第一章 光电检测基础

本专题学习要求：

1. 掌握光度学的基本物理量　　　 2. 了解光度学中各物理量之间的关系

1.3 光度的基本物理量

定义

光度学（ Photometry ）是研究可见光辐射强弱的学科，可见光度学实质上是辐射度学的一部分。 光度学适用于波长在 0.38μm~0.78μm 范围内的电磁辐射－可见光波段，它使用的参量称为光度学量。以人的视觉习惯为基础建立。 光度学量描述光辐射能为人眼接受所引起的视觉刺激大小的强度，是生理量。

人眼结构

人眼感光细胞

人眼的视觉细胞分为两种，它们分别是锥体细胞和杆状细胞。 锥体细胞负责感受色彩，它分为视红锥体细胞、视绿锥体细胞和视蓝锥体细胞。 杆状细胞负责感光，它对光的灵敏度比锥体细胞强很多。

人对不同波长光的感受

人的视觉神经系统对各种不同波长的光的感光灵敏度是不一样的，对绿光最灵敏，对红光、蓝光灵敏度要低得多。 国际照明委员会（ CIE ）根据对许多人的观察结果，用平均值的方法，确定了人眼对各种波长光的平均相对灵敏度，称为“标准光度观察者”的光谱光视效率或称视见函数

400 500 600 700 8000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

VV'

²¨ ³¤ (nm)

¹âÊ

ÓÐ

§Â

Ê

光通量 V 和辐射通量 e 可通过人眼视觉特性进行转换，即

式中， V() 是 CIE 推荐的平均人眼光谱光视效率 ( 或称视见函数 )

( ) ( ) ( )V m eK V

图给出人眼对应明视觉和暗视觉的视见函数。

国际照明委员会

明视觉暗视觉

曲线 V(λ) 对应于亮适应条件下观察到的明视觉的不同波长下的灵敏度，而 V’(λ) 则是完全暗适应条件下观察到的暗视觉的灵敏度曲线。 这可以理解为白天和夜间人眼的光谱光视效率 是 不 同 的 。 V(λ) 的 峰 值 在 555nm处， V’(λ) 的峰值在 507nm 处。

光度学量

物理量名称 符号 定义式 单位

光量 lms( 流明秒 )

光通量 lm （流明）

光出射度 lm/m2 （流明 / 米2 ）

发光强度 基本量 cd 坎 德 拉 （ 流明 / 球面度）

亮度 cd/m2( 坎德拉 / 米 2)

照度 lx 勒克斯（流明 / 米2 ）

Qv

v

Mv

Iv

Lv

Ev

Qv=v dt

v=Iv dω

Mv=dv/dA

Lv=dIv/(dAcos)

Ev=dv/dA

( ) ( ) ( )V m eK V

光量 Qv

光量有时也称为光能，是人眼可见的那部分辐射能，是光通量 Φ 在可见光范围内对时间的积分：

光量的单位为流明•秒（ lm•s ）。Qv=v dt

光通量 v

光通量是单位时间内发射 ( 传输或接收 ) 的光能 ,即光通量是光能的时间分辨率。由于光度量是人眼对相应辐射度量所受到的视觉刺激值 , 而评定此刺激值的基础是光谱光视效率 V(λ), 即人眼对不同波长的光能量产生感觉的效率。光谱辐射通量为 Φe(λ) 的可见光辐射，所产生的视觉刺激量，即光通量为 :

式中， K(λ) 为辐射度量与光度量之间的比例系数。等号左边 Φv 是光通量，其单位是流明（ lm ）；等号右边的 Φe(λ) 是辐射通量，单位是瓦（ W ），所以 K(λ) 的单位为流明 / 瓦

Φv(λ) =K(λ) Φe(λ)= Km V(λ) Φe(λ)

K(λ) 峰 值 记 为 Km ， 对 于 明 视 觉 Km=683 lm/W 。它表明在波长 555nm 处，即人眼光谱光视效率最大（ V(λ)=1 ）处，光辐射产生光感觉的效能为：1W 的辐射能通量产生的光通量为 683 lm ；换句话说，此时 1lm 相当于 1/683W 。 总光通量与辐通量之间的关系为：

Φv = Km780

380Φe(λ)V(λ)dλ

光出射度

光源表面给定点处单位面积向半球面空间内发出的光通量，称为光源在该方向上的发光强度，计量单位为单位为流明每平方米（ lm/m2 ），其表达式为：

式中， dΦv 为给定点处的面元 dA 发出的光通量。

Mv

Mv=dv/dA

发光强度 Iv

光源在给定方向上单位立体角内所发出的光通量，称为光源在该方向上的发光强度：

式中 dΦv 为光源在给定方向上的立体角元dω 内发出的光通量。

d vIv

d

发光强度的单位为坎德拉（ Candela, 记作 cd ）。坎德拉是国际单位制中 7 个基本单位之一。其定义为：坎德拉（ cd ）是一光源在给定方向上的发光强度。该光源发出频率为 540×1012 赫兹的单色辐射，且在此方向上的辐射强度强度为 1/683 瓦特每球面度。

亮度 Lv

光源表面一点处的面元 dA 在给定方向上的发光强度dIv 与该面元在垂直于给定方向的平面上的正投影面积之比，称为光源在该方向上的亮度：

式中， θ 为给定方向与面元法线间的夹角。亮度的法定计量单位为坎德拉每平方米（ cd/m2 ）。

×cos

dIvLv

dA

照度 Ev

被照明物体给定点处单位面积上的入射光通量称为该点的照度：

式中， dΦv 为给定点处的面元 dA 上的光通量。照度的法定计量单位为勒克斯（ lx ）（ lm/m2 ）。

Ev=dv/dA

照度和亮度的区别

不要把照度跟亮度的概念混淆起来。它们是两个完全不同的物理量。照度表征受照面的明暗程度，照度与光源至被照面的距离的平方成反比。而亮度是表征任何形式的光源或被照射物体表面是面光源时的发光特性。如果光源与观察者眼睛之间没有光吸收现象存在，那么亮度值与二者间距离无关。

辐射度学和光度学

区别：1. 适用范围辐射度学适用于整个电磁波谱。光度学适用于可见光波段。2. 参量性质不同辐射度学量是客观物理参量。光度学量生理量，由人眼感觉确定。

联系：1.都是描述光辐射的强弱。2. 所用物理符号一一对应。

E N D