾燈光譜的平均能量的0.5倍，也就是說熒光燈的2200lm的光通量僅約相當(dāng)于耗電40W的37W鹵鎢燈低壓照明的800lm的光質(zhì)量;9WH燈從照度值分析其光質(zhì)量也遠(yuǎn)小于220V25W的光質(zhì)量。
2、現(xiàn)有書本資料證明(1)、據(jù)《簡(jiǎn)明電工手冊(cè)》1981年7月版P1277關(guān)于一般照明照度參考值數(shù)值表中白熾燈與熒光燈最低照度值(lx)之比，熒光燈的實(shí)際照度值應(yīng)為白熾燈的2.0-2.5倍，人類對(duì)熒光燈的光質(zhì)量也作出正確的評(píng)價(jià)
(2)、據(jù)《照明工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》P384一般教室照明也證明熒光燈的照度值也要大于白熾燈照度值的一倍;
(3)、據(jù)《貴陽晚報(bào)》89年10月27日三版《光與工作效率》一文介紹高壓鈉燈的亮度要提高7.5倍才相當(dāng)于全色光譜的燈時(shí)的工作效率。
縱上所述本發(fā)明提出新的光度系統(tǒng)符合光質(zhì)量人的光視覺特征，且用光的方法與太陽光的光視覺特征相近似。V(λ)、Vb(λ)是經(jīng)實(shí)踐證明是不能成立的理論。
本發(fā)明的提出，使人類重新對(duì)自然界的人眼視覺光效能有一正確的認(rèn)識(shí)，對(duì)開發(fā)高效、節(jié)能、應(yīng)用簡(jiǎn)便，光質(zhì)量高的電光源產(chǎn)品應(yīng)用照明領(lǐng)域有重大的社會(huì)意義;對(duì)提高人類的光照強(qiáng)度，防止近視，提高工作學(xué)習(xí)效率，提高身體健康。人類長期以來所依賴的所謂高效節(jié)電光源，如熒光燈、三基色(含其它基色)熒光燈、高壓汞燈、高低壓鈉燈和某些金屬鹵化物燈，由于本發(fā)明推翻現(xiàn)有的光度系統(tǒng)淪為低光效的電光源產(chǎn)品，而遭淘汰，所謂熒光燈比白熾燈節(jié)電80%的理論根據(jù)也不復(fù)存在。鹵鎢燈和低電壓鹵鎢燈的熱輻射型電光源產(chǎn)品是目前唯一應(yīng)用于日常照明且節(jié)電效率最高的電光源產(chǎn)品。本發(fā)明對(duì)節(jié)省能源、節(jié)省費(fèi)用也有重大的社會(huì)意義！
權(quán)利要求
1.可見光的光通量、照度值的計(jì)量儀表，其采用光電轉(zhuǎn)換部件、量程手動(dòng)或自動(dòng)換擋裝置、運(yùn)算放大器和帶顯示裝置組成，其中包括指針式、數(shù)字式、文字打印式和帶微處理器的各種形式的計(jì)量儀表，其特征在于采用大于1.3倍相對(duì)光譜光效率函數(shù)V(λ)的積分值，其中包括本發(fā)明推薦采用晴天在地面上測(cè)定的太陽光相對(duì)光譜輻射值相近似的函數(shù)的積分值，替代光通量標(biāo)定公式中Φ=Km∫ΦeλV(λ)dλ，照度值E= (Φ)/(A2) 中的V(λ)，作為新的視亮度相對(duì)光譜光效率函數(shù)Vc(λ)，作為光通量、照度值計(jì)量儀表的標(biāo)定；同時(shí)也作燈具的照度控制，報(bào)警裝置、電源控制裝置及其它計(jì)量、控制的儀器儀表需用明視覺光譜光效率Vc(λ)標(biāo)定計(jì)量值的其它裝置。太陽光相對(duì)光譜輻射函數(shù)
上述太陽光函數(shù)值中橫座標(biāo)為光的波長，豎座標(biāo)為太陽光相對(duì)光譜光效率函數(shù)，其最大相對(duì)值為1.00，與橫座標(biāo)的交點(diǎn)為0起點(diǎn)。在地面上測(cè)定的太陽光光譜輻射率相對(duì)來講也是恒定的。
2.按照權(quán)利要求書1所述的可見光測(cè)光儀表及控制裝置，其特征在于光電轉(zhuǎn)換部件采用硒光電池加上VC(λ)曲線和濾除紅外線、紫外線的光學(xué)或電子匹配法，將可見光轉(zhuǎn)換成正比電壓電流適用于可見光的測(cè)光儀器儀表及控制裝置用。
3.按照權(quán)利要求1所述的可見光測(cè)光儀器儀表及控制裝置，其特征在于光電轉(zhuǎn)換部件采用式只或式只以上的到多只的對(duì)可見光有足夠靈敏度的光電接收器，如光電管、光電池、光電二極管、光電阻和光晶體管，分別加上不同色的濾色片合成符合VC(λ)曲線的光學(xué)、電子匹配法，將可見光轉(zhuǎn)換成正比電壓電流適用于可見光的測(cè)光儀器儀表及控制裝置用。
全文摘要
可見光的光通量、照度值的計(jì)量裝置，采用大于1.3倍相對(duì)光譜光效率函數(shù)V本發(fā)明經(jīng)自然法，光的質(zhì)量天平，頻譜能量分析、光的分解實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用證明V
文檔編號(hào)G01J1/00GK1087716SQ9311888
公開日1994年6月8日 申請(qǐng)日期1993年10月21日 優(yōu)先權(quán)日1992年10月22日
發(fā)明者徐國名 申請(qǐng)人:徐國名