脉冲光度学

自20世纪90年代高亮度与高光效的蓝光技术产生历史性突破以来，LED日渐受到世界上众多科技发达国家的高度重视，通过各自的国家科技计划推动其快速发展。目前，LED已然成为照明领域的主流光源，它体积小、能耗低、亮度高、寿命长及易于调控等诸多优点使其成为21世纪最具发展前景的绿色照明光源。
随着 LED 在照明领域的不断推广，PWM（plus width modilation，脉冲宽度调制）调光技术的应用也越来越普遍。近年来，国内外多个研究团队发现人眼对脉冲光的视觉感知特性与直流光有所不同。同时，脉冲光是否会对人眼的视觉系统产生影响，以及是否存在视觉以及非视觉（生理）效应方面的作用也众说纷纭。此外，这些脉冲驱动给光源带来的有别于以往的不同特性，是否对于光度学、色度学的学科建立有所影响，更是有着重要的研究意义。鉴于此，笔者课题组基于以上诸项及其相关衍生研究提出了“脉冲光度学”这一新领域，并对其进行了多年系统而深入的研究，取得了一些具有创新性且不乏重要性的研究成果。在本书中对其作出系统阐释，试图使读者阅毕此书，对“脉冲光度学”这一课题有较为全面而详实的了解。
全书共分为6章。第1章介绍了LED的发展史、技术特点以及与传统电光源相比的性能优势，并详细综述了基于LED的脉冲光视觉/非视觉效应的文献研究现况。第2章主要介绍了人体视觉系统，包括视网膜、视皮层等的结构和功能等，以及CIE光度学系统中光谱光视函数的定义与测量方法，为本书中定义脉冲光的视感函数搭建理论基础。第3章与第4章则系统地阐述了脉冲光的视觉增强效应，包括不同光电参数对视觉增强效应的影响，其相加性的研究，以及基于此初步建立起的脉冲光光谱光视效率函数。第5章，除了上述的视觉研究的成果之外，脉冲光的非视觉效应之研究成果也做出详细的阐述。最后在第6章中，对脉冲光度学未来在农业、医疗等领域的学理研究及产业应用做出了展望。第3~5章是本书的主要部分，是笔者团队近年来在该领域的主要科研成果，其中第3、4章包括了樊生龙、陈天然、高维惜及顾鑫的学位论文成果，第5章包含了顾鑫学位论文的主要成果。龚钱冰参与了内容的整理。书中也吸收了部分该领域国际团队的研究成果。
本书可作为大专院校建筑、光源与照明等相关专业的研究生和本科生学生教材，也可以作为光源照明和建筑行业的工程师及相关爱好者的参考书籍。
《脉冲光度学》由复旦大学电光源研究所刘木清教授及已毕业研究生樊生龙、顾鑫、陈天然、高维惜等共同编写。研究团队的周小丽副教授和沈海平副教授及多名研究生与电光源研究所的同事也在课题的研究过程中多次参与讨论。特别提及的是，本书主要成果的研究过程中，得到国际电光源委员会（CIE）前主席Ohno博士、CIE前主席Van Bommel教授、国际电光源委员会主席Devonshire博士、国际电光源委员会秘书长Zissis教授及日本爱媛大学Massafumi教授的多次长时间讨论与诸多建议。在此一并表示感谢。
由于编者水平有限，书中试图涉及LED及脉冲光度学相关的各个领域，而这些领域跨度较大，因此疏漏之处在所难免。特别是，脉冲光用于视觉及非视觉的研究，其实还处在一个发展不完善，很多甚至是刚开始的阶段，因此很多内容其实目前或无资料可查、或行业尚无定论，甚至有些还处于或等待研究阶段，且受时间所限，书中不足之处在所难免，敬请读者批评指正。鉴于此，书中如有疑问或不当之处，请联系mqliu@fudan.edu.cn。

著者
2018年10月

刘木清教授，男，博士，复旦大学教授，博士生导师，教育部先进照明工程技术研究中心主任。曾任复旦大学电光源研究所所长、光源与照明工程系系主任，目前社会兼职包括国际电光源委员会执行委员、国际白光LED会议执行委员、第十一届国际电光源会议本地委员会秘书长、国家863重大项目半导体照明工程总体专家组成员、中国照明学会理事、中国照明学会学术委员会副主任、中国照明学会半导体照明技术与应用专业委员会副主任、上海照明学会副理事长、《中国照明电器》杂志副主编等。研究方向包括LED照明应用技术，包括驱动技术研究、二次光学技术研究、散热技术研究、LED的分析测试与评估技术、LED的照明控制技术的研究与系统开发。曾完成或正在承担国家863项目、科技支撑项目、上海市科技攻关项目、国际合作项目、国内合作项目等数十项。获得上海市科技进步奖等多项。拥有LED等相关专利70余项。多次受邀在国内外作LED及相关报告或主持国内国际会议。发表论文五十余篇，主编英文书籍一本，中文书籍一本。

