2.3 光靈敏度參數

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（如波長為λ的激光光源）的物理輻射功率P就是波長為λ的單色光的物理輻射功率。復合光源（如鎢絲白熾燈）中包含多個波長（λi）的光，各個波長（λi）的光都存在其自身的物理輻射功率（Pi），各個波長（λi）的光按其波長λ的功率分布特征稱為光譜功率分布，用P（λ）表示。不同的光源有不同的光譜功率分布特征。一個光源中，各個波長（λi）的光的物理輻射功率（Pi）之總和就構成了這個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度，它與人眼的主觀感覺無關。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為可見光。可見光的波長在380～780nm之間。依光波長從長到短，人眼依次可以感覺到紅、橙、黃、綠、青、藍、紫幾種主色調以及它們之間的過渡顏色。波長比紅光更長的光稱為紅外線，波長比紫光更短的光稱為紫外線。圖2-7示出了從高能射線，紫外線，可見光，紅外線，直至波長更長的無線電波的波長分布圖，以及各種波長的電磁輻射波所具有的特征。波長λ大于780nm電磁輻射波和波長λ小于380nm的電磁輻射波都是人眼看不到電磁輻射能量，紅外區和紫外區的電磁輻射波也可以稱為不可見光。光電傳感器就是用來對可見光、紅外線和紫外線的輻射特征及其所攜帶的信息進行檢測的光電變換工具。

2.3.1.2 視敏特性

△ 人眼的主觀視覺感覺，對380～780nm內不同波長的可見光，有不同的敏感度。對于物理輻射功率P相同，但波長λ不同的可見光，人的視覺上對這些光的主觀亮度感覺也有所不同。人眼的這個特點稱為視敏特性。人眼的視敏特性可以用視敏函數或相對視敏函數來表示。

（1）視敏函數

△ 如果用Pr（λ）表示使人眼的亮度感覺相同（即人眼感覺到的亮度相同）時，不同波長（λ）可見光的物理輻射功率，則可以用Pr（λ）的倒數1/Pr（λ）來描述人眼對不同波長的可見光的敏感程。這個相同亮度感覺下波長λ的函數1/Pr（λ）就稱為視敏函數；用K（λ）表示。即

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

△ 實驗表明，在明亮的環境下，人眼對波長為555nm的黃綠光最敏感。在相同的物理輻射功率下，人眼感覺到555nm的黃綠光最亮。即λ=555nm的黃綠光的視敏函數為最大，可定為Kmax；

即有

（2）相對視敏函數

△ 用任意波長（λ）光的視敏函數值K（λ），與λ=555nm的黃綠光的視敏函數值K（555）相比，其比值關系即稱為相對視敏函數。用V（λ）表示。即

由于K（555）=Kmax，所以相對視敏函數的最大值Vmax為1。

△ 相對視敏函數曲線如圖2-8所示。

用人眼視敏特性的實測數據Pr（λ），與其中的波長為555nm的黃綠光的輻射功率Pr（555）相對比，并按式（2-9）關系式計算出對應著可見光全波長范圍的V（λ）值，便可以作出人眼的相對視敏函數曲線圖。人眼的相對視敏函數曲線如圖2-8所示，可以看出，有明視覺和暗視覺兩條特性曲線。

△ 相對視敏函數曲線（圖2-8）中，右面那條V（λ）曲線為在明亮視覺環境下（光照度在5lx以上），人眼的相對視敏函數特性曲線，稱為明視特性；這條明視特性曲線的最大值發生在λ=555n m處。左面那條曲線V＇（λ）也是由實驗得出的人眼在暗視覺環境下（光照度在0.3lx以下）時的相對視敏函數曲線，稱為暗視特性；這條暗視特性曲線的最大值發生在λ=507nm處。我們通常講的相對視敏函數和視敏特性，都是指在明亮視覺環境下（光照度在5lx以上）的明視相對視敏函數曲線V（λ）。

2.3.1.3 關于光瓦和流明單位

△ 光瓦和流明都是一種光通量的單位。光通量即為在單位時間內，光源所發出的光量。而通過某一指定面積的光量，稱為通過這一面積的光通量。

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

△555n m波長以外的各波長的可見光，當它（λi波長光）與1 W物理輻射功率的555n m波長光的亮度感覺相同時（由標準觀察者的眼睛感覺判定），則認為這個光（λi波長光）就具有1光瓦的光通量。

△ 因此，也可以認為，相對視敏函數V（λ）曲線，也是單位物理輻射功率的、不同波長（λi）的可見光，所產生的光通量（光瓦）的分布曲線。

△“光瓦”這個東西，既是客觀量，又是主觀量。對于555nm的黃綠光的“光瓦”數，它是有客觀基礎的，即等于555nm的黃綠光的物理輻射功率值；而對于555nm黃綠光以外的其他可見光，它們的“光瓦”數都是人眼對比的結果，因此它們的“光瓦”數都是主觀形成的。

△ 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）也是單位時間里的光量值，也屬于功率類的量值。

△ 光譜（物理輻射）功率分布為P（λ）的光源（或照明體，此后統稱為光源），設其光譜中所含的所有波長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，其表達式如下

△ 流明（lm）也是一種光通量單位，它與光瓦的關系為

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

2.3.1.4 光強度（坎德拉）與流明的關系

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

△1979年國際標準照明委員會（CIE）對光強度（坎德拉）作出了新的標準：規定頻率為540×1012Hz（即波長555nm）的單色光源，在一個單位立體角（1個球面度）內的物理輻射功率為1/683W時的發光強度，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）發光強度的光源在單位立體角內輻射出的光通量為1流明。

