红光、橙光?打破夜视照明的传统认知
更新时间:2019-08-20 22:01 发布者:

  相信有观星经验的小伙伴们都熟悉红光手电筒这样一件利器,让你的双眼可以在地面和天空间自如转换。一直以来,我们都相信夜视应选用红光保护视力,但现在,这种传统认知需要重新被审视了!

  红光照明

  像在Stellafane2星空大会这样的观测基地,常常会采用弱红光照明。但是红光波长真的是保护夜视的最好选择吗?

  保护眼睛适应暗环境的能力对于目视天文学家们来说至关重要。在这一点上,他们与飞行员、海员、军人乃至安保人员有着共同的需求,即使只是夜间活动的行人,也会因为没有“夜盲症”而受益。但还很少有研究人员研究暴露在微弱的光源下会对视力造成怎样的损害,或者说哪种颜色的光最不容易干扰人眼对黑暗的适应能力。

  红光一直是目视天文学家们所选择的传统照明色,它既可以帮助他们安全夜行,也可以用来于查阅星表。但实际上并没有数据能够佐证红光就是最合适这些需求的颜色。

  当被询问使用红光的原因时,天文学家们经常(并且错误地)解释称在黑暗状态下我们的视网膜感受器无法检测到红光,因此夜视对红光免疫。天文学家们选用红光的另一个可能或许可以归结于在摄影暗室中常选用红光这一历史因素。然而,暗室中的红色灯光与视觉暗适应并无关联;更确切地说,黑白摄影相纸通常会被做成对红光不敏感的材质,这样使用者可以在不影响摄影相纸的光线环境中工作,而不是在完全的黑暗环境中操作。

  《天空与望远镜》杂志2016年6月刊中,作者罗伯特·迪克认为,从视觉生理学的角度来看,对于大多数人来说,橙色光可能比红光对视觉影像更小,但他的测试仅限于个人经验,我作为一位受过视觉生理学研究生训练的医生,决定检验他的理论。

  视觉生理学速成课程

  人视网膜后方的视细胞——视杆和澳门国际娱乐视锥细胞,扮演着感受器的角色,它们可以将接收到的光子转化成神经脉冲。两者对不同颜色的光的响应也不同:视杆细胞对绿光的敏感程度比视锥细胞要高大约1000倍,但二者对红光的敏感程度相当。其中视锥细胞能够在明亮光线下分辨颜色,产生明视觉,但无法感知暗弱的光线;视杆细胞则负责在昏暗的光线下提供单色视觉,引起暗视觉,而明亮的光线会使它们很快饱和。而介于明视觉和暗视觉适应亮度范围之间,由视锥细胞和视杆细胞同时起作用的视觉称为中间视觉。

  视杆和视锥细胞

  视杆和视锥感受器对可见光的光谱有不同的响应。视杆系统比视锥系统对于大多数颜色的光都更加敏感。但当光波长超过620nm以后,两种系统的光敏感度趋于一致。

  在目视天文学中,望远镜的一个重要功能就是收集足够的光线,从而使眼睛能够在中间视觉的状态下工作。

  许多观测者误以为目视天文学仅仅依赖于暗视觉,但视杆细胞仅在边缘视野中提供较低分辨率的单色视觉。视觉的中心落在视网膜上被称为中央凹的部位,它由紧密排列在一起的视锥细胞组成。因为只有这里才聚集着这么多密集的视锥细胞,这也就是为什么只有中央凹才可以感知视觉的细节。而离轴视觉(也被称为余光)的敏感度会随着每1度的偏离下降50%甚至更多。当偏离中心轴10°时,观测者的视力甚至低于中心视力的20%,我们感知到的边缘细节往往是我们的大脑如法炮制出来的结果。

  因此,只有视锥感受器才能看到月球或行星上错综复杂的纹路,或区分出两颗彼此接近的额恒星;视杆感受器在目视天文学中的作用基本上仅限于检测不位于视觉中央的黯淡恒星或星云到底存在与否。这也是为什么观测者有时需要借助余光,让图像偏离视轴大约20°,使成像最终落在视杆细胞密度最大的区域来观测星云才会更清晰。不仅如此,视杆细胞对绿光敏锐的敏感度还能微弱增强观测者的色彩感知能力。

  暗适应

  完全适应黑暗的眼睛要比完全适应光亮的眼睛要敏感500,000倍。瞳孔的扩张在暗适应中只起次要作用,它可以使人眼对光的敏感度迅速增加30倍。暗适应的主要过程发生在视杆细胞和视锥细胞内,在黑暗的条件下,光化学物质不断耗尽再生,最终完成对光照敏感的自我调节。

  视锥细胞完全适应黑暗需要15分钟,而视杆细胞则需要至少30到40分钟。为了区分极暗弱的物体与深色背景,视杆感受器与许多其它的视杆感受器相互连接,产生共同信号,降低背景噪声,但也会导致视力对边缘区域的敏感度被进一步削弱。

