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家禽光的正确表达

2020-03-26 文章来源:中国照明网报道 阅读原文

  1、一个需要重新认知的问题

  光度学的光通量参数,国际标准定义为:根据辐射对 CIE标准光度观察者的作用,从辐射通量Фe 导出的光度量,单位是流(lm)。

  注意这里的观察者是人,也就是说光通量是人眼对光辐射的视觉响应,研究的时候,由于光源应用的对象是人本身,往往会忽视光度学里的光通量只能是适用于人眼这个问题。

  正是因为这一点,往往会产生认知错误,因为在光源下观察动植物的时候,会认为动植物感受的光与我们人一样,请注意,你只是个观察者,大多数情况下,人使用光源仅仅是为了看清楚这些动物,很容易误认为那些动物和你一样看也看清楚了你和周围物质。

  那么动植物感受到的光是什么样的?或者说动植物的光受体感受到的光辐射是怎样的感受?这里可以给出完全肯定的回答,是完全不同的。

  还有就是光色问题,光色也仅仅是人眼视觉的表述,而没有其他表述。

  从物理角度来看,光本身是没有颜色的,因为颜色是人定义的,这个光的本质认知如果没有建立,很难去研究生物光学的应用。

  对于研究动植物对光的感受,生物光学只是围绕光受体进行研究,与人眼毫无关系,但是,我们在撰写论文的时候,还是用人眼观察的状况进行描述,也就是用人眼的感受去描述,这是因为语言本身是为人与人的交流而定。

  这会导致我们认为动植物也是感受同样的光量和光色,这是大多数人容易形成错误的认知。

  2、光源的光通量是如何计算出来的

  对于人眼,光通量是根据光源光谱辐射的功率与人眼视效函数乘积后通过对波长的积分计算得出,参考下面这个图1


图1

  图1是归一化的曲线,蓝色曲线是辐射功率对波长的分布曲线,黑色曲线是光通量对波长的分布曲线,黑色曲线围成的面积就是光通量。

  这里还有一条神秘的红色曲线,后面再介绍。

  我们先给出人眼视觉的视效函数如图2


图2

  图1的黑色曲线与图2曲线相近似,为什么?

  这是因为视效函数实际上是一个加权函数,它的最大值是1,任何光谱辐射形态都要被视效函数修正到相类似形态。

  在领域,我们只使用光通量这个数值,很少人去画出这条光通量分布曲线。

  也正是因为很少看到这条曲线,让我们在研究动植物的时候产生了认知偏差,所谓的植物、家禽就是这种偏差的术语,连研究者都这样讲术语的时候,导致了大部分人的认识误区。

  在生物光学范畴,这条光通量分布曲线一定要画,它可以提示研究者他看到的并非是动植物感受到的,这一点非常重要。

  3、鸡看到的光是什么

  人眼的视觉可以看到很多种光色,但是,我们的视觉函数只有一个峰值,尽管你认为你清晰的看到了色彩缤纷的世界,可以区分不同的物质,那也只是你的感受,不是动物的感受,或者说,你看到的世界与动物看到的世界并不相同。

  通过对鸡的视网膜分析,研究者是基于人眼的视觉机理,把鸡对光辐射视觉响应对应出4个辐射峰值,这句话要认真领会,否则也会偏离光的本质。

  鸡看到的世界远比我们人类看到的要鲜艳灿烂的多,而且能看到人眼看不到的紫外线反射光。

  (人眼真的看不到紫外线吗,实际上人也能看到紫外线UVB与UVA的直射光,因为是国际标准定义为不可见光,反正看到也会严重伤害我们的眼睛,没有好处,这里先不做讨论,等谈到人眼视觉健康再说)。

  视效函数把我们的视觉概念局限在标准定义的可视光范围,但鸡的视觉并不受到这个限。

  鸡的视觉光谱分布如图3所示

  图3黑色实线是鸡眼视觉响应曲线,虚线是人眼视效函数,引起鸡视觉响应的光谱比人眼要宽,而且有四个峰值。

  为了直观的记忆,我们把人眼识别的颜色添加到鸡的视觉图上,如图4所示。


图4

  这个图清晰的表,鸡看到的世界比人眼看到的世界更加鲜艳灿烂,假同色图对于人眼辨识有难度,但鸡却很容易分辨,人眼单峰值的视效无法与鸡视觉相比。

  4、目前家禽灯存在的问题

  为了说这个问题,我们设计了一个多峰值的光谱,如图5所示。


图5

  我们按目前家禽灯使用的光通量参数做了分析图,如图1所示,中间的黑色曲线为光通量分布曲线。

  我们会发现,光辐射分布的蓝光峰值、红光峰值在视效函数下被严重衰减,紫外线的峰值几乎被完全衰减。

  也就是说,鸡视觉可以响应的那部分辐射量,被人眼光通量这个指标过滤了,辐射能量并没有完全反应到光通量参数里。

  结论是:家禽灯使用了人眼视效函数去表达鸡的视觉光谱存在不完整性。

  光度学的光通量是如何影响了家禽光,我们给出人眼视觉效率对鸡视觉效率衰减的示意图6。


图6

  图中青色部分为人眼视觉,灰色部分为人眼视觉衰减掉鸡视觉的那部分,从这个图可以充分了解目前家禽灯存在的技术问题,光通量以及度值不能完整表述家禽光机理。

  如果还不好理解,再给出一个6000KLED光源的分析图7。


图7

  图7中,蓝色曲线是辐射功率分布曲线,青色部分是人眼视效函数把辐射功率分布加权后的光通量分布图,青色部分的面积就是光通量(相对值),左边灰色部分表示蓝光辐射在人眼里响应很小,右边灰色部分表示红光在人眼里响应也被衰减。

