2.3 光靈敏度參數(shù)

2.3.1 光功率和光照度

2.3.1.1 光的物理輻射功率及波譜分布

△ 光也是一種電磁輻射波，其本身具有物理輻射能量。單色光源（如波長(zhǎng)為λ的激光光源）的物理輻射功率P就是波長(zhǎng)為λ的單色光的物理輻射功率。復(fù)合光源（如鎢絲白熾燈）中包含多個(gè)波長(zhǎng)（λi）的光，各個(gè)波長(zhǎng)（λi）的光都存在其自身的物理輻射功率（Pi），各個(gè)波長(zhǎng)（λi）的光按其波長(zhǎng)λ的功率分布特征稱(chēng)為光譜功率分布，用P（λ）表示。不同的光源有不同的光譜功率分布特征。一個(gè)光源中，各個(gè)波長(zhǎng)（λi）的光的物理輻射功率（Pi）之總和就構(gòu)成了這個(gè)光源的物理輻射功率P；光的物理輻射功率P反映光輻射能量的客觀強(qiáng)度，它與人眼的主觀感覺(jué)無(wú)關(guān)。光的物理輻射功率P用單位W或W/cm2表示。

△ 人眼能感知到的光稱(chēng)為可見(jiàn)光。可見(jiàn)光的波長(zhǎng)在380～780nm之間。依光波長(zhǎng)從長(zhǎng)到短，人眼依次可以感覺(jué)到紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫幾種主色調(diào)以及它們之間的過(guò)渡顏色。波長(zhǎng)比紅光更長(zhǎng)的光稱(chēng)為紅外線，波長(zhǎng)比紫光更短的光稱(chēng)為紫外線。圖2-7示出了從高能射線，紫外線，可見(jiàn)光，紅外線，直至波長(zhǎng)更長(zhǎng)的無(wú)線電波的波長(zhǎng)分布圖，以及各種波長(zhǎng)的電磁輻射波所具有的特征。波長(zhǎng)λ大于780nm電磁輻射波和波長(zhǎng)λ小于380nm的電磁輻射波都是人眼看不到電磁輻射能量，紅外區(qū)和紫外區(qū)的電磁輻射波也可以稱(chēng)為不可見(jiàn)光。光電傳感器就是用來(lái)對(duì)可見(jiàn)光、紅外線和紫外線的輻射特征及其所攜帶的信息進(jìn)行檢測(cè)的光電變換工具。

2.3.1.2 視敏特性

△ 人眼的主觀視覺(jué)感覺(jué)，對(duì)380～780nm內(nèi)不同波長(zhǎng)的可見(jiàn)光，有不同的敏感度。對(duì)于物理輻射功率P相同，但波長(zhǎng)λ不同的可見(jiàn)光，人的視覺(jué)上對(duì)這些光的主觀亮度感覺(jué)也有所不同。人眼的這個(gè)特點(diǎn)稱(chēng)為視敏特性。人眼的視敏特性可以用視敏函數(shù)或相對(duì)視敏函數(shù)來(lái)表示。

（1）視敏函數(shù)

△ 如果用Pr（λ）表示使人眼的亮度感覺(jué)相同（即人眼感覺(jué)到的亮度相同）時(shí)，不同波長(zhǎng)（λ）可見(jiàn)光的物理輻射功率，則可以用Pr（λ）的倒數(shù)1/Pr（λ）來(lái)描述人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的可見(jiàn)光的敏感程。這個(gè)相同亮度感覺(jué)下波長(zhǎng)λ的函數(shù)1/Pr（λ）就稱(chēng)為視敏函數(shù)；用K（λ）表示。即

