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燈具不只照得亮,更要照得漂亮,照明系統的「演色性」有什麼用?

活躍星系核_96
・2019/04/12 ・3042字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 528 ・七年級

  • 文/潘炯丞

照明有兩個基本的目的:第一個是照亮物體,讓人看得清楚;第二個是還原物體本色,讓東西看起來漂亮。

譬如,夜間的街道照明,因為牽涉到交通安全,看得清楚就遠比看得漂亮得得重要;另一方面,精品珠寶店的展示櫃照明,為了讓產品更具有吸引力,看起來漂亮就會比節能或是看清楚來得受重視。

究竟要怎樣才能判斷一個光源是否照得漂亮呢?source:pixabay

衡量一個照明系統或是光源能否清楚照亮物體,照明工程師會使用亮度相關的參數來評估,包含光通量(luminous flux)、輝度(luminance)與照度(illuminance)。一般人消費者選購檯燈或是燈源的時候,也可以從這些參數來選擇,例如兒童使用的學習檯燈,光通量最好大於 500 流明,桌面的中心最大照度最好有 750 勒克斯以上。

但是,你知道如何評價一個照明系統或是光源能否把物體照得漂亮嗎?或許你曾經聽過演色性(Color Rendering Index,一般縮寫成為 CRI 或是 Ra)這個名詞,它就是目前照明業界最常用來評價燈源或是照明系統能否把物體照得漂亮的主要參數。那麼,演色性是什麼意思? 一般消費者應該怎麼理解這個參數? 在實際應用上演色性又有什麼限制呢?

八個標準測試色票,決定演色性高低

在1965 年,國際照明委員會 CIE(International Commission on Illumination)制定了 CIE Test-Color Method,以便有個一致的方法來評價光源對於色彩的「表現能力(color rendering)」。

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這個方法選定了八個顏色做為標準測試色票(test-color sample),藉由比較八個色票在受測光源與標準光源照射下的色度座標偏差,計算出 R1~R8 等八個演色性指標,再計算這八個演色性指標的平均值,即可得出 CRI 數值。CRI 的數值介於 0~100 之間,如果受測光源的色彩表現能力越接近標準光源,CRI 的數值就會越高。

CRI量測所使用的八個標準色票與六個特殊色票

由於 R1~R8 這八個標準色票主要是偏淡的不飽和顏色,為了讓色票取樣更具代表性,因此 CIE Test-Color Method 定義了另外六種特殊色票,包含紅色、黃色、綠色與藍色等四個飽和色,分別為 R9~R12,以及白人膚色(R13,Light yellowish pink ,Caucasian complexion)與橄欖綠(R14,Moderate olive green,leaf green)等兩個特殊色。其中,R9 代表飽和紅色,與膚色的表現有關,所以照明行業在評價演色性的時候,除了 CRI 之外,也會特別考慮 R9 的高低。

然而 CRI 僅僅比對光源在八個顏色的色彩表現能力,以整個光譜來說,是很少的取樣數量,因此有其侷限性。特別是針對 LED這一類的窄頻譜光源(narrow band spectra),單純以 CRI 作為色彩表現的評價,就會有所偏差(註一)。依據美國照明工程學會(IES,Illuminating Engineering Society of North America)的建議,對於 LED 光源的顏色評價,還是應該以實物模型(mock-up)的展示較具參考價值。

演色性的計算方式有哪些限制?

從 CRI 的計算方式,可以發現它有一些明顯的限制。

首先,它是八個數值的平均,因此可能出現某個燈源對於特定顏色的表現能力不佳(亦即某個 Ri值特別低),但平均之後的 CRI 卻是高的。其次,CRI 測量時所使用的八個色票都是不飽和的顏色,這會造成一個無法展現鮮豔飽和色彩的光源,卻可以測出很高的 CRI。

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此外,CRI 量測方法裡,對於任何偏離八個標準色票的色度空間移動,都是給予負面的評價,也就是扣分。但由於 CRI 的八個色票均為不飽和色,如果有一個光源可以讓物題呈現更加飽和鮮豔的色彩,雖然這會是人眼比較偏愛的方向(我們多數情況下喜歡鮮豔飽和的顏色、而非黯淡的色彩),但是在 CRI的評價方法上,卻會得到比較低的分數。

source:pixabay

CRI演色性的替代方案

由於 CRI 衡量光源色彩品質的方法有上述的幾個缺點,幾十年來各國際標準組織與照明業界試圖尋求新的光色品質評價方式。從 1967 年開始,目前總共創造出不下十種的光色彩展現能力指標(註二)。在這些指標中,由美國國家標準暨技術研究院(National Institute of Standards and Technology, NIST)所開發的光色品質量表 Color Quality Scale (CQS)是目前除了 CRI 之外,比較被學界與業界認可的評價方法。

