2.3 光灵敏度参数

2.3.1 光功率和光照度

2.3.1.1 光的物理辐射功率及波谱分布

△ 光也是一种电磁辐射波，其本身具有物理辐射能量。单色光源（如波长为λ的激光光源）的物理辐射功率P就是波长为λ的单色光的物理辐射功率。复合光源（如钨丝白炽灯）中包含多个波长（λi）的光，各个波长（λi）的光都存在其自身的物理辐射功率（Pi），各个波长（λi）的光按其波长λ的功率分布特征称为光谱功率分布，用P（λ）表示。不同的光源有不同的光谱功率分布特征。一个光源中，各个波长（λi）的光的物理辐射功率（Pi）之总和就构成了这个光源的物理辐射功率P；光的物理辐射功率P反映光辐射能量的客观强度，它与人眼的主观感觉无关。光的物理辐射功率P用单位W或W/cm2表示。

△ 人眼能感知到的光称为可见光。可见光的波长在380～780nm之间。依光波长从长到短，人眼依次可以感觉到红、橙、黄、绿、青、蓝、紫几种主色调以及它们之间的过渡颜色。波长比红光更长的光称为红外线，波长比紫光更短的光称为紫外线。图2-7示出了从高能射线，紫外线，可见光，红外线，直至波长更长的无线电波的波长分布图，以及各种波长的电磁辐射波所具有的特征。波长λ大于780nm电磁辐射波和波长λ小于380nm的电磁辐射波都是人眼看不到电磁辐射能量，红外区和紫外区的电磁辐射波也可以称为不可见光。光电传感器就是用来对可见光、红外线和紫外线的辐射特征及其所携带的信息进行检测的光电变换工具。

2.3.1.2 视敏特性

△ 人眼的主观视觉感觉，对380～780nm内不同波长的可见光，有不同的敏感度。对于物理辐射功率P相同，但波长λ不同的可见光，人的视觉上对这些光的主观亮度感觉也有所不同。人眼的这个特点称为视敏特性。人眼的视敏特性可以用视敏函数或相对视敏函数来表示。

（1）视敏函数

△ 如果用Pr（λ）表示使人眼的亮度感觉相同（即人眼感觉到的亮度相同）时，不同波长（λ）可见光的物理辐射功率，则可以用Pr（λ）的倒数1/Pr（λ）来描述人眼对不同波长的可见光的敏感程。这个相同亮度感觉下波长λ的函数1/Pr（λ）就称为视敏函数；用K（λ）表示。即

△ 视敏函数K（λ）值越大，表示该波长（λ）的光，在使人眼产生相同亮度感觉时，所需的物理辐射功率越小。即人眼对这个波长（λ）的光越敏感。视敏函数K（λ）值越小，则表示该波长（λ）的光，在使人眼产生相同亮度感觉时，需要的物理辐射功率越大。即人眼对这个波长（λ）的光越不敏感。

△ 实验表明，在明亮的环境下，人眼对波长为555nm的黄绿光最敏感。在相同的物理辐射功率下，人眼感觉到555nm的黄绿光最亮。即λ=555nm的黄绿光的视敏函数为最大，可定为Kmax；

即有

（2）相对视敏函数

△ 用任意波长（λ）光的视敏函数值K（λ），与λ=555nm的黄绿光的视敏函数值K（555）相比，其比值关系即称为相对视敏函数。用V（λ）表示。即

由于K（555）=Kmax，所以相对视敏函数的最大值Vmax为1。

△ 相对视敏函数曲线如图2-8所示。

用人眼视敏特性的实测数据Pr（λ），与其中的波长为555nm的黄绿光的辐射功率Pr（555）相对比，并按式（2-9）关系式计算出对应着可见光全波长范围的V（λ）值，便可以作出人眼的相对视敏函数曲线图。人眼的相对视敏函数曲线如图2-8所示，可以看出，有明视觉和暗视觉两条特性曲线。

△ 相对视敏函数曲线（图2-8）中，右面那条V（λ）曲线为在明亮视觉环境下（光照度在5lx以上），人眼的相对视敏函数特性曲线，称为明视特性；这条明视特性曲线的最大值发生在λ=555n m处。左面那条曲线V＇（λ）也是由实验得出的人眼在暗视觉环境下（光照度在0.3lx以下）时的相对视敏函数曲线，称为暗视特性；这条暗视特性曲线的最大值发生在λ=507nm处。我们通常讲的相对视敏函数和视敏特性，都是指在明亮视觉环境下（光照度在5lx以上）的明视相对视敏函数曲线V（λ）。

