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家禽光照的正確表達

2020-03-26    

中國照明網報道

   作者:許東  

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導語: 光度學的光通量參數,國際標準定義為:根據輻射對 CIE標準光度觀察者的作用,從輻射通量Фe 導出的光度量,單位是流明(lm)。

  1、一個需要重新認知的問題

  光度學的光通量參數,國際標準定義為:根據輻射對 CIE標準光度觀察者的作用,從輻射通量Фe 導出的光度量,單位是流明(lm)。

  注意這里的觀察者是人,也就是說光通量是人眼對光輻射的視覺響應,研究照明的時候,由于光源應用的對象是人本身,往往會忽視光度學里的光通量只能是適用于人眼這個問題。

  正是因為這一點,往往會產生認知錯誤,因為在光源下觀察動植物的時候,會認為動植物感受的光照與我們人一樣,請注意,你只是個觀察者,大多數情況下,人使用光源僅僅是為了看清楚這些動物,很容易誤認為那些動物和你一樣看也看清楚了你和周圍物質。

  那么動植物感受到的光照是什么樣的?或者說動植物的光受體感受到的光輻射是怎樣的感受?這里可以給出完全肯定的回答,是完全不同的。

  還有就是光色問題,光色也僅僅是人眼視覺的表述,而沒有其他表述。

  從物理角度來看,光本身是沒有顏色的,因為顏色是人定義的,這個光的本質認知如果沒有建立,很難去研究生物光學的應用。

  對于研究動植物對光照的感受,生物光學只是圍繞光受體進行研究,與人眼毫無關系,但是,我們在撰寫論文的時候,還是用人眼觀察的狀況進行描述,也就是用人眼的感受去描述,這是因為語言本身是為人與人的交流而制定。

  這會導致我們認為動植物也是感受同樣的光量和光色,這是大多數人容易形成錯誤的認知。

  2、光源的光通量是如何計算出來的

  對于人眼,光通量是根據光源光譜輻射的功率與人眼視效函數乘積后通過對波長的積分計算得出,參考下面這個圖1

1585208386992054.jpg
圖1

  圖1是歸一化的曲線,藍色曲線是輻射功率對波長的分布曲線,黑色曲線是光通量對波長的分布曲線,黑色曲線圍成的面積就是光通量。

  這里還有一條神秘的紅色曲線,后面再介紹。

  我們先給出人眼明視覺的視效函數如圖2

微信圖片_20200326153811.jpg
圖2

  圖1的黑色曲線與圖2曲線相近似,為什么?

  這是因為視效函數實際上是一個加權函數,它的最大值是1,任何光譜輻射形態都要被視效函數修正到相類似形態。

  在照明領域,我們只使用光通量這個數值,很少人去畫出這條光通量分布曲線。

  也正是因為很少看到這條曲線,讓我們在研究動植物的時候產生了認知偏差,所謂的植物照明、家禽照明就是這種偏差的術語,連研究者都這樣講術語的時候,導致了大部分人的認識誤區。

  在生物光學范疇,這條光通量分布曲線一定要畫,它可以提示研究者他看到的并非是動植物感受到的,這一點非常重要。

  3、雞看到的光照是什么

  人眼的視覺可以看到很多種光色,但是,我們的視覺函數只有一個峰值,盡管你認為你清晰的看到了色彩繽紛的世界,可以區分不同的物質,那也只是你的感受,不是動物的感受,或者說,你看到的世界與動物看到的世界并不相同。

  通過對雞的視網膜分析,研究者是基于人眼的視覺機理,把雞對光輻射視覺響應對應出4個輻射峰值,這句話要認真領會,否則也會偏離光的本質。

  雞看到的世界遠比我們人類看到的要鮮艷燦爛的多,而且能看到人眼看不到的紫外線反射光。

  (人眼真的看不到紫外線嗎,實際上人也能看到紫外線UVB與UVA的直射光,因為是國際標準定義為不可見光,反正看到也會嚴重傷害我們的眼睛,沒有好處,這里先不做討論,等談到人眼視覺健康再說)。