計算CRI所使用的八個非飽和顏色色票。source:nist

CQS 與 CRI 的量測方式,主要差異在標準色票的選擇。CRI 最受爭議的是它採用色票都是非飽和顏色,因此 CQS 改採十五個飽和度較高的顏色做為標準色票,這樣的調整,使得 CQS 更加適用於新興的固態照明市場、也更加符合人們對於飽和鮮艷顏色的偏好。

光色品質量表Color Quality Scale (CQS)所使用的十五個飽和顏色色票。source:nist

雖然 CRI 仍有許多改進的空間,也不盡然適用於 LED 燈源,但是照明業界仍舊偏好單一數值的評價方式(只看一個數字就知道光線的顏色表現能力好不好,並不精準,但是簡單好用),同時也不希望新的評價方式改變了既有燈源的評價分數,因此 CRI 至今仍是唯一受到國際組織與照明業界認可的光源色彩評價方法。

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跑個題,演色性高低與護眼有關係嗎?

從演色性的定義我們可以知道,該數值的高低主要關係受測光源或是燈具對於八種特定顏色色票的顏色再現能力,數值高代表光線越能呈現物體的真實顏色。那麼,呈現物體的真實顏色可以保護眼睛嗎?

答案是,兩者沒有關係。

光線影響眼睛健康的因素主要與亮度、頻閃、還有藍光危害有關。照明不夠亮,睫狀肌需要用力、人眼容易疲勞,同時長期下來眼軸會因此增長,導致近視發生。頻閃嚴重的燈具可能引發使用者頭痛、甚至癲癇發作的可能。至於藍光危害則可能造成視網膜的黃斑部受損。以上三者是影響眼睛健康的主要因素,至於演色性,只和光線的顏色展現能力有關,與眼睛健康沒有關係。

高演色性的光源主要使用於博物館照明或是需要對色、校色的工作場所,例如攝影與出版行業。source:pixabay

高演色性的光源主要使用於博物館照明或是需要對色、校色的工作場所,例如攝影與出版行業。在這些情況下,通常會要求 CRI 90 以上的光源,至於一般生活中,我們很難察覺到不同的照明光線所造成的物體顏色差異。例如,我們不會明顯察覺到一件洋裝在戶外陽光(CRI 100)下的顏色與辦公室照明(CRI 80)下的顏色有所不同。

但是,即使是一般的閱讀,光源呈現的物體顏色的能力如果不佳,仍舊會影響閱讀的感受,所以美國能源之星(Energy Star)就規定 LED 燈具的 CRI 需要高於 80,同時 R9 應大於零。那麼,如果拿 CRI 90 以上的燈源來閱讀,會比 CRI 80 有更好的體驗嗎?一般人的感受或許不明顯,對於色彩比較敏感的人可以察覺 CRI 90 的光線偏紅,而 CRI 80 的光相比之下則沒那紅。事實上我們長久以來慣用的螢光燈管,它的 CRI 一般介於 80~85 之間,而戶外陽光的 CRI 則是 100,但是一般人並不會意識到兩者對於顏色展現的差異。

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色彩本身是連續、而且豐富多變。source:pixabay

色彩本身是連續、而且豐富多變的,僅僅使用單一 CRI 的數字來表達一個光源的頻譜特質,本身就是有侷限性的。因此,CRI 的數值可以參考,但是想知道一個光源的色彩表現能力,還是眼見為憑。如果真想追求光源的高演色性,在陽光下閱讀是個好選擇。回到室內,CRI 高於 80 的光源就夠用了。但是,如果想要保護眼睛,更重要的考量應該是夠亮、不頻閃,還有低藍光的光源。