2.3.1.3 关于光瓦和流明单位

△ 光瓦和流明都是一种光通量的单位。光通量即为在单位时间内，光源所发出的光量。而通过某一指定面积的光量，称为通过这一面积的光通量。

△ 物理辐射功率为1W的555nm波长的黄绿光，所产生的光通量，就定义为1光瓦。

△555n m波长以外的各波长的可见光，当它（λi波长光）与1 W物理辐射功率的555n m波长光的亮度感觉相同时（由标准观察者的眼睛感觉判定），则认为这个光（λi波长光）就具有1光瓦的光通量。

△ 因此，也可以认为，相对视敏函数V（λ）曲线，也是单位物理辐射功率的、不同波长（λi）的可见光，所产生的光通量（光瓦）的分布曲线。

△“光瓦”这个东西，既是客观量，又是主观量。对于555nm的黄绿光的“光瓦”数，它是有客观基础的，即等于555nm的黄绿光的物理辐射功率值；而对于555nm黄绿光以外的其他可见光，它们的“光瓦”数都是人眼对比的结果，因此它们的“光瓦”数都是主观形成的。

△ 由于“光瓦”是由1W物理辐射功率的555nm的黄绿光定义的，所以“光瓦”（光通量）也是单位时间里的光量值，也属于功率类的量值。

△ 光谱（物理辐射）功率分布为P（λ）的光源（或照明体，此后统称为光源），设其光谱中所含的所有波长光的辐射光通量之总和为P通；则P通即为P（λ）光源辐射的总光通量。P通可以用光通量的“光瓦”单位表示为P光瓦，其表达式如下

△ 流明（lm）也是一种光通量单位，它与光瓦的关系为

由式（2-10）和式（2-11）可知，P（λ）光源中所有波长光辐射的总光通量P通也可以用光通量的“流明”单位表示为P流明，其表达式如下

2.3.1.4 光强度（坎德拉）与流明的关系

△ 光强度（坎德拉）是指光源在单位立体角内辐射的光通量。单位为坎德拉，用[cd]表示。

△1979年国际标准照明委员会（CIE）对光强度（坎德拉）作出了新的标准：规定频率为540×1012Hz（即波长555nm）的单色光源，在一个单位立体角（1个球面度）内的物理辐射功率为1/683W时的发光强度，定义为1坎德拉（1cd）。由于1/683W物理辐射功率的555nm谱色光的光通量即为1/683光瓦=1流明，所以1坎德拉（1cd）发光强度的光源在单位立体角内辐射出的光通量为1流明。

△ 如图2-9所示，由球的中心点，向球表面1m2正方形表面积（以球半径1m为边长的正方形表面积）方向望去，对应着这1m2球表面积所张开的立体角，即称为1个单位立体角（1sr），或称为1个球面度。位于球中心的光强度为1坎德拉（1cd）的点光源所发出的光，穿过半径为1m的球的表面，在这1m2表面积上所通过的光通量，就是1流明（1lm）。

2.3.1.5 光亮度[cd/m2]

△ 光亮度[cd/m2]是表示发光面的明亮程度的物理量，用单位面积上的光强度表示。发光面在某一指定方向上的光亮度，是指发光面在这一指定方向上的光强度（cd）与发光面面积在这一指定方向上的投影面积（m2）之比值。光亮度的单位为：坎德拉/平方米[cd/m2]，或尼特[nit]；1[cd/m2]=1[nit]。

△ 对于一个漫散射的发光面，尽管在各个不同方向上的光强度有所不同，但在各个不同方向的光亮度都是基本相同的。如电影的银幕和电视机的屏幕就是近似于这样的漫散射的发光面，所以从各个不同的方向上观看电影和电视图像时，都有大致相同的亮度感。

2.3.1.6 光照度[lx]

△ 光照度[lx]，也称照度，是指从光源照射到单位面积上的光通量。它表示被光照射的物体表面所获得的被照量，用单位面积上入射的流明数（光通量）来衡量，即用[lm/m2]来表示。实际使用的光照度单位为勒克斯[lx]，有时也用[lux]。

1lx=1lm/m2

例如：被光均匀照射的物体，若其表面1m2的面积上，所得到的光照量（光通量）是1lm时，它的照度就是1lx。

△ 各种特定环境下的典型照度参考值如下。

黑夜：0.001～0.02lx；

月夜：0.02～0.3lx；

室内阴天：5～50lx；

室内晴天：100～1000lx；

室外阴天：50～500lx；

室外夏季中午阳光直射下的照度，约为106～108lx；

40W普通白炽灯正下方1m处的照度约为30lx；

40W荧光灯正下方1.3m处的照度约为90lx；

阅读书刊时所需的灯下照度一般为60～80lx。

2.3.1.7 关于光量单位之特点的归纳

△ 由于光瓦和流明这两个基本光通量单位值，都是由国际标准照明委员会组织标准观察者（人眼睛）观察、对比各波长光的亮度感觉与1W物理辐射功率的555nm的黄绿光的亮度感觉之异同的基础上确定的标准。所以归根结底，光瓦、流明表示的光通量值，是一个主观量值。

