光電器件基礎(chǔ)節(jié)

光電器件基礎(chǔ)節(jié)第一頁，共十七頁，2022年，8月28日2.4.1人眼的視覺靈敏度

物體發(fā)射的光或反射的光通過人眼到達(dá)視網(wǎng)膜產(chǎn)生實(shí)物感，這是由于光刺激視網(wǎng)膜上的錐狀細(xì)胞或柱狀細(xì)胞所導(dǎo)致的。錐狀細(xì)胞只對(duì)光亮度超過10-3cd/m2的光才敏感，敏感的光譜范圍是0.38~0.78μm，在0.555μm處最敏感，且能分辨出各種顏色。錐狀細(xì)胞的這種視覺稱為白晝視覺或明視覺。當(dāng)亮度低于10-3cd/m2時(shí)，錐狀細(xì)胞不敏感，而柱狀細(xì)胞起作用。柱狀細(xì)胞敏感的光譜范圍是0.33~0.73μm，在0.507μm處最敏感，但不能分辨出各種顏色。柱狀細(xì)胞的這種視覺稱為暗視覺或夜間視覺。第二頁，共十七頁，2022年，8月28日

用各種單色輻射分別刺激正常人眼的錐狀細(xì)胞，當(dāng)刺激程度相同時(shí)，發(fā)現(xiàn)波長(zhǎng)λmax=0.555μm處的光譜輻射亮度Le,0.555μm小于其它波長(zhǎng)的光譜輻亮度Le,λ。把波長(zhǎng)λmax=0.555μm的光譜輻射亮度Le,λmax被其它波長(zhǎng)的光譜輻亮度Le,λ除得的商，定義為正常人眼的明視覺光譜光視效率V(λ)，即（2-54）

V（λ）是一個(gè)與波長(zhǎng)有關(guān)的相對(duì)值。第三頁，共十七頁，2022年，8月28日

對(duì)于正常人眼的圓柱細(xì)胞，以微弱的各種單色輻射刺激時(shí)，發(fā)現(xiàn)在相同刺激程度下，波長(zhǎng)為λ`m=0.507μm處的光譜輻射亮度Le,507nm小于其他波長(zhǎng)λ的光譜輻射亮度Le,λ。把Le，507nm與Le,λ的比值定義為正常人眼的暗視覺光譜光視效率，即（2-55）V`（λ）也是一個(gè)無量綱的相對(duì)值，它與波長(zhǎng)的關(guān)系如圖2-4中的虛線所示。表2-6粗略地列出正常人眼的V(λ)、V`(λ)及K(λ)與λ的數(shù)值關(guān)系。第四頁，共十七頁，2022年，8月28日?qǐng)D2-4正常人眼的V(λ)，V`(λ)及K(λ)與λ的關(guān)系第五頁，共十七頁，2022年，8月28日表2-6正常人眼的V(λ)，V`(λ)及K(λ)與λ的數(shù)值關(guān)系第六頁，共十七頁，2022年，8月28日表2-6正常人眼的V(λ)，V`(λ)及K(λ)與λ的數(shù)值關(guān)系第七頁，共十七頁，2022年，8月28日2.4.2人眼的光譜光視效能

無論是錐狀細(xì)胞還是柱狀細(xì)胞，單色輻射對(duì)其刺激的程度與V(λ)Le,λ成正比。如果用各種波長(zhǎng)的混合輻射刺激時(shí)，刺激程度遵守疊加原理，且與∫V(λ)Le,λdλ成正比。所謂輻射對(duì)人眼錐狀細(xì)胞或柱狀細(xì)胞的刺激程度，是從生理上評(píng)價(jià)輻射參量Xv,λ與光度參量Xe,λ、X`e,λ的關(guān)系的。對(duì)于明視覺，刺激程度平衡的條件為（2-56）第八頁，共十七頁，2022年，8月28日式中，Km為人眼的明視覺最靈敏波長(zhǎng)λm的光度參量對(duì)輻射度參量的轉(zhuǎn)換常數(shù)，其計(jì)量單位為lm/W。對(duì)于暗視覺，表示為（2-57）式中，K`m為人眼的暗視覺最靈敏波長(zhǎng)λ`m的光度參量對(duì)輻射度參量的轉(zhuǎn)換常數(shù)，其計(jì)量單位為lm/W。引進(jìn)，K（λ），K`（λ），并令（2-58）