△ 視敏函數(shù)K（λ）值越大，表示該波長(zhǎng)（λ）的光，在使人眼產(chǎn)生相同亮度感覺(jué)時(shí)，所需的物理輻射功率越小。即人眼對(duì)這個(gè)波長(zhǎng)（λ）的光越敏感。視敏函數(shù)K（λ）值越小，則表示該波長(zhǎng)（λ）的光，在使人眼產(chǎn)生相同亮度感覺(jué)時(shí)，需要的物理輻射功率越大。即人眼對(duì)這個(gè)波長(zhǎng)（λ）的光越不敏感。

△ 實(shí)驗(yàn)表明，在明亮的環(huán)境下，人眼對(duì)波長(zhǎng)為555nm的黃綠光最敏感。在相同的物理輻射功率下，人眼感覺(jué)到555nm的黃綠光最亮。即λ=555nm的黃綠光的視敏函數(shù)為最大，可定為Kmax；

即有

（2）相對(duì)視敏函數(shù)

△ 用任意波長(zhǎng)（λ）光的視敏函數(shù)值K（λ），與λ=555nm的黃綠光的視敏函數(shù)值K（555）相比，其比值關(guān)系即稱(chēng)為相對(duì)視敏函數(shù)。用V（λ）表示。即

由于K（555）=Kmax，所以相對(duì)視敏函數(shù)的最大值Vmax為1。

△ 相對(duì)視敏函數(shù)曲線如圖2-8所示。

用人眼視敏特性的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Pr（λ），與其中的波長(zhǎng)為555nm的黃綠光的輻射功率Pr（555）相對(duì)比，并按式（2-9）關(guān)系式計(jì)算出對(duì)應(yīng)著可見(jiàn)光全波長(zhǎng)范圍的V（λ）值，便可以作出人眼的相對(duì)視敏函數(shù)曲線圖。人眼的相對(duì)視敏函數(shù)曲線如圖2-8所示，可以看出，有明視覺(jué)和暗視覺(jué)兩條特性曲線。

△ 相對(duì)視敏函數(shù)曲線（圖2-8）中，右面那條V（λ）曲線為在明亮視覺(jué)環(huán)境下（光照度在5lx以上），人眼的相對(duì)視敏函數(shù)特性曲線，稱(chēng)為明視特性；這條明視特性曲線的最大值發(fā)生在λ=555n m處。左面那條曲線V＇（λ）也是由實(shí)驗(yàn)得出的人眼在暗視覺(jué)環(huán)境下（光照度在0.3lx以下）時(shí)的相對(duì)視敏函數(shù)曲線，稱(chēng)為暗視特性；這條暗視特性曲線的最大值發(fā)生在λ=507nm處。我們通常講的相對(duì)視敏函數(shù)和視敏特性，都是指在明亮視覺(jué)環(huán)境下（光照度在5lx以上）的明視相對(duì)視敏函數(shù)曲線V（λ）。

2.3.1.3 關(guān)于光瓦和流明單位

△ 光瓦和流明都是一種光通量的單位。光通量即為在單位時(shí)間內(nèi)，光源所發(fā)出的光量。而通過(guò)某一指定面積的光量，稱(chēng)為通過(guò)這一面積的光通量。

△ 物理輻射功率為1W的555nm波長(zhǎng)的黃綠光，所產(chǎn)生的光通量，就定義為1光瓦。

△555n m波長(zhǎng)以外的各波長(zhǎng)的可見(jiàn)光，當(dāng)它（λi波長(zhǎng)光）與1 W物理輻射功率的555n m波長(zhǎng)光的亮度感覺(jué)相同時(shí)（由標(biāo)準(zhǔn)觀察者的眼睛感覺(jué)判定），則認(rèn)為這個(gè)光（λi波長(zhǎng)光）就具有1光瓦的光通量。

△ 因此，也可以認(rèn)為，相對(duì)視敏函數(shù)V（λ）曲線，也是單位物理輻射功率的、不同波長(zhǎng)（λi）的可見(jiàn)光，所產(chǎn)生的光通量（光瓦）的分布曲線。