目前，LED已然成为照明领域的主流光源。LED容易且快速的开关特性使其在实际应用中常以PWM形式进行调光，这时LED的输出光实际上是脉冲光。而传统的光度学理论并未回答脉冲光形式下的一系列光度学问题，特别是亮度的表征、相加性、与光谱的关联性等。这就是本书的主要出发点。
全书共分为6章。第1章在介绍LED发展史、技术特点及与传统电光源相比的性能优势之上，详细综述了基于LED的脉冲光视觉/非视觉效应的文献内容。第2章主要介绍了人体视觉系统，包括视网膜、视皮层等的结构和功能等，以及CIE光度学系统中光谱光视函数的定义与测量方法，为定义脉冲光的视感函数搭建理论基础。第3章与第4章系统地阐述了脉冲光的视觉增强效应，包括不同光电参数对视觉增强效应的影响，及其相加性的研究，以及基于此初步建立起的脉冲光光谱光视效率函数。第5章中，则在上述研究之外，对脉冲光的非视觉效应之研究成果也做出详细的阐述。最后在第6章中，对脉冲光度学未来在农业、医疗等领域的学理研究及产业应用做出了展望。第3～5章是本书的主要部分，总结了笔者团队近年来在该领域的主要科研成果。书中也吸收了该领域部分国际团队的研究成果。本书可供照明专业、光学专业的研究人员及师生阅读参考。

第1章LED与脉冲光度学研究/001
1.1LED光源综述/002
1.2LED的PWM调制与脉冲光/003
1.3脉冲光度学的研究意义/005
1.4脉冲光的视觉感知有效强度/008
1.5脉冲光视亮度增强效应的研究进展/011
1.6脉冲光非视觉生理效应的研究进展/015
参考文献/017

第2章脉冲光度研究的相关基础理论/022
2.1视网膜与感光细胞/023
2.2明视觉、暗视觉与中间视觉/027
2.3光谱光视效率函数/028
2.3.1辐射度量与光度量的转换/028
2.3.2光度量的相加性问题/029
2.3.3光谱光视效率函数的定义/029
2.3.4光谱光视效率函数的测量/031
2.3.5锥状细胞灵敏度曲线/034
2.4光谱生理效率函数/035
2.4.1光生理效应的评价指标/035
2.4.2光生理效应函数的定义/037
2.5视觉照明感光信息的处理模型 /039
2.6本章小结/041
参考文献/042

第3章脉冲光视觉感知效应的实验研究/050
3.1实验平台与实验流程/051
3.1.1光发生装置/052
3.1.2光测量装置/055
3.1.3基于“视亮度一致”的实验流程/058
3.1.4实验方法的可靠性验证/059
3.1.5被试筛选/061
3.1.6实验误差分析/061
3.2脉冲光视亮度增强效应研究/065
3.2.1实验参数/066
3.2.2实验方法与流程/066
3.2.3实验结果与分析/067
3.3脉冲光视亮度增强效应的可相加性研究/071
3.3.1实验参数/071
3.3.2实验结果与分析/071
3.4脉冲光波长及占空比对人眼视觉感知的影响研究/074
3.4.1实验参数/074
3.4.2实验方法与流程/074
3.4.3被试筛选/074
3.4.4实验结果/075
3.5对短波段脉冲光视亮度感知的实验探究/080
3.5.1实验参数与环境/081
3.5.2实验方法与流程/082
3.5.3实验结果/082
3.6本章小结/084
参考文献/085

第4章脉冲光视亮度增强效应的分析/087
4.1基于脉冲光视亮度效应的实验结果总结与初步分析/088
4.1.1实验结果总结/088
4.1.2实验结果定性分析/089
4.1.3实验结果初步定量分析/090
4.2基于脉冲光视亮度增强效应的视觉模型/093
4.2.1线性视觉模型/093
4.2.2三段式非线性视觉模型的构建/094
4.3脉冲光光谱光视效率函数的建立/097
4.3.1建立脉冲光光谱光视效率函数的思路/097
4.3.2建立脉冲光光谱光视效率函数的过程/098
4.3.3脉冲光光谱光效率函数的讨论/101
4.4本章小结/103
参考文献/104

第5章脉冲光生理效应的实验研究与机理分析/106
5.1脉冲光生理效应研究方案分析/107
5.1.1脉冲光生理效应研究的分组/107
5.1.2脉冲光生理效应研究的被试选择/108
5.1.3脉冲光生理效应研究的评价指标/109
5.1.4脉冲光生理效应研究的实验平台/111
5.2脉冲光短期照射的实验研究/112
5.2.1实验平台与参数设置/112
5.2.2实验流程/113
5.2.3脉冲光短期照射对生理的影响/114
5.3脉冲光长期照射的实验探究/117
5.3.1实验平台与参数设置/117
5.3.2实验流程/118
5.3.3脉冲光长期照射对生理的影响/119
5.4脉冲光超长期照射的实验研究/121
5.4.1实验平台与参数设置/122
5.4.2实验流程/123
5.4.3脉冲光超长期照射对生理的影响/124
5.5脉冲光生理效应的机理探究/125
5.6基于脉冲光研究的视觉照明感光模型/126
5.7光生理效应函数评价体系失效/128
5.8脉冲光生理效应研究的应用/130
5.8.1脉冲光照明应用的评估/130
5.8.2脉冲光照明应用推荐/131
5.9本章小结/132
参考文献/133

第6章脉冲光的视觉及非视觉应用展望/137
6.1光源的视觉与非视觉应用/138
6.2农业领域的应用/141
6.2.1植物补光背景/141
6.2.2LED进行植物补光的优势/143
6.2.3LED在植物生长补光领域的研究应用现状/144
6.2.4脉冲光在农业应用中的特殊价值/146
6.3医疗领域的应用/146
6.3.1LED在医疗领域的主要应用/147
6.3.2LED在医疗领域的前景展望/148
参考文献/149

附录/151
附录1文中所用符号所表示的含义及单位/151
附录2文中所用部分英文名词或缩写词所表示的含义/152