  从这个图也可以看出,光通量指标并没有反应蓝光辐射与部分红光辐射对鸡视觉的响应。

  有人会问,人眼可以看到红蓝光,答案是:这就是视效函数,不同波长的相同辐射功率在我们人眼里响应的效率不同,所以说,视效函数是个人眼视觉响应的加权函数。

  为了进一步说问题,我们做鸡视觉效率响应的通量分布,并假设鸡的锥状细胞对绿光响应效率与人眼相同,分析对比图8。


图8

  图8的黑色曲线与图7一样,是人眼光通量分布,蓝色曲线是辐射功率分布曲线,黑色仍然是人眼视觉光通量分布曲线,绿色曲线是鸡视觉通量分布,绿色曲线包围的面积大于黑色曲线包围的面,并且,绿色曲线对蓝光与红光做出了相随的响应量。

  这再一次说,人眼视觉通量没有反应出鸡视觉响应。

  假设大家理解了图1、图6、图7、图8,下来就可以给出分析的结论。

  我们之前津津乐道的家禽在机理上出现了问题;光通量引起的人眼视觉度值并没有体现鸡的视觉响应,沿用光通量与度值对家禽光存在技术方向问题。

  光通量与度值不能表述光对鸡视觉引起的视觉响应,原因是我们主观的对家禽灯采用了人眼视觉参数去代替鸡视觉。

  目前全球的家禽灯技术研究思路被证为不能进一步发展这个技术应用的效率。

  家禽灯参数错误的采用光度学参数表述,从国内外发表的论文来看,也都在用度这个概念去研究家禽灯,导致家禽灯的研究停滞在技术方向造成的困惑中。

  近几年,国外研究人员提出了一个有趣的概念,叫C-lux,叫做鸡的度,直译就是鸡眼的光用人眼度乘一个因子再表达,但这个方法没有从根本上解决技术机理问题,有点牵强附会。

  这也说,国外研究者也注意到用度值对研究存在问题,但采用的方法盲目。

  我们通过计算,鸡视觉响应要比人视觉高出1.617倍左右。

  5、我们应该如何研究鸡的视觉响应

  1)可以定家禽视效函数,这个方法精确性好,但科学的确定家禽视效函数是难度非常大的研究,原因是没有物种之间的感知信息交流,此外,家禽品种不同,其光辐射引起的视觉响应也不同,会导致评估结果没有可对比性。

  2)采用生物光学的基础方法,运用光量子理论,进行能量推导,排除了研究难点,确保研究的稳定性和一致性。

  下来,我们就可以讨论图1与图7那条神秘的红色曲线,它叫光子数量分布曲线,也就是关于波长的光子能量表述曲线。

  生物光学研究的是动植物光受体对光辐射能量的响应,这里首先要解决是什么物理量引起的光受体响应。

  光的本质是能量,代表这个能量的基本单位是光子,生物的视觉响应是光能量引起的响应,不同波长的光子能量不同,引起的视觉响应效率不同,根本的原因是不同能量的光子对生物光受体感光细胞的能量交换决定了视觉响应。

  人的视觉响应也是对光能量的响应,不同波长的光子能量大小不同,产生的响应效率也不同,引起的视觉区的亮度和颜色不同。

  从图1与图7的红色曲线可以看出,光子随波长的分布与辐射量分布存在很好的对应关系,也符合家禽视觉对能量的响应,可以科学的表达家禽灯应用机理。

  光量子理论可以更精确的解决禽舍光的能耗与效率问题。

  具体详细的内容可以参考我们定的标准:T/SZFAA 04-2019 家禽饲养光技术规范。

  家禽灯的这个标准,是首次采用生物光学理论的灯具标准,具有非常大的技术意义,体现了光辐射技术应用的一个里程碑。

  植物灯,家禽灯,养殖灯,集鱼灯、医用灯以及美容灯都是生物光学范畴的研究对象。

  光度学和色度学指标是研究人眼视觉对光子能量的响应而得出光通量,度,色温,显色性等指标,但无法解释基于人眼视觉健康的机理,比如蓝光危害问题。

  这是因为定这些参数的时候,不需要考虑视觉健康问题,仅仅反映人眼与光的关系。

  目前火热的健康概念需要客观看待,需要提升技术认知,技术机理搞不懂,会引发更大的快三投注平台试错成本。

  光量子理论解决的是光的本质问题,我们应用光量子理论,从光子能量角度推导出白光发光效率,是可以不需要实际测量光通量就可以计算出光源的发光效率,这也充分说光量子理论的优越性。

  基于光量子理论的生物光谱技术,可以客观的描述生物对光的响应,但是,这里存在一个巨大的技术难点,就是如何评估光量子能量响应效率的判定问题,因为我们与动植物之间没有视觉感知的直交流。

  这次家禽灯的标准定中,首次提出家禽光效应评估规则。

  我们命名为:C-R-R-A规则。

  在这个规则下进行评估,才能找到一致的应用结论,更好的推动家禽光的技术发展,否则,没有规则的评估容易生产实验的随机性。

  关于这个问题,在后续的文章再介绍。

编辑:严志祥

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