△“光瓦”這個(gè)東西，既是客觀量，又是主觀量。對(duì)于555nm的黃綠光的“光瓦”數(shù)，它是有客觀基礎(chǔ)的，即等于555nm的黃綠光的物理輻射功率值；而對(duì)于555nm黃綠光以外的其他可見(jiàn)光，它們的“光瓦”數(shù)都是人眼對(duì)比的結(jié)果，因此它們的“光瓦”數(shù)都是主觀形成的。

△ 由于“光瓦”是由1W物理輻射功率的555nm的黃綠光定義的，所以“光瓦”（光通量）也是單位時(shí)間里的光量值，也屬于功率類(lèi)的量值。

△ 光譜（物理輻射）功率分布為P（λ）的光源（或照明體，此后統(tǒng)稱(chēng)為光源），設(shè)其光譜中所含的所有波長(zhǎng)光的輻射光通量之總和為P通；則P通即為P（λ）光源輻射的總光通量。P通可以用光通量的“光瓦”單位表示為P光瓦，其表達(dá)式如下

△ 流明（lm）也是一種光通量單位，它與光瓦的關(guān)系為

由式（2-10）和式（2-11）可知，P（λ）光源中所有波長(zhǎng)光輻射的總光通量P通也可以用光通量的“流明”單位表示為P流明，其表達(dá)式如下

2.3.1.4 光強(qiáng)度（坎德拉）與流明的關(guān)系

△ 光強(qiáng)度（坎德拉）是指光源在單位立體角內(nèi)輻射的光通量。單位為坎德拉，用[cd]表示。

△1979年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)照明委員會(huì)（CIE）對(duì)光強(qiáng)度（坎德拉）作出了新的標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)定頻率為540×1012Hz（即波長(zhǎng)555nm）的單色光源，在一個(gè)單位立體角（1個(gè)球面度）內(nèi)的物理輻射功率為1/683W時(shí)的發(fā)光強(qiáng)度，定義為1坎德拉（1cd）。由于1/683W物理輻射功率的555nm譜色光的光通量即為1/683光瓦=1流明，所以1坎德拉（1cd）發(fā)光強(qiáng)度的光源在單位立體角內(nèi)輻射出的光通量為1流明。

△ 如圖2-9所示，由球的中心點(diǎn)，向球表面1m2正方形表面積（以球半徑1m為邊長(zhǎng)的正方形表面積）方向望去，對(duì)應(yīng)著這1m2球表面積所張開(kāi)的立體角，即稱(chēng)為1個(gè)單位立體角（1sr），或稱(chēng)為1個(gè)球面度。位于球中心的光強(qiáng)度為1坎德拉（1cd）的點(diǎn)光源所發(fā)出的光，穿過(guò)半徑為1m的球的表面，在這1m2表面積上所通過(guò)的光通量，就是1流明（1lm）。

2.3.1.5 光亮度[cd/m2]

△ 光亮度[cd/m2]是表示發(fā)光面的明亮程度的物理量，用單位面積上的光強(qiáng)度表示。發(fā)光面在某一指定方向上的光亮度，是指發(fā)光面在這一指定方向上的光強(qiáng)度（cd）與發(fā)光面面積在這一指定方向上的投影面積（m2）之比值。光亮度的單位為：坎德拉/平方米[cd/m2]，或尼特[nit]；1[cd/m2]=1[nit]。

△ 對(duì)于一個(gè)漫散射的發(fā)光面，盡管在各個(gè)不同方向上的光強(qiáng)度有所不同，但在各個(gè)不同方向的光亮度都是基本相同的。如電影的銀幕和電視機(jī)的屏幕就是近似于這樣的漫散射的發(fā)光面，所以從各個(gè)不同的方向上觀看電影和電視圖像時(shí)，都有大致相同的亮度感。

2.3.1.6 光照度[lx]

