光度函数 Luminosity functions

2022-10-18 15:36:25 浏览:681

定义

描述人眼光谱灵敏度的函数。

亮度函数描述了人眼的光谱灵敏度。 这些正式版本已由CIE,国际照明委员会(国际照明委员会)出版;它们基于在明确定义的实验条件下(对于CIE标准观察者)具有健康眼睛的人类的平均感知。

重要的是,人眼灵敏度的光谱依赖性取决于照明条件,更准确地说取决于入射亮度。 亮度值低于约 10−3cd/m2 ,一个有暗视觉,是单色的。 在更好的照明条件下,亮度至少为几cd/m2,一个人具有明视视觉,具有良好的色彩感知。 中间状态称为中视视觉。 有关更多详细信息,请参阅有关暗视觉和明视觉的文章。

暗视觉和明视觉的亮度函数大不相同。

明视的亮度函数

对于明视视觉,即在充分突出的水平上,人眼使用视锥受体,其中有三种不同的类型(L,M和S)。 它们的输出信号组合在一起以确定接收的总亮度。

在具有一定波长λ的单色光的简单情况下,光源产生的光通量可以计算为683 lm/W乘以明光度函数值y(λ)乘以辐射通量(光功率)。 对于多色光,光通量获得所有光谱分量的贡献,因此可以计算为光谱积分:

哪里Φe(λ)是进入眼睛(虹膜开口内)的光谱辐射通量,并且Φv(λ)由此产生的光通量。 图1显示了明光度函数的值。

图1:根据CIE的明视响应函数。 数据来源:伦敦大学学院色彩与视觉研究实验室,发光效率函数页面。

从角膜到视网膜的光能损失包含在亮度函数中。 由于眼睛的老化,特别是波长较短的成分将经历增加的吸收和散射损失,最终导致亮度低于该功能的预测。

光度函数被缩放,使其最大值(在大约 555 nm 的波长处达到)是单位;这导致最大响应为 683 lm/W。 对于其他波长以及不同波长的任何混合物,会产生较低的值。 特别是白光源,其输出需要包含一些红光和蓝光,在发光效率方面比绿光源更有限,即使从电能到光通量的转换是高效的。

暗视觉的亮度函数

暗视觉发生在低光照水平下,其中仅涉及视杆光感受器,因为视锥细胞无法提供足够强的信号。 在这种状态下,必须应用称为V'(λ)的不同光度函数(由CIE在1951年定义)。 该函数在 507 nm 处达到峰值,并在该点再次归一化为统一。 由特定辐射通量产生的光通量可以计算为

其中Φ(λ)又是光谱辐射通量。 (图 2 显示了暗光度函数的值。)人们可以看到,在这种状态下需要更少的光来获得显着的光感知。 但是,色觉是不可能的。

图2:根据CIE(1951)的暗位响应函数。数据来源:伦敦大学学院色彩与视觉研究实验室,关于发光效率函数的页面。

光度函数的确定

为了确定光度函数,需要相对复杂的程序,其中测试更大的个体对某些类型的光学刺激的反应。 使用的方法之一是异色闪烁光度法。 在这里,人们基本上调整了两个不同波长的信号的相对功率,眼睛交替暴露在这两个信号上,这样就不会观察到闪烁。

光度函数的应用

基于光源的已知光度函数和已知光谱,可以计算出光源或被照物体的亮度。 例如,如果已知光源从电能到光功率转换的效率,则允许计算光源的发光效率和效率。

还可以使用亮度函数来比较不同波长(例如激光指示器)的单色光源的表观亮度。 请注意,在暗视觉和明视觉之间,两个不同波长下的光度值之比可能非常不同。 例如,对于明视,650 nm激光指示器在相同输出功率下至少可以实现绿色激光指示器亮度的10%以上,而对于暗视觉,差异要大得多,其中650 nm的灵敏度变得非常小。

星系的光度函数

术语光度函数在天文学中使用了完全不同的含义。 使用光学望远镜和特定的光电探测器,可以测量不同光谱波段的许多星系的光度(在光谱强度的意义上)。 然后可以定义一个光度函数,它反映了许多星系在这种光度的特定间隔内的数量分布。

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