Was ist Radiometrie?
Radiometrie ist die Wissenschaft der Messung von Licht in jedem Teil des elektromagnetischen Spektrums. In der Praxis beschränkt sich der Begriff in der Regel auf die Messung von infrarotem, sichtbarem und ultraviolettem Licht mit optischen Instrumenten. Die Bestrahlungsstärke ist die Lichtintensität und wird in Watt pro Quadratmeter gemessen.
Was ist Photometrie?
Photometrie ist die Wissenschaft der Messung von sichtbarem Licht in Einheiten, die nach der Empfindlichkeit des menschlichen Auges gewichtet werden. Es ist eine quantitative Wissenschaft, die auf einem statistischen Modell der menschlichen visuellen Reaktion auf Licht – dh unserer Wahrnehmung von Licht – unter sorgfältig kontrollierten Bedingungen basiert. Das photometrische Äquivalent der Strahlung wird als Beleuchtungsstärke bezeichnet und in Lumen pro Quadratmeter (Lux) gemessen.
Das menschliche Sehsystem
Das menschliche Sehsystem reagiert auf das Licht im elektromagnetischen Spektrum mit Wellenlängen im Bereich von 380 bis 770 Nanometern (nm). Wir sehen Licht verschiedener Wellenlängen als ein Kontinuum von Farben, die durch das sichtbare Spektrum reichen: 650 nm ist rot, 540 nm ist grün, 450 nm ist blau und so weiter.
Die Empfindlichkeit des menschlichen Auges gegenüber Licht variiert mit der Wellenlänge. Eine Lichtquelle mit einer Bestrahlungsstärke von einem Watt/m2 grünem Licht erscheint beispielsweise viel heller als dieselbe Quelle mit einer Bestrahlungsstärke von einem Watt/m2 rotem oder blauem Licht. In der Photometrie messen wir keine Watt Strahlungsenergie. Vielmehr versuchen wir, den subjektiven Eindruck zu messen, der durch die Stimulierung des menschlichen Sehsystems Auge-Gehirn mit Strahlungsenergie entsteht.
Diese Aufgabe wird durch die nichtlineare Reaktion des Auges auf Licht immens erschwert. Es variiert nicht nur mit der Wellenlänge, sondern auch mit der Menge des Strahlungsflusses, ob das Licht konstant ist oder flackert, der räumlichen Komplexität der wahrgenommenen Szene, der Anpassung von Iris und Netzhaut, dem psychologischen und physiologischen Zustand des Betrachters und einer Vielzahl anderer Variablen
Dennoch kann der subjektive Eindruck des Sehens für „normale“ Sehbedingungen quantifiziert werden. Im Jahr 1924 bat die Commission Internationale d’Eclairage (Internationale Beleuchtungskommission oder CIE) über hundert Beobachter, die „Helligkeit“ monochromatischer Lichtquellen mit unterschiedlichen Wellenlängen unter kontrollierten Bedingungen visuell anzupassen. Ein Durchschnitt der Messungen führt zu der sogenannten photopischen Reaktion des wahrgenommenen ‚durchschnittlichen‘ menschlichen Beobachters, wie in der folgenden Grafik gezeigt:
Die Kurve links zeigt die Reaktion auf niedrige Lichtstärken. Die Verschiebung der Empfindlichkeit tritt auf, weil zwei Arten von Photorezeptoren, Zapfen und Stäbchen, für die Reaktion des Auges auf Licht verantwortlich sind. Die Kurve rechts zeigt die Reaktion des Auges unter normalen Lichtverhältnissen, die als photopische Reaktion bezeichnet wird. Die Zapfen reagieren unter diesen Bedingungen auf Licht und sind auch für die menschliche Farbwahrnehmung verantwortlich.
Die Kurve auf der linken Seite zeigt die Reaktion der Augen auf niedrige Lichtwerte und wird als skotopische Reaktion bezeichnet. Bei niedrigem Lichtpegel sind die Stäbchen am aktivsten und das menschliche Auge reagiert empfindlicher auf jede vorhandene Lichtmenge, reagiert jedoch weniger empfindlich auf den Farbbereich. Stäbe sind sehr lichtempfindlich, bestehen jedoch aus einem einzigen Fotopigment, das für den Verlust der Fähigkeit zur Farbunterscheidung verantwortlich ist.
Die Umrechnung zwischen photometrischen Einheiten, die die menschliche Physiologie berücksichtigen, und geraden radiometrischen Einheiten ergibt sich wie folgt: (photometrische Einheit) = (radiometrische Einheit) x (683) x V(?)wo V(?) ist die zuvor gezeigte photopische Reaktion und sagt uns im Grunde, wie effizient das Auge bestimmte Wellenlängen des Lichts aufnimmt.
Die photopische Antwort ist eine Funktion der Wellenlänge des Lichts, und um von radiometrischen Einheiten in photometrische Einheiten umzuwandeln, ist zunächst die Kenntnis der Lichtquelle erforderlich. Wenn die Quelle mit einer bestimmten Farbtemperatur angegeben wird, können wir davon ausgehen, dass ihre spektrale Strahlungsemittanz der eines perfekten Schwarzkörperstrahlers entspricht, und das zuvor definierte Plancksche Gesetz verwenden.
Künstliche Quellen haben im Allgemeinen nicht die gleiche spektrale Verteilung wie ein perfekter schwarzer Körper, aber für unsere Zwecke werden wir sie als gleich betrachten. Die obige Grafik zeigt die spektrale Strahlung mehrerer Schwarzkörperstrahler. Wenn wir die photopische Bewertung einer Schwarzkörperstrahlung bei einer Temperatur von T = 2045K betrachten.
Die Integration des Produkts der Lichtemittanz durch die photopische Funktion liefert die Umwandlung von einem radiometrischen Signal in ein photometrisches.
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