  我们的目的是寻找在观测期间使用灯光的强度和颜色的正确组合搭配,好让光对人眼暗适应的影响最小。对于大多数观测者来说,他们需要依赖视锥细胞来观察细节,所以选用红光可能不会带来任何好处,因为它会破坏对红色敏感的视锥细胞的暗适应;另一方面,视杆细胞对蓝绿光非常敏感,这类颜色对保护视杆感受器来说应当是最糟糕的颜色。

  迪克猜想橙色光(特别是“琥珀色”)可能是最佳的选择,因为它能够同时刺激红色和绿色视锥细胞,无需像红光那么明亮,同时还可以避免像蓝绿色光那样对视杆细胞产生过度的刺激。

  值得注意的是,虽然大多数人拥有的红色视锥细胞数量约占全部视锥细胞数量的70%,但研究人员们最近发现,在色觉正常的人群中这一占比也可能低至27%到高达90%不等。这一结果表明保护暗适应的最佳颜色也可能因人而异。

  检验

  昆士兰天文节提供了一个检验这一理论的绝佳机会,我们可以在极其黑暗的条件下对经验丰富的天文学家们进行测试。

  10个晚上我对15名天文学家都进行了长达90分钟的测试。测试之前,我先确认了他们没有色盲症、视力不佳、患有糖尿病或具有其它排除标准内的疾病,并确定了这些天文学家们的极限视星等。

  当被测试者们完全适应了黑暗之后,他们需要阅读笔记本电脑上的验光视力图表,并分辨出这些在各种彩色背景上的黑色字母,我则用照度计测量此时的屏幕亮度。进行测试的屏幕背景分别是红色、橙色、绿色、白色,最后是亮红色。为了检验阅读图表屏幕会对他们的暗适应产生怎样的影响,经过1到4分钟阅读图表,我重新评估了他们的极限视星等。

  我使用了两个指标:肉眼直接看到的恒星数量的变化用于测试他们的视锥细胞;而是否看到位于测试区域内的煤袋暗星云和附近的小麦哲伦星云对应着视杆细胞的检验。

  明亮的α南十字座星(右上角)附近布满了尘埃云,这些尘埃云构成了巨大的暗星云——煤袋星云的一部分。被测试者看到煤袋星云和附近的小麦哲伦星云的能力表明他们视杆感受器的敏感程度。

  结果

  红光屏幕需要比绿光屏幕亮三倍,才能使被测试者以基准视力水平阅读。橙色光屏幕所需的平均亮度比绿光屏幕亮,但暗于红光屏幕。不论在阅读屏幕的1分钟后还是4分钟后,橙色光对视锥和视杆视觉暗适应的损害都是最小的。正如我们之前预想的那样,绿光和白光带来的损害最为显著;出人意料的是,明亮的红色屏幕对于视杆细胞和视锥细胞的损害与绿色或白色屏幕带来的损害旗鼓相当,这证实了夜视并不会对红光免疫。绿光虽然明显比其它颜色暗得多,但对视杆细胞的视觉却最具有破坏性。

  暴露于各种不同彩色屏幕都会导致人眼可见恒星数量有不等的下降,但橙色光照明在漆黑的天空下具有明显的优势;而暴露在绿光、白光或亮红色光下会使人眼总可见恒星计数减少约50%。

  在15名被测试者当中有13名被测试者可以在眼睛暴露在橙色光之后1分钟时观测到煤袋星云和小麦哲伦星云;暴露在红光下之后只有11名被测试者能够观测到煤袋星云和小麦哲伦星云,而眼睛暴露在绿光之后观测到煤袋星云和小麦哲伦星云的人数下降到仅有6名。眼睛暴露于红光和橙色光之后4分钟,以及暴露在绿色、白色或亮红色光的10分钟内,眼睛的暗适应基本上可以完全恢复。

  15名被测试者当中会有一到两个人可能具有较高比例的绿视锥感受器。当大部分人对橙色光屏幕亮度的选择约为红光屏幕亮度的三分之二,这两人所需的橙色光屏幕亮度不到红光屏幕亮度的三分之一。所以我们可以看到这其中存在着显著的个人差异,或许每个人都有适合自己的屏幕颜色和亮度。

  在不同颜色的屏幕光线下,被测试者们阅读同一测试图表所需要的屏幕亮度不同。

  测试结果表明,相比红光,橙色光可能才是用于夜间行走和星表照明的最佳选择。尽管这个结论和现有结论的差异并不足够显著,还不足够说服天文学家们完全放弃使用现有的红色灯光,但这也符合国际暗天协会的建议:采用多含橙色光而非蓝光的光线照亮步行区,不仅能够尽量减少光污染,还可以最大程度地提高我们观察被照亮区域之外阴影区域的能力。

  鉴于这一发现会对许多在低光照环境下工作的人群产生影响,所以展开更广泛深入的研究是绝对必要的。同时,相信这个研究表明橙色光将会成为新的“红光”!

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