  • 註一: Rationale of Color Quality Scale (2010) by Yoshi Ohno , Wendy Davis
  • 註二:The Lighting Handbook, 10th edition, Illuminating Engineering Society of North America, Table 6.7 Indices of Color Rendition. P6.24
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活躍星系核_96
778 篇文章 ・ 128 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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解析黑洞的種類與結構!——黑洞旅行團,出發!(中)
ntucase_96
・2021/12/19 ・2978字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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  • 撰文/劉詠鯤

本文轉載自 CASE 科學報黑洞旅行團,出發!(中)–黑洞種類與結構

各位旅客好,在上一篇行前通知<黑洞旅行團,出發!(上)>文章中,我們介紹了本次旅行即將探訪的目的地:黑洞,它附近龐大的重力,會造成光線極度的扭曲,形成各種在地球上從未見過的獨特景象。現在就讓我們出發前往這趟旅程的目的地:CASE 星系中心的超大質量黑洞。

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宇宙中有著數以億計的各式天體,其中也包含了大大小小的黑洞。圖/Pixabay

「航行天數 3915 日:鄰近麒麟座 X-1 黑洞。」

「各位沉睡許久的旅客,請活動活動筋骨,和我一同用 X 光望遠鏡,向外看去。在各位視線中有個非常明亮的光點,那裡便是距離地球最近的黑洞:麒麟座 X-1,距離地球約 3000 光年。由於它附近環繞物質的劇烈高速運動,彼此互相摩擦後形成極高溫的區域,而放出強烈的 X 光。」

「在廣大的宇宙中,分布著無數的黑洞,其質量分布差距非常大。從數十個太陽質量的恆星級黑洞,一直到數十億太陽質量的超大質量黑洞都存在。前者的體積小,數量也相對較多,在星系裡四處分布著;後者則是巨無霸,通常只會出現在星系的中心。」

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「導遊!為什麼我們要將目的地設在數量十分稀少,且距離地球十分遙遠的超大質量黑洞呢?好不容易來到這個 X-1 黑洞,何不把我們的親近黑洞行程安排在這?」

「因為恆星級別的黑洞,它附近有非常狂暴的『潮汐力』,會撕碎任何意圖接近它的傢伙!」

潮汐力是什麼?

黑洞是由非常龐大的質量壓縮在一個極小的區域所形成,舉例來說,要形成黑洞,要將太陽的質量壓縮在約台北市大安區大小的區域[1]。龐大的質量貢獻了極強的重力;十分緻密的分佈,則導致黑洞附近極大的重力變化。當我們站在地球上時,會感受到重力(地心引力)的作用;而且由於重力與距離平方成反比,我們距離地球越遠,受到的重力會越小。因此,準確來說,當我們站在地上,我們腳所受的重力其實會比頭所受到的力稍稍來的大,只是這個「稍稍」我們完全感覺不出來(如圖一)。但是在恆星級別黑洞附近則不是這麼回事,由於龐大的質量集中在很小的區域,在靠近該黑洞表面時,頭到腳這樣的距離就足以產生非常明顯的重力差距,大到可以將各種物體直接撕裂。這種力由於是因為某一物體兩端所受重力大小不同所造成,和潮汐的成因相似,因此又被稱為「潮汐力」。

圖一、潮汐力成因示意圖(未按比例繪製)。地球附近之重力場較為均勻,頭與腳所受的重力大小差距並不明顯。但在恆星級黑洞附近,頭與腳所受力有明顯差異,人會被拉長,因此也稱作「義大利麵效應」。

「航行天數 20xxx 日:目的地就在您的正前方」

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「各位旅客午安,請大家往窗外看(圖二),外面明亮具有光環的天體,便是我們這趟旅程的目的地。」

圖二、具有自旋的黑洞附近景象模擬圖。來源:筆者電腦模擬

黑洞的特徵

「黑洞看起來都長得差不多,它們有什麼特徵嗎?」

「如同看到一隻可愛的狗,我們會依照牠的毛色、體型、五官等等特徵加以分類:這隻是黃金獵犬,那隻是邊境牧羊犬…。那黑洞該如何分類呢?黑洞其實是個單純的天體,儘管它吞噬、吸收了各式各樣的物質,但最後都只化成三種特徵:質量、角動量以及電荷,或是白話一點說,就是他吃了多少東西、轉得有多快、帶有多少電。這便是著名的『黑洞無毛定理』,描述黑洞就像個光禿禿的球,表面不帶有任何複雜的資訊,所有吞噬的物質,最終都轉化成這幾種特徵。不同種類的黑洞,由於其扭曲周圍時空的方式不一樣,因此會使得周遭景色出現差異。」