△ 光照度[lx]，也稱(chēng)照度，是指從光源照射到單位面積上的光通量。它表示被光照射的物體表面所獲得的被照量，用單位面積上入射的流明數(shù)（光通量）來(lái)衡量，即用[lm/m2]來(lái)表示。實(shí)際使用的光照度單位為勒克斯[lx]，有時(shí)也用[lux]。

1lx=1lm/m2

例如：被光均勻照射的物體，若其表面1m2的面積上，所得到的光照量（光通量）是1lm時(shí)，它的照度就是1lx。

△ 各種特定環(huán)境下的典型照度參考值如下。

黑夜：0.001～0.02lx；

月夜：0.02～0.3lx；

室內(nèi)陰天：5～50lx；

室內(nèi)晴天：100～1000lx；

室外陰天：50～500lx；

室外夏季中午陽(yáng)光直射下的照度，約為106～108lx；

40W普通白熾燈正下方1m處的照度約為30lx；

40W熒光燈正下方1.3m處的照度約為90lx；

閱讀書(shū)刊時(shí)所需的燈下照度一般為60～80lx。

2.3.1.7 關(guān)于光量單位之特點(diǎn)的歸納

△ 由于光瓦和流明這兩個(gè)基本光通量單位值，都是由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)照明委員會(huì)組織標(biāo)準(zhǔn)觀察者（人眼睛）觀察、對(duì)比各波長(zhǎng)光的亮度感覺(jué)與1W物理輻射功率的555nm的黃綠光的亮度感覺(jué)之異同的基礎(chǔ)上確定的標(biāo)準(zhǔn)。所以歸根結(jié)底，光瓦、流明表示的光通量值，是一個(gè)主觀量值。

△ 國(guó)際照明委員會(huì)將標(biāo)準(zhǔn)觀察者們觀察、對(duì)比的結(jié)果，歸納成固定的數(shù)據(jù)值，作出了標(biāo)準(zhǔn)視敏函數(shù)曲線，這才形成了可見(jiàn)光譜中各波長(zhǎng)光的標(biāo)準(zhǔn)光通量值。

△ 對(duì)于我們普通人來(lái)講，光，只有其物理輻射功率是客觀存在的。其亮度值都是主觀的。對(duì)同一光譜功率分布的物理輻射光源，眼睛好的人感到亮度就高一些；眼睛差的人感到亮度就低一些，對(duì)于盲人來(lái)講，這個(gè)世界上沒(méi)有亮度存在。對(duì)于380～780nm波長(zhǎng)以外的光輻射，由于人眼的視網(wǎng)膜無(wú)法察覺(jué)它們，它們的物理輻射功率即使存在，對(duì)于人類(lèi)來(lái)講，其亮度也永遠(yuǎn)為零。因此，從本質(zhì)上講，亮度都是主觀的，沒(méi)有客觀的亮度。只是由于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)照明委員會(huì)將標(biāo)準(zhǔn)觀察者的觀察結(jié)果固化下來(lái)，才形成了關(guān)于亮度的標(biāo)準(zhǔn)和各種亮度單位。

2.3.2 以光照度為基礎(chǔ)的光敏靈敏度

△ 以光照度為基礎(chǔ)的光敏傳感器的靈敏度主要有流明靈敏度（Slm）和勒克斯靈敏度（Slx）。以光照度為基礎(chǔ)的靈敏度，是以人眼感到的光照度為基礎(chǔ)而定義的光電器件靈敏度參數(shù)。它的輸入光強(qiáng)度的含義，是與人類(lèi)感知的光亮程度一致的。

△ 由于光敏感器件對(duì)不同波長(zhǎng)光的敏感度不同，當(dāng)使用光源的光譜輻射功率分布不同時(shí)，即使照射到光敏器件受光面上的光通量相同，所測(cè)得的光敏器件靈敏度也不相同。因此，測(cè)定這種光敏靈敏度所用的標(biāo)準(zhǔn)光源規(guī)定為：色溫2854K的標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈。