  視效函數把我們的視覺概念局限在標準定義的可視光范圍,但雞的視覺并不受到這個限制。

  雞的視覺光譜分布如圖3所示

  圖3黑色實線是雞眼視覺響應曲線,虛線是人眼視效函數,引起雞視覺響應的光譜比人眼要寬,而且有四個峰值。

  為了直觀的記憶,我們把人眼識別的顏色添加到雞的視覺圖上,如圖4所示。

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圖4

  這個圖清晰的表明,雞看到的世界比人眼看到的世界更加鮮艷燦爛,假同色圖對于人眼辨識有難度,但雞卻很容易分辨,人眼單峰值的視效無法與雞視覺相比。

  4、目前家禽燈存在的問題

  為了說明這個問題,我們設計了一個多峰值的光譜,如圖5所示。

微信圖片_20200326153823.jpg
圖5

  我們按照目前家禽燈使用的光通量參數做了分析圖,如圖1所示,中間的黑色曲線為光通量分布曲線。

  我們會發現,光輻射分布的藍光峰值、紅光峰值在視效函數下被嚴重衰減,紫外線的峰值幾乎被完全衰減。

  也就是說,雞視覺可以響應的那部分輻射量,被人眼光通量這個指標過濾了,輻射能量并沒有完全反應到光通量參數里。

  結論是:家禽燈使用了人眼視效函數去表達雞的視覺光譜存在不完整性。

  光度學的光通量是如何影響了家禽光照,我們給出人眼視覺效率對雞視覺效率衰減的示意圖6。

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圖6

  圖中青色部分為人眼視覺,灰色部分為人眼視覺衰減掉雞視覺的那部分,從這個圖可以充分了解目前家禽燈存在的技術問題,光通量以及照度值不能完整表述家禽光照機理。

  如果還不好理解,再給出一個6000KLED光源的分析圖7。

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圖7

  圖7中,藍色曲線是輻射功率分布曲線,青色部分是人眼視效函數把輻射功率分布加權后的光通量分布圖,青色部分的面積就是光通量(相對值),左邊灰色部分表示藍光輻射在人眼里響應很小,右邊灰色部分表示紅光在人眼里響應也被衰減。

  從這個圖也可以看出,光通量指標并沒有反應藍光輻射與部分紅光輻射對雞視覺的響應。

  有人會問,人眼可以看到紅藍光,答案是:這就是視效函數,不同波長的相同輻射功率在我們人眼里響應的效率不同,所以說,視效函數是個人眼視覺響應的加權函數。

  為了進一步說明問題,我們做雞視覺效率響應的通量分布,并假設雞的錐狀細胞對綠光響應效率與人眼相同,分析對比圖8。

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圖8

  圖8的黑色曲線與圖7一樣,是人眼光通量分布,藍色曲線是輻射功率分布曲線,黑色仍然是人眼視覺光通量分布曲線,綠色曲線是雞視覺通量分布,綠色曲線包圍的面積大于黑色曲線包圍的面,并且,綠色曲線對藍光與紅光做出了相隨的響應量。

  這再一次說明,人眼視覺通量沒有反應出雞視覺響應。

  假設大家理解了圖1、圖6、圖7、圖8,接下來就可以給出分析的結論。

  我們之前津津樂道的家禽照明在機理上出現了問題;光通量引起的人眼視覺照度值并沒有體現雞的視覺響應,沿用光通量與照度值對家禽光照存在技術方向問題。

  光通量與照度值不能表述光照對雞視覺引起的視覺響應,原因是我們主觀的對家禽燈采用了人眼視覺參數去代替雞視覺。

  目前全球的家禽燈技術研究思路被證明為不能進一步發展這個技術應用的效率。

  家禽燈參數錯誤的采用光度學參數表述,從國內外發表的論文來看,也都在用照度這個概念去研究家禽燈,導致家禽燈的研究停滯在技術方向造成的困惑中。

  近幾年,國外研究人員提出了一個有趣的概念,叫C-lux,叫做雞的照度,直譯就是雞眼的光照用人眼照度乘一個因子再表達,但這個方法沒有從根本上解決技術機理問題,有點牽強附會。