「黑洞外圍可以大致分為數個區域[2],請各位看向這張圖(圖三)。最靠近黑洞的地方有一圈被稱為「事件視界」的邊界,這個邊界是一個絕對的單向道,任何事物只要進入事件視界,便會被龐大的重力吸入黑洞中心,即使連光也無法逃離。因此,有時候事件視界也會被稱作是黑洞的表面。」

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圖三、黑洞附近的結構示意圖。來源:筆者修改自 ESO 原圖。

「那黑洞裡面有什麼?」

「有趣的是,根據目前的物理理論,黑洞裡什麼都沒有,他所吸收的全部質量,全部都集中在正中心一個被稱為『奇異點』的地方。由於在極小的區域擁有極大的質量,現存的物理理論在那無法適用,是目前最前沿的物理研究感興趣的地方。如果要說那裡有什麼,我想肯定會有一群物理學家吧!」

「如果我們從事件視界往外走,會碰到『光子球層(Photon Sphere)』。當光靠近黑洞時,路徑會被曲折、彎向黑洞,在這個半徑上,重力大小恰好將光的軌跡彎曲成環狀,使得光就如同人造衛星環繞著地球一般前進。但這個軌道十分不穩定,任何擾動都可能使光落入黑洞或逃至外太空。有趣的是,若是各位前往此處(當然實際上無法,請別這麼做!),由於光線會繞著黑洞前進,因此你背後的光會繞黑洞一圈來到前方,也就是你可以直接看到自己的後腦勺!」

「若是我們再向外走,就會來到物質的最內穩定軌道,從此處向外,黑洞龐大的重力吸引著無數的物質環繞著黑洞運行,形成如同土星環般的盤狀構造,我們稱其為『吸積盤』。這裡各種物質以十分高速環繞黑洞運行,它們彼此之間的相互摩擦,會產生極高的溫度,而放出強烈的光…」

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「感謝各位參與我們的黑洞旅行團,由於時間限制,今天的導覽行程就到此暫告一段落。我們這次從一個俯瞰的視角,了解黑洞附近的結構。下一個行程,我們則要想像自己化身為一道光,從遠處向著黑洞方向前進,看看最後會落入黑洞,陷入一片漆黑?或是順利逃離黑洞引力束縛,奔向附近絢爛的星系?甚至是恰到好處的進入光子球層,在黑洞附近不知疲憊的繞圈圈?這些不同的光線,組成了黑洞附近特殊的景象,也將是我們下一篇文章的重點:黑洞光線追蹤。有興趣的旅客,請盡速預約行程。」

延伸閱讀

本系列文章:
黑洞為什麼不黑?彎曲的光與重力透鏡——黑洞旅行團,出發!(上)
巨大的黑洞反而不危險?——黑洞旅行團,出發!(中)
怎麼模擬出真實的黑洞樣貌?光線追蹤技術——黑洞旅行團,出發!(下)

註解

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ntucase_96
30 篇文章 ・ 1486 位粉絲
CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。

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燈具不只照得亮,更要照得漂亮,照明系統的「演色性」有什麼用?
活躍星系核_96
・2019/04/12 ・3042字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 528 ・七年級

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  • 文/潘炯丞

照明有兩個基本的目的:第一個是照亮物體,讓人看得清楚;第二個是還原物體本色,讓東西看起來漂亮。

譬如,夜間的街道照明,因為牽涉到交通安全,看得清楚就遠比看得漂亮得得重要;另一方面,精品珠寶店的展示櫃照明,為了讓產品更具有吸引力,看起來漂亮就會比節能或是看清楚來得受重視。

究竟要怎樣才能判斷一個光源是否照得漂亮呢?source:pixabay

衡量一個照明系統或是光源能否清楚照亮物體,照明工程師會使用亮度相關的參數來評估,包含光通量(luminous flux)、輝度(luminance)與照度(illuminance)。一般人消費者選購檯燈或是燈源的時候,也可以從這些參數來選擇,例如兒童使用的學習檯燈,光通量最好大於 500 流明,桌面的中心最大照度最好有 750 勒克斯以上。

但是,你知道如何評價一個照明系統或是光源能否把物體照得漂亮嗎?或許你曾經聽過演色性(Color Rendering Index,一般縮寫成為 CRI 或是 Ra)這個名詞,它就是目前照明業界最常用來評價燈源或是照明系統能否把物體照得漂亮的主要參數。那麼,演色性是什麼意思? 一般消費者應該怎麼理解這個參數? 在實際應用上演色性又有什麼限制呢?