△ 国际照明委员会将标准观察者们观察、对比的结果，归纳成固定的数据值，作出了标准视敏函数曲线，这才形成了可见光谱中各波长光的标准光通量值。

△ 对于我们普通人来讲，光，只有其物理辐射功率是客观存在的。其亮度值都是主观的。对同一光谱功率分布的物理辐射光源，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，对于盲人来讲，这个世界上没有亮度存在。对于380～780nm波长以外的光辐射，由于人眼的视网膜无法察觉它们，它们的物理辐射功率即使存在，对于人类来讲，其亮度也永远为零。因此，从本质上讲，亮度都是主观的，没有客观的亮度。只是由于国际标准照明委员会将标准观察者的观察结果固化下来，才形成了关于亮度的标准和各种亮度单位。

2.3.2 以光照度为基础的光敏灵敏度

△ 以光照度为基础的光敏传感器的灵敏度主要有流明灵敏度（Slm）和勒克斯灵敏度（Slx）。以光照度为基础的灵敏度，是以人眼感到的光照度为基础而定义的光电器件灵敏度参数。它的输入光强度的含义，是与人类感知的光亮程度一致的。

△ 由于光敏感器件对不同波长光的敏感度不同，当使用光源的光谱辐射功率分布不同时，即使照射到光敏器件受光面上的光通量相同，所测得的光敏器件灵敏度也不相同。因此，测定这种光敏灵敏度所用的标准光源规定为：色温2854K的标准钨丝灯。

2.3.2.1流明灵敏度（Slm）

△ 光敏传感器的流明灵敏度（Slm），是指光敏器件的响应输出光电流，对输入光通量（流明）之比。即

2.3.2.2 勒克斯灵敏度（Slx）

△ 光敏传感器的勒克斯灵敏度（Slx），是指光敏器件的响应输出光电流，对输入光照度（勒克斯）之比。即

2.3.3 物理辐射灵敏度（Sw）

△ 光敏器件的物理辐射灵敏度也称为光敏器件的响应度，它是指光电器件的输出响应光电流（A），与输入光的物理辐射功率（W）之比。

△ 物理辐射灵敏度（响应度）中，输入光强度的含义是指光敏感器件受光面积上所接收到的物理光辐射的强度。物理辐射灵敏度既可以用于可见光检测，也可以用于红外光和紫外光检测。

2.3.4 光谱灵敏度S（λ）与相对光谱灵敏度Sr（λ）

△ 多数光敏器件对不同波长的光表现出不同的灵敏度。光谱灵敏度S（λ）与相对光谱灵敏度Sr（λ），都是反映光敏器件对不同波长的输入光，其响应灵敏度之不同的参数。

2.3.4.1 光谱灵敏度S（λ）

式中，I（λ）为光敏器件对λ波长入射光的响应输出值；P（λ）为λ波长入射光的辐射功率。

2.3.4.2 相对光谱灵敏度Sr（λ）

△ 在光谱灵敏度S（λ）的波长分布中，必会在某λP处存在着灵敏度的最大值S（λ）max=S（λP）；即器件光谱灵敏度的最高点对应着峰值波长λP；相对光谱灵敏度Sr（λ），就是S（λ）与其中的最大值S（λ）max之比。即

△ 相对光谱灵敏度Sr（λ），是一个小于或等于1的函数。即恒有：Sr（λ）≤1；并且在峰值波长λP处，Sr（λ）达到最大值1，即

Sr（λ）m ax=Sr（λP）=1

△ 图2-10列出了几种光敏材料的相对光谱响应特性。从图中各种敏感材料的光谱响应曲线中，可以看出使用不同种类光敏感材料的光电传感器件的光谱灵敏度的差别。并可据此判断出不同光电器件的最佳工作波长区段。

2.3.4.3 几种光源和硅光敏器件的相对光谱特性对照

△ 图2-11列出了几种发光二极管（LED）、日光和白炽灯光源的光谱功率分布P（λ）与硅光敏器件的相对光谱灵敏度Sr（λ）的综合曲线图。通过对照，可以知晓硅光敏传感器件对各种光源的光谱响应情况。由此可以针对一种光敏元件（如硅光敏二极管、光敏三极管、硅光电池等），选择出与它光谱特性相配合的发光器件，以期获得最佳的光电变换灵敏度。

△ 图中还列出了人眼对可见光的相对视敏函数Vr（λ）曲线。通过对比Vr（λ）与硅光敏器件的相对光谱灵敏度Sr（λ）曲线覆盖区域的异同，可以知晓硅光电传感器件与人眼在感受光信息时光谱敏感度特性方面的差别。