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解释辐射测量学和光度学

什么是辐射测量法?

辐射线测定科学是测量光在电磁频谱的任何部分。在实践中,该术语通常限于使用光学仪器测量红外光、可见光和紫外光。辐照度是光的强度,单位是瓦特每平方米。

什么是光度法?

光度法科学是测量可见光以根据人眼敏感度加权的单位计算。这是一门定量科学,它建立在人类对光的视觉反应的统计模型上——也就是说,我们对光的感知——在精心控制的条件下。亮度的光度当量称为照度,单位为每平方米流明(勒克斯)。

人类的视觉系统

人类视觉系统对波长从380到770纳米(nm)的电磁光谱中的光作出响应。我们看到的不同波长的光是可见光谱中颜色的连续体:650纳米是红色,540纳米是绿色,450纳米是蓝色,等等。

人眼对光的敏感度随波长而变化。例如,绿光辐照度为1瓦特/平方米的光源,看起来比红光或蓝光辐照度为1瓦特/平方米的光源要亮得多。在光度学中,我们不测量瓦特的辐射能。相反,我们试图测量通过辐射能量刺激人脑视觉系统所产生的主观印象。

由于眼睛对光的非线性反应,这项任务变得非常复杂。它不仅与波长有关,还与辐射通量的大小、光线是恒定的还是闪烁的、被感知场景的空间复杂性、虹膜和视网膜的适应性、观察者的心理和生理状态以及许多其他变量有关

然而,在“正常”的观看条件下,观看的主观印象是可以量化的。1924年,国际照明委员会(Commission Internationale d’eclairage,简称CIE)要求100多名观察者在受控条件下,用视觉来匹配不同波长的单色光源的“亮度”。对测量结果取平均值,得到所谓的光反应感知到的“平均”人类观察者如下图所示:

取测量结果的平均值,即所谓的“平均”人类观察者的光响应如图所示

左边的曲线显示了对弱光的反应。灵敏度的变化是因为两种类型的光感受器,视锥细胞和视杆细胞,负责眼睛对光的反应。右边的曲线显示了眼睛在正常光照条件下的反应,这被称为光反应。在这些条件下,视锥细胞对光线做出反应,它们也负责人类的颜色感知。

左边的曲线显示了眼睛对弱光的反应,被称为暗反应。在光线较弱的情况下,视杆细胞最为活跃,人眼对任何数量的光线都更加敏感,但对颜色范围的敏感度较低。视杆细胞对光非常敏感,但它是由一种光色素组成的,这就导致了它辨别颜色的能力的丧失。

考虑到人体生理学的光度单位和直接的辐射单位之间的转换如下:(光度单位)=(辐射单位)x (683) x V(?)其中V(?)是前面展示的“光响应”,基本上告诉我们眼睛接收特定波长光的效率。

光反应是光的波长的函数,因此要从辐射单位转换为光度单位首先需要了解光源。如果光源被指定为具有一定的色温,我们可以假设它的光谱辐射度发射度与一个完美的黑体辐射体相同并使用普朗克定律定义。

几个黑体辐射体的光谱辐射度图

一般来说,人造光源与完美黑体的光谱分布不一样,但为了我们的目的,我们认为它们是相等的。上图描绘了几种黑体辐射体的光谱辐射度。如果我们考虑温度为T=2045K时黑体辐射的光化学评价。

光发射度的乘积与Photopic函数的积分提供了从辐射信号到光度信号的转换

光发射度的乘积与Photopic函数的积分提供了从辐射信号到光度信号的转换

光发射度的乘积与Photopic函数的积分提供了从辐射信号到光度信号的转换。

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类别:技术文章

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