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八個標準測試色票,決定演色性高低

在1965 年,國際照明委員會 CIE(International Commission on Illumination)制定了 CIE Test-Color Method,以便有個一致的方法來評價光源對於色彩的「表現能力(color rendering)」。

這個方法選定了八個顏色做為標準測試色票(test-color sample),藉由比較八個色票在受測光源與標準光源照射下的色度座標偏差,計算出 R1~R8 等八個演色性指標,再計算這八個演色性指標的平均值,即可得出 CRI 數值。CRI 的數值介於 0~100 之間,如果受測光源的色彩表現能力越接近標準光源,CRI 的數值就會越高。

CRI量測所使用的八個標準色票與六個特殊色票

由於 R1~R8 這八個標準色票主要是偏淡的不飽和顏色,為了讓色票取樣更具代表性,因此 CIE Test-Color Method 定義了另外六種特殊色票,包含紅色、黃色、綠色與藍色等四個飽和色,分別為 R9~R12,以及白人膚色(R13,Light yellowish pink ,Caucasian complexion)與橄欖綠(R14,Moderate olive green,leaf green)等兩個特殊色。其中,R9 代表飽和紅色,與膚色的表現有關,所以照明行業在評價演色性的時候,除了 CRI 之外,也會特別考慮 R9 的高低。

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然而 CRI 僅僅比對光源在八個顏色的色彩表現能力,以整個光譜來說,是很少的取樣數量,因此有其侷限性。特別是針對 LED這一類的窄頻譜光源(narrow band spectra),單純以 CRI 作為色彩表現的評價,就會有所偏差(註一)。依據美國照明工程學會(IES,Illuminating Engineering Society of North America)的建議,對於 LED 光源的顏色評價,還是應該以實物模型(mock-up)的展示較具參考價值。

演色性的計算方式有哪些限制?

從 CRI 的計算方式,可以發現它有一些明顯的限制。

首先,它是八個數值的平均,因此可能出現某個燈源對於特定顏色的表現能力不佳(亦即某個 Ri值特別低),但平均之後的 CRI 卻是高的。其次,CRI 測量時所使用的八個色票都是不飽和的顏色,這會造成一個無法展現鮮豔飽和色彩的光源,卻可以測出很高的 CRI。

此外,CRI 量測方法裡,對於任何偏離八個標準色票的色度空間移動,都是給予負面的評價,也就是扣分。但由於 CRI 的八個色票均為不飽和色,如果有一個光源可以讓物題呈現更加飽和鮮豔的色彩,雖然這會是人眼比較偏愛的方向(我們多數情況下喜歡鮮豔飽和的顏色、而非黯淡的色彩),但是在 CRI的評價方法上,卻會得到比較低的分數。

source:pixabay

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CRI演色性的替代方案

由於 CRI 衡量光源色彩品質的方法有上述的幾個缺點,幾十年來各國際標準組織與照明業界試圖尋求新的光色品質評價方式。從 1967 年開始,目前總共創造出不下十種的光色彩展現能力指標(註二)。在這些指標中,由美國國家標準暨技術研究院(National Institute of Standards and Technology, NIST)所開發的光色品質量表 Color Quality Scale (CQS)是目前除了 CRI 之外,比較被學界與業界認可的評價方法。

計算CRI所使用的八個非飽和顏色色票。source:nist

CQS 與 CRI 的量測方式,主要差異在標準色票的選擇。CRI 最受爭議的是它採用色票都是非飽和顏色,因此 CQS 改採十五個飽和度較高的顏色做為標準色票,這樣的調整,使得 CQS 更加適用於新興的固態照明市場、也更加符合人們對於飽和鮮艷顏色的偏好。

光色品質量表Color Quality Scale (CQS)所使用的十五個飽和顏色色票。source:nist

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雖然 CRI 仍有許多改進的空間,也不盡然適用於 LED 燈源,但是照明業界仍舊偏好單一數值的評價方式(只看一個數字就知道光線的顏色表現能力好不好,並不精準,但是簡單好用),同時也不希望新的評價方式改變了既有燈源的評價分數,因此 CRI 至今仍是唯一受到國際組織與照明業界認可的光源色彩評價方法。

跑個題,演色性高低與護眼有關係嗎?