△ 如圖2-9所示，由球的中心點，向球表面1m2正方形表面積（以球半徑1m為邊長的正方形表面積）方向望去，對應著這1m2球表面積所張開的立體角，即稱為1個單位立體角（1sr），或稱為1個球面度。位于球中心的光強度為1坎德拉（1cd）的點光源所發出的光，穿過半徑為1m的球的表面，在這1m2表面積上所通過的光通量，就是1流明（1lm）。

2.3.1.5 光亮度[cd/m2]

△ 光亮度[cd/m2]是表示發光面的明亮程度的物理量，用單位面積上的光強度表示。發光面在某一指定方向上的光亮度，是指發光面在這一指定方向上的光強度（cd）與發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]。

△ 對于一個漫散射的發光面，盡管在各個不同方向上的光強度有所不同，但在各個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的屏幕就是近似于這樣的漫散射的發光面，所以從各個不同的方向上觀看電影和電視圖像時，都有大致相同的亮度感。

2.3.1.6 光照度[lx]

△ 光照度[lx]，也稱照度，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（光通量）來衡量，即用[lm/m2]來表示。實際使用的光照度單位為勒克斯[lx]，有時也用[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，它的照度就是1lx。

△ 各種特定環境下的典型照度參考值如下。

黑夜：0.001～0.02lx；

月夜：0.02～0.3lx；

室內陰天：5～50lx；

室內晴天：100～1000lx；

室外陰天：50～500lx；

室外夏季中午陽光直射下的照度，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；

閱讀書刊時所需的燈下照度一般為60～80lx。

2.3.1.7 關于光量單位之特點的歸納

△ 由于光瓦和流明這兩個基本光通量單位值，都是由國際標準照明委員會組織標準觀察者（人眼睛）觀察、對比各波長光的亮度感覺與1W物理輻射功率的555nm的黃綠光的亮度感覺之異同的基礎上確定的標準。所以歸根結底，光瓦、流明表示的光通量值，是一個主觀量值。

△ 國際照明委員會將標準觀察者們觀察、對比的結果，歸納成固定的數據值，作出了標準視敏函數曲線，這才形成了可見光譜中各波長光的標準光通量值。

△ 對于我們普通人來講，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，對于盲人來講，這個世界上沒有亮度存在。對于380～780nm波長以外的光輻射，由于人眼的視網膜無法察覺它們，它們的物理輻射功率即使存在，對于人類來講，其亮度也永遠為零。因此，從本質上講，亮度都是主觀的，沒有客觀的亮度。只是由于國際標準照明委員會將標準觀察者的觀察結果固化下來，才形成了關于亮度的標準和各種亮度單位。

2.3.2 以光照度為基礎的光敏靈敏度

△ 以光照度為基礎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）。以光照度為基礎的靈敏度，是以人眼感到的光照度為基礎而定義的光電器件靈敏度參數。它的輸入光強度的含義，是與人類感知的光亮程度一致的。

△ 由于光敏感器件對不同波長光的敏感度不同，當使用光源的光譜輻射功率分布不同時，即使照射到光敏器件受光面上的光通量相同，所測得的光敏器件靈敏度也不相同。因此，測定這種光敏靈敏度所用的標準光源規定為：色溫2854K的標準鎢絲燈。

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輸出光電流，對輸入光通量（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輸出光電流，對輸入光照度（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為光敏器件的響應度，它是指光電器件的輸出響應光電流（A），與輸入光的物理輻射功率（W）之比。

△ 物理輻射靈敏度（響應度）中，輸入光強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度。物理輻射靈敏度既可以用于可見光檢測，也可以用于紅外光和紫外光檢測。

2.3.4 光譜靈敏度S（λ）與相對光譜靈敏度Sr（λ）

△ 多數光敏器件對不同波長的光表現出不同的靈敏度。光譜靈敏度S（λ）與相對光譜靈敏度Sr（λ），都是反映光敏器件對不同波長的輸入光，其響應靈敏度之不同的參數。

2.3.4.1 光譜靈敏度S（λ）

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

2.3.4.2 相對光譜靈敏度Sr（λ）

△ 在光譜靈敏度S（λ）的波長分布中，必會在某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對應著峰值波長λP；相對光譜靈敏度Sr（λ），就是S（λ）與其中的最大值S（λ）max之比。即

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

Sr（λ）m ax=Sr（λP）=1

△ 圖2-10列出了幾種光敏材料的相對光譜響應特性。從圖中各種敏感材料的光譜響應曲線中，可以看出使用不同種類光敏感材料的光電傳感器件的光譜靈敏度的差別。并可據此判斷出不同光電器件的最佳工作波長區段。

2.3.4.3 幾種光源和硅光敏器件的相對光譜特性對照

△ 圖2-11列出了幾種發光二極管（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光譜靈敏度Sr（λ）的綜合曲線圖。通過對照，可以知曉硅光敏傳感器件對各種光源的光譜響應情況。由此可以針對一種光敏元件（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可見光的相對視敏函數Vr（λ）曲線。通過對比Vr（λ）與硅光敏器件的相對光譜靈敏度Sr（λ）曲線覆蓋區域的異同，可以知曉硅光電傳感器件與人眼在感受光信息時光譜敏感度特性方面的差別。