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Rezeptororientierte Charakterisierung breitbandiger Spektren als Basis einer mesopischen Hellempfindung
Schäfer, Sören
Der mesopische Bereich bildet den Übergang zwischen dem Tag- und Nachtsehen ab. Während die Vorgänge des photopischen und skotopischen Adaptationszustandes recht gut bekannt sind, ergeben sich hinsichtlich der Rezeptorinteraktion im Bereich des Dämmerungssehens viele komplexe Forschungsansätze. Eine Eigenheit des mesopischen Sehens bildet die Interaktion der Rezeptoren über die Stäbchen und die Zapfen sowie deren nachfolgenden Signalverarbeitung. Daraus folgend ergeben sich kontinuierliche Veränderungen der Hellempfindung in Abhängigkeit der Reizdimensionierung. Da das Hellempfinden eine grundsätzliche Funktion unseres Sehapparates bildet, gilt es, dieses in einem Komplex von Einflussfaktoren, wie Leuchtdichteadaptationsniveau, spektrale Zusammensetzung und Stimulusgröße, zu ergründen. Diesbezüglich gilt es das Problem herauszuheben, dass es weder eine mesopische Messtechnik gibt, noch einheitliche Verfahrensweisen zur Bestimmung einer mesopischen Hellempfindung. Für die Empfindungsquantifizierung dienen Ansätze aus der Psychophysik und somit der Mensch als Regelsystem. Hinsichtlich der Durchführung empirischer Untersuchungen wurde ein innovatives Versuchskonzept aufgebaut, welches die reproduzierbare, freie Erzeugung verschiedenster Spektren zu kontrollierten Bedingungen ermöglicht. Weiterhin wurde ein Methodenvergleich zwischen dem Memory Brightness Matching (MBM) und dem Successive Binocular Brightness Matching (SBBM) durchgeführt, wobei die zweite Methode weitere Verwendung in einem Hauptversuch mit 24 Probanden fand. Um auf das Hellempfinden in Abhängigkeit der untersuchten Variablen rückschließen zu können, bildeten die eingestellten spektralen Abgleiche gleicher Hellempfindung die Grundlage für den Einsatz wahrnehmungspsychologisch angepasster spektraler Empfindlichkeitsfunktio-nen. Zur Modellierung der gewonnenen Ergebnisse wurde auf das Prinzip eines 4-Komponentenmodells zurückgegriffen, welches sich rezeptorbasiert darstellt. Unter Verwendung rezeptororientierter Empfindlichkeitsfunktionen für Zapfen und Stäbchen ist ein Ausgleich der den mesopischen Bereich kennzeichnenden Nichtlinearitäten und In-teraktionen gegeben. Es ergibt sich ein Berechnungsmodell, mit welchem innerhalb der Systemgültigkeit rezeptorbasierte, äquivalente Leuchtdichteverhältnisse als Operationalisierungsmaß einer mesopischen Hellempfindung berechnet werden können. Auf Spezialfälle einer Dominanzausprägung, die das Hellempfinden beeinflusst, ist vertiefend eingegangen. Folglich lässt sich auf relative Hellempfindungen in den Anwendungsbereichen des mesopischen Sehens, wie beispielsweise der Straßenbeleuchtung, Automobilbeleuchtung und ambienten Beleuchtung, schließen. Potentiale hinsichtlich einer erhöhten Energieeffizienz und Wahrnehmungsleistung sollten in weiterführenden Arbeiten unbedingt erschlossen werden.
The mesopic range is the progressive transition between the vision at day (photopic) and at night (scotopic). While underlying visual processes during photopic as well as scotopic adaptation levels are well known, the mesopic vision between those two rises many compex research questions because of the occurring receptor interaction during twilight. Mesopic vision is characterized by non-linearities and interaction processes of two receptor types – cones and rods – as well as their following signal processing. That implies a continuous change in brightness perception with regard to the stimulus nature. Therefore it is necessary to investigate the influence of the mesopic brightness perception considering several aspects simultaneously - the luminance adaptation level, the spectral power distribution and of course the stimulated retinal area. One not satisfyingly solved problem is the measurability of mesopic values, especially the brightness perception. No generalized approach is known. No generalized approach is known. The human has to serve as a feedback control system in data collection with a psychophysical approach. For empirical studies a designed and innovative experimental setup is built on which enables the free and reproducible generation of any light spectra under controlled conditions. Furthermore two evaluation methods - the Memory Brightness Matching and the Successive Binocular Brightness Matching – were compared. For the maintest, realised with 24 participants, the latter method was chosen. The evaluated data sets of matched spectral power distributions are the basis for a later consideration with perception based luminous efficiency functions. To model the gained results a receptor based 4-components model was formed. Here every component is symbolized by a cone or a rod quota. By using receptor oriented luminous efficiency functions for rods and cones it is possible to smooth the non-linearities and interactions that characterise mesopic vision. As a result, a calculation model is originated based on the receptors of the eye. Now there is the possibility to specify an equivalent luminance ratio as a value of mesopic brightness perception within the valid system. In addition, special cases of visual dominance oc-curred in mind which have an influence on the mesopic brightness perception. Accordingly, it is possible to determine the mesopic brightness perception for applications like street lighting, automotive lighting and ambient lighting, which come to use under or produce mesopic lighting conditions. Potentials in terms of a higher energy efficiency and perception performance will be topics for future research.