  這也說明,國外研究者也注意到用照度值對研究存在問題,但采用的方法盲目。

  我們通過計算,雞視覺響應要比人視覺高出1.617倍左右。

  5、我們應該如何研究雞的視覺響應

  1)可以制定家禽視效函數,這個方法精確性好,但科學的確定家禽視效函數是難度非常大的研究,原因是沒有物種之間的感知信息交流,此外,家禽品種不同,其光輻射引起的視覺響應也不同,會導致評估結果沒有可對比性。

  2)采用生物光學的基礎方法,運用光量子理論,進行能量推導,排除了研究難點,確保研究的穩定性和一致性。

  接下來,我們就可以討論圖1與圖7那條神秘的紅色曲線,它叫光子數量分布曲線,也就是關于波長的光子能量表述曲線。

  生物光學研究的是動植物光受體對光輻射能量的響應,這里首先要解決是什么物理量引起的光受體響應。

  光的本質是能量,代表這個能量的基本單位是光子,生物的視覺響應是光能量引起的響應,不同波長的光子能量不同,引起的視覺響應效率不同,根本的原因是不同能量的光子對生物光受體感光細胞的能量交換決定了視覺響應。

  人的視覺響應也是對光能量的響應,不同波長的光子能量大小不同,產生的響應效率也不同,引起的視覺區的亮度和顏色不同。

  從圖1與圖7的紅色曲線可以看出,光子隨波長的分布與輻射量分布存在很好的對應關系,也符合家禽視覺對能量的響應,可以科學的表達家禽燈應用機理。

  光量子理論可以更精確的解決禽舍光照的能耗與效率問題。

  具體詳細的內容可以參考我們制定的標準:T/SZFAA 04-2019 家禽飼養光照技術規范。

  家禽燈的這個標準,是首次采用生物光學理論的燈具標準,具有非常大的技術意義,體現了光輻射技術應用的一個里程碑。

  植物燈,家禽燈,養殖燈,集魚燈、醫用燈以及美容燈都是生物光學范疇的研究對象。

  光度學和色度學指標是研究人眼視覺對光子能量的響應而得出光通量,照度,色溫,顯色性等指標,但無法解釋基于人眼視覺健康的機理,比如藍光危害問題。

  這是因為制定這些參數的時候,不需要考慮視覺健康問題,僅僅反映人眼與光照的關系。

  目前火熱的健康照明概念需要客觀看待,需要提升技術認知,技術機理搞不懂,會引發更大的產業試錯成本。

  光量子理論解決的是光的本質問題,我們應用光量子理論,從光子能量角度推導出白光發光效率,是可以不需要實際測量光通量就可以計算出光源的發光效率,這也充分說明光量子理論的優越性。

  基于光量子理論的生物光譜技術,可以客觀的描述生物對光照的響應,但是,這里存在一個巨大的技術難點,就是如何評估光量子能量響應效率的判定問題,因為我們與動植物之間沒有視覺感知的直接交流。

  這次家禽燈的標準制定中,首次提出家禽光照效應評估規則。

  我們命名為:C-R-R-A規則。

  在這個規則下進行評估,才能找到一致的應用結論,更好的推動家禽光照的技術發展,否則,沒有規則的評估容易生產實驗的隨機性。

  關于這個問題,在后續的文章再介紹。

編輯:嚴志祥

來源:植物燈光譜技術

   作者:許東  

標簽:家禽  光照  表達  

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