從演色性的定義我們可以知道,該數值的高低主要關係受測光源或是燈具對於八種特定顏色色票的顏色再現能力,數值高代表光線越能呈現物體的真實顏色。那麼,呈現物體的真實顏色可以保護眼睛嗎?

答案是,兩者沒有關係。

光線影響眼睛健康的因素主要與亮度、頻閃、還有藍光危害有關。照明不夠亮,睫狀肌需要用力、人眼容易疲勞,同時長期下來眼軸會因此增長,導致近視發生。頻閃嚴重的燈具可能引發使用者頭痛、甚至癲癇發作的可能。至於藍光危害則可能造成視網膜的黃斑部受損。以上三者是影響眼睛健康的主要因素,至於演色性,只和光線的顏色展現能力有關,與眼睛健康沒有關係。

高演色性的光源主要使用於博物館照明或是需要對色、校色的工作場所,例如攝影與出版行業。source:pixabay

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高演色性的光源主要使用於博物館照明或是需要對色、校色的工作場所,例如攝影與出版行業。在這些情況下,通常會要求 CRI 90 以上的光源,至於一般生活中,我們很難察覺到不同的照明光線所造成的物體顏色差異。例如,我們不會明顯察覺到一件洋裝在戶外陽光(CRI 100)下的顏色與辦公室照明(CRI 80)下的顏色有所不同。

但是,即使是一般的閱讀,光源呈現的物體顏色的能力如果不佳,仍舊會影響閱讀的感受,所以美國能源之星(Energy Star)就規定 LED 燈具的 CRI 需要高於 80,同時 R9 應大於零。那麼,如果拿 CRI 90 以上的燈源來閱讀,會比 CRI 80 有更好的體驗嗎?一般人的感受或許不明顯,對於色彩比較敏感的人可以察覺 CRI 90 的光線偏紅,而 CRI 80 的光相比之下則沒那紅。事實上我們長久以來慣用的螢光燈管,它的 CRI 一般介於 80~85 之間,而戶外陽光的 CRI 則是 100,但是一般人並不會意識到兩者對於顏色展現的差異。

色彩本身是連續、而且豐富多變。source:pixabay

色彩本身是連續、而且豐富多變的,僅僅使用單一 CRI 的數字來表達一個光源的頻譜特質,本身就是有侷限性的。因此,CRI 的數值可以參考,但是想知道一個光源的色彩表現能力,還是眼見為憑。如果真想追求光源的高演色性,在陽光下閱讀是個好選擇。回到室內,CRI 高於 80 的光源就夠用了。但是,如果想要保護眼睛,更重要的考量應該是夠亮、不頻閃,還有低藍光的光源。

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  • 註一: Rationale of Color Quality Scale (2010) by Yoshi Ohno , Wendy Davis
  • 註二:The Lighting Handbook, 10th edition, Illuminating Engineering Society of North America, Table 6.7 Indices of Color Rendition. P6.24
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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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才、才不是在裝文青呢,在咖啡廳工作真的能激發創造力!──《哇賽心理學》
哇賽心理學_96
・2018/03/20 ・2080字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 493 ・六年級

作者/潘怡格 主編/蔡宇哲(哇賽心理學 創辦人兼總編輯)

隨著暢銷小說《哈利波特》迅速風靡全球,書迷們也非常關心作者J.K.羅琳到底是從哪裡來的靈感,可以寫下這麼生動的故事。根據羅琳的自我介紹,她常在英國愛丁堡的一間咖啡館寫作,慢慢的勾勒出霍格華茲這個充滿想像力的奇幻世界。

其實不只羅琳,還有許多的文學家,例如波特萊爾、海明威、沙特、西蒙波娃等,都喜歡聚集在咖啡館。這到底是一種時尚潮流?還是咖啡館真的有一種魔力,可以提供人們創作的靈感?

source:Pexels

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根據心理學和神經科學家對創造力的研究,發現光線和空間是很重要的影響因素,許多咖啡館的環境確實蠻符合研究中所提到的幾個條件。