（2-59）第九頁，共十七頁，2022年，8月28日式中，K（λ），K`（λ）分別稱為人眼的明視覺和暗視覺光譜光視效能。由式（2-58）和式（2-59），在人眼最敏感的波長(zhǎng)λmax=0.555μm，λ`max=0.507μm處，分別有V(λmax)=1，

V`(λmax)=1，這時(shí)K（λmax）=Km，K`（λ`max）=Km`。因此，Km，Km`分別稱為正常人眼的明視覺最大光譜光視效能和暗視覺最大光譜光視效能。根據(jù)式（2-58）和（2-59），可以將任何光譜輻射量轉(zhuǎn)換成光譜光度量。第十頁，共十七頁，2022年，8月28日根據(jù)發(fā)光強(qiáng)度的定義，明視覺最大光譜光視效能Km為683lm/W；暗視覺最大光譜光視效能K`m

取1725lm/W。

Km的倒數(shù)定義為光的最小力學(xué)當(dāng)量，即Mmin=1/Km=1.46(mW/lm)其他波長(zhǎng)的光的力學(xué)當(dāng)量均大于Mmin。例1-3

已知某He-Ne激光器的輸出功率為3mW，試計(jì)算其發(fā)出的光通量為多少lm？解:He-Ne激光器輸出的光為光譜輻射通量，根據(jù)式（2-56）可以計(jì)算出它發(fā)出的光通量為

Φv,λ=KmV(λ)Φe,λ=683×0.24×3×10-3=0.492(lm)第十一頁，共十七頁，2022年，8月28日2.4.3兩種輻射體光視效能的計(jì)算

一個(gè)熱輻射體發(fā)射的總光通量Φv與總輻射通量Φe之比，稱為該輻射體的光視效能K，即（2-60）對(duì)發(fā)射連續(xù)光譜輻射的熱輻射體，由上式及式（2-58）可得總光通量Φv為（2-61）將式（2-35）、（2-61）代入式（2-60），得到第十二頁，共十七頁，2022年，8月28日（2-62）式中,V是輻射體的光視效率。1.純鉑凝固點(diǎn)溫度的黑體在純鉑凝固點(diǎn)溫度T=2045K和氣壓為101325Pa（帕）的黑體中，表面法線方向每平方厘米面積的輻射強(qiáng)度為31.55W/sr和發(fā)光強(qiáng)度為60cd。由（2-59）可得該黑體的光視效能以純鉑凝固點(diǎn)溫度的黑體發(fā)射1W的輻射通量中有1.9lm的光通量。第十三頁，共十七頁，2022年，8月28日2.色溫2856K的白熾燈

標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈發(fā)光光譜的分布如圖2-5所示，圖中的曲線分別為標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈相對(duì)光譜輻射分布、光譜光視效率

V(λ)、和光譜光視效率與相對(duì)光譜輻射分布積，積分為曲線所圍的面積Al，而積分為面積A2。因此，在色溫T1=2856K時(shí)，由(2-62)

式可得標(biāo)準(zhǔn)鎢絲的光視效能

第十四頁，共十七頁，2022年，8月28日?qǐng)D2-5T=2856K的白熾燈的輻射分布和人眼明視覺光譜光視效率V(λ)第十五頁，共十七頁，2022年，8月28日例如，對(duì)于色溫為T=2856K的標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈其光視效能為Kw=17.1lm/W，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈發(fā)出的輻射通量為Φe＝100W時(shí)，其光通量為Φv=1710lm。

又如凝固點(diǎn)的鉑，溫度T=2045K的黑體，光視效能為Kpt=1.9lm/W。當(dāng)輻射照度Ee分別為1mW/cm2和10mW/cm2時(shí)，其光照度Ev應(yīng)分別為19lx和190lx。這就是說鉑的凝固點(diǎn)溫度T=2045K的黑體發(fā)射的總輻射通量為10mW時(shí)，其中光通量為