2.3.2.1流明靈敏度（Slm）

△ 光敏傳感器的流明靈敏度（Slm），是指光敏器件的響應(yīng)輸出光電流，對(duì)輸入光通量（流明）之比。即

2.3.2.2 勒克斯靈敏度（Slx）

△ 光敏傳感器的勒克斯靈敏度（Slx），是指光敏器件的響應(yīng)輸出光電流，對(duì)輸入光照度（勒克斯）之比。即

2.3.3 物理輻射靈敏度（Sw）

△ 光敏器件的物理輻射靈敏度也稱(chēng)為光敏器件的響應(yīng)度，它是指光電器件的輸出響應(yīng)光電流（A），與輸入光的物理輻射功率（W）之比。

△ 物理輻射靈敏度（響應(yīng)度）中，輸入光強(qiáng)度的含義是指光敏感器件受光面積上所接收到的物理光輻射的強(qiáng)度。物理輻射靈敏度既可以用于可見(jiàn)光檢測(cè)，也可以用于紅外光和紫外光檢測(cè)。

2.3.4 光譜靈敏度S（λ）與相對(duì)光譜靈敏度Sr（λ）

△ 多數(shù)光敏器件對(duì)不同波長(zhǎng)的光表現(xiàn)出不同的靈敏度。光譜靈敏度S（λ）與相對(duì)光譜靈敏度Sr（λ），都是反映光敏器件對(duì)不同波長(zhǎng)的輸入光，其響應(yīng)靈敏度之不同的參數(shù)。

2.3.4.1 光譜靈敏度S（λ）

式中，I（λ）為光敏器件對(duì)λ波長(zhǎng)入射光的響應(yīng)輸出值；P（λ）為λ波長(zhǎng)入射光的輻射功率。

2.3.4.2 相對(duì)光譜靈敏度Sr（λ）

△ 在光譜靈敏度S（λ）的波長(zhǎng)分布中，必會(huì)在某λP處存在著靈敏度的最大值S（λ）max=S（λP）；即器件光譜靈敏度的最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)著峰值波長(zhǎng)λP；相對(duì)光譜靈敏度Sr（λ），就是S（λ）與其中的最大值S（λ）max之比。即

△ 相對(duì)光譜靈敏度Sr（λ），是一個(gè)小于或等于1的函數(shù)。即恒有：Sr（λ）≤1；并且在峰值波長(zhǎng)λP處，Sr（λ）達(dá)到最大值1，即

Sr（λ）m ax=Sr（λP）=1

△ 圖2-10列出了幾種光敏材料的相對(duì)光譜響應(yīng)特性。從圖中各種敏感材料的光譜響應(yīng)曲線中，可以看出使用不同種類(lèi)光敏感材料的光電傳感器件的光譜靈敏度的差別。并可據(jù)此判斷出不同光電器件的最佳工作波長(zhǎng)區(qū)段。

2.3.4.3 幾種光源和硅光敏器件的相對(duì)光譜特性對(duì)照

△ 圖2-11列出了幾種發(fā)光二極管（LED）、日光和白熾燈光源的光譜功率分布P（λ）與硅光敏器件的相對(duì)光譜靈敏度Sr（λ）的綜合曲線圖。通過(guò)對(duì)照，可以知曉硅光敏傳感器件對(duì)各種光源的光譜響應(yīng)情況。由此可以針對(duì)一種光敏元件（如硅光敏二極管、光敏三極管、硅光電池等），選擇出與它光譜特性相配合的發(fā)光器件，以期獲得最佳的光電變換靈敏度。

△ 圖中還列出了人眼對(duì)可見(jiàn)光的相對(duì)視敏函數(shù)Vr（λ）曲線。通過(guò)對(duì)比Vr（λ）與硅光敏器件的相對(duì)光譜靈敏度Sr（λ）曲線覆蓋區(qū)域的異同，可以知曉硅光電傳感器件與人眼在感受光信息時(shí)光譜敏感度特性方面的差別。