實驗一:光線越昏暗,越有創意

德國心理學家安娜.史泰德爾(Anna Steidle)與她的團隊想知道「調整房間的明暗程度,會不會讓人們有更好的創造力與工作表現。」

因此,他們設計了一個實驗,邀請40個大學生,並依照房間燈光將其分成「明亮組」與「昏暗組」,在進入實驗之前會跟學生說「你正前往一個未知的星球,即將面對的是一個與地球截然不同的世界」,接著給他們 7 分鐘的時間畫出一個外星人的圖案。

評分者會依據圖案整體的創新程度,跟地球生物的相似程度、特徵的非典型程度(例如:有五隻腳、眼睛會發出雷射光)等三個面向給予分數。

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實驗結果發現,昏暗組的那些人所畫的外星人有較多的非典型特徵,也比較不像一般的地球生物,因此在整體的創新程度比明亮組表現得更好。研究者認為適當的昏暗可以激發人們創意潛能,尤其是在執行需要靈感的工作時。

但是,為什麼昏暗的燈光可以激發創意呢?

安娜.史泰德爾為了找到答案,又進行了一系列的實驗,他們利用調整房間的明暗度,請參與者評估自己感到自由的程度。評估結果發現,昏暗容易讓人有一種不被拘束的感覺,而且昏暗組在答題時,比起正確率反而更在乎速度快慢,暗示著昏暗的環境讓人有更想探索的欲望而較不擔心犯錯,這樣的心態能使創造力更容易發揮出來。

這樣聽起來,太明亮的地方是不是不好呢?雖然明亮的光線對創造力沒有明顯影響,卻有利於我們做分析和評價的相關思考,因為不同於昏暗組,明亮組更在乎的是答題正確率的表現。

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圖/作者提供。

實驗二:天花板越高,思考越自由

除了燈光之外,行銷學家瓊.麥爾斯李維(Joan Meyers-Levy)和朱瑞(Rui Zhu)也做了一個實驗,想瞭解空間高度會不會影響人們的思考和行動方式。

source:pxhere

研究者將實驗的參與者依照房間天花板的高度,分為「挑高組」(3.1公尺)與「一般組」(2.48公尺),在實驗室的天花板掛上燈籠,目的是為了引導參與者的視線往上看,以便讓他們有機會目測天花板的高度,接著開始進行解字謎的遊戲。

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結果發現,「挑高組」在解答與「自由」相關的字詞(例如:解放、不設限)上速度快得多;但是,一旦字謎是與「限制」相關的字詞時(例如:約束、矜持),情況恰恰相反,會變得比較慢。

另一個實驗則要求參與者從10項不同的運動清單中,找出相同之處。結果,挑高組比一般組舉出更多的共同點,且這些共同點本質也較為抽象。因此研究者認為:「挑高的天花板讓參與者的心裡感受比較自由,使得思考能更抽象且具有創意。」

圖/作者提供。

心理學給你的建議:利用昏暗與挑高的天花板,激發創作靈感

綜合上述研究,可以發現人的思考多少會受到環境影響,適當的昏暗與挑高的天花板,會讓我們的思考更自由,進而激發創作靈感,明亮的燈光則適合處理需要高度專心的任務。

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由此可知,咖啡館的盛行不是沒有原因的,除了滿足飲食的生理需求及流行的追求外,挑高的天花板及昏黃的光線,不知不覺中也能滿足需要創意與靈感人士的需求。

在家中,我們很難擅自調整天花板的高度或是燈光明暗,因此心理學給你的建議是,下次需要靈感的時候,不妨找一間空間寬敞、燈光朦朧昏暗的咖啡館,慢慢累積創意的養分,培養靈感的來源。

原來咖啡館在不知不覺中能滿足需要創意與靈感人士的需求了呢。圖/Neo_II@flickr

  • Freedom from constraints: Darkness and dim illumination promote creativity. Journal of Environmental psychology, 2013;35 67-80.
  • The influence of ceiling height: The effect of priming on the type of processing that people use. Journal of Consumer Research. 2007;34(2), 174-186.

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本文轉載自泛科學 2018 年 3 月選書《哇賽心理學》,格子外面出版

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哇賽心理學_96
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希望能讓大眾看見心理學的有趣與美,期待有更多的交流與分享,讓心理學不只存在於精神疾患診療間或學校諮商室,更能擴及到生活使之融入每一刻。