光通量、發(fā)光強(qiáng)度、照度、亮度、色溫等概念

1、v1.0 可編輯可修改11光通量、發(fā)光強(qiáng)度、照度、亮度、色溫等概念0、前言光是一種人類眼睛可以見的電磁波（可見光譜），它只是電磁波譜上的一段頻譜（波長為380-780nm）。光是由一種稱為光子的基本粒子組成，具有粒子性與波動性，或稱為波粒 二象性。衡量燈具發(fā)出的光的主要參數(shù)有色溫、照度、亮度、光通量、顯色性、發(fā)光效率和 發(fā)光強(qiáng)度。光度學(xué)與光相關(guān)的常用量有4個：光通量、發(fā)光強(qiáng)度、照度、亮度。這4個量盡管是相關(guān)的，但為不同的，不能相混。正像壓力、重力、壓強(qiáng)、質(zhì)量是不同的物理量一樣。評價(jià)LED質(zhì)量還有另外3個直指標(biāo)：顯色性、色溫和光效。1、光通量（F,Flux），單位流明（Im）。（是光源的固有屬性

2、，是單位時間內(nèi)光源輻射 的總能量，即光功率）定義：光源在單位時間內(nèi)發(fā)射出的光量稱為光源的發(fā)光通量解釋：同樣，這個量是對光源而言，是描述光源發(fā)光總量的大小的，與光功率等價(jià)。光源的光通量越大，則發(fā)出的光線越多對于各向同性的光（即光源的光線向四面八方以相同的密度發(fā)射），則F = 4nI。也就是說，若光源的I為led，則總光通量為4n= Im。與力學(xué)的單位比較，光通量相當(dāng)于壓 力，而發(fā)光強(qiáng)度相當(dāng)于壓強(qiáng)。要想被照射點(diǎn)看起來更亮，我們不僅要提高光通量，而且要增大會聚的手段，實(shí)際上就是減少面積，這樣才能得到更大的強(qiáng)度。要知道，光通量也是人為量，對于其它動物可能就不一樣的，更不是完全自然的東西，因?yàn)檫@種定義完

3、全是根據(jù)人眼對光的響應(yīng)而來的。2、 發(fā)光強(qiáng)度（I,Intensity）,單位坎德拉（ed）。（是點(diǎn)光源的固有屬性，表征光線的 匯聚能力）定義：光源在給定方向的單位立體角中發(fā)射的光通量定義為光源在該方向的（發(fā)）光強(qiáng)（度）， 表示光源在某球面度立體角（該物體表面對點(diǎn)光源形成的角）內(nèi)發(fā)射出11m的光通量。1ed=1lm/1sr（sr立體角的球面度單位）。led定義：在每平方米101325牛頓的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，面積等于1/60平方厘米的絕對“黑v1.0 可編輯可修改體”（即能夠吸收全部外來光線而毫無反射的理想物體），在純鉑（Pt）凝固溫度（約2042K或1769C）時，沿垂直方向的發(fā)光強(qiáng)度為1坎德拉（C

4、andela，簡寫cd）?；蛘撸喊l(fā)射540X1012Hz（波長555nm）頻率單色光，在指定方向的光線發(fā)射強(qiáng)度為1/683W/sr的光源，在該方向的光強(qiáng)就定義為1cd。與通常測量輻射強(qiáng)度或測量能量強(qiáng)度的單位相比較，發(fā)光強(qiáng)度的定義考慮了人的視覺因素和光學(xué)特點(diǎn)，是在人的視覺基礎(chǔ)上建立起來的。解釋：發(fā)光強(qiáng)度是針對點(diǎn)光源而言的，或者發(fā)光體的大小與照射距離相比比較小的場合。這個量是表明發(fā)光體在空間發(fā)射的會聚能力的?？梢哉f，發(fā)光強(qiáng)度就是描述了光源到底有多“亮”，因?yàn)樗枪夤β逝c會聚能力的一個共同的描述。發(fā)光強(qiáng)度越大，光源看起來就越亮，同時在相同條件下被該光源照射后的物體也就越亮，因此，早些時候描述手電都用

5、這個參數(shù)。現(xiàn)在LED也用這個單位來描述，比如某LED是15000的，單位是med, 1000mcd=1cd,因此15000med就是15ed。之所以LED用毫ed（med）而不直接用ed來表示，是因?yàn)橐郧白钤鏛ED比較暗，比如1984年標(biāo)準(zhǔn)5mm的LED其發(fā)光強(qiáng)度才，因此才用med表示，現(xiàn)在LED都很厲害了，但還是 沿用原來的說法。用發(fā)光強(qiáng)度來表示“亮度”的缺點(diǎn)是，如果管芯完全一樣的兩個LED,會聚程度好的發(fā)光強(qiáng)度就高。因此，購買LED的時候不要一味追求高I值，還要看照射角度。很多高I值的LED并非提高自身的發(fā)射效率來達(dá)到，而是把鏡頭加長照射角度變窄來實(shí)現(xiàn)的，這盡管對LED手電有用，但可觀察角

6、度也受限。另外，同樣的管芯LED,直徑5mm的I值就比3mm的大一倍多，但只有直徑10mm的1/4，因?yàn)橥哥R越大會聚特性就越好。之所以用發(fā)光強(qiáng)度來表示手電或LED,是因?yàn)樵谙嗤嚯x下對被照射地的照度是與這個成正比的。特別的說，距離1m的lx就是ed值。但是，很多場合下我們需要照射面積大一些，所以只用發(fā)光強(qiáng)度這一特性還不能全面反應(yīng)手電的能力。比如，同樣的筒身，換個大頭（大反光杯）則I值馬上增大許多。因此，很多情況下我們用光通量（單位流明，見下）來 表示手電了。以上我們說“亮”和“亮度”時帶了引號， 是因?yàn)檫@是我們常規(guī)說的亮度， 并非光度學(xué) 嚴(yán)格意義上的亮度，這一單位后面會展開。22前面說到的光通

7、量是說明某一光源向四周空間發(fā)射出的總光能量。不同光源發(fā)出的光通v1.0 可編輯可修改量在空間的分布是不同的。這就需要引入發(fā)光強(qiáng)度的概念。例如懸吊在桌面上空的一盞100W白熾燈，它發(fā)出12501m光通量。但用不用燈罩，投射到桌面的光線就不一樣。加了燈罩后， 燈罩將往上的光向下反射，使向下的光通量增加，因此我們就感到桌面上亮了一些。40W白熾燈正下方具有約30cd的發(fā)光強(qiáng)度。而在它的上方，由于有燈頭和燈座的遮擋，在這方向上沒有光射出，故此方向的發(fā)光強(qiáng)度為零。如加上一個不透明的搪瓷傘型罩，向上的光通量除少量被吸收外，都被燈罩朝下面反射， 因此向下的光通量增加，而燈罩下方立體角未變，故光通量的空間密度

8、加大，發(fā)光強(qiáng)度由30cd增加到73cd。常見光源發(fā)光強(qiáng)度（cd）：太陽，高亮手電，100005mm超高亮LED, 153、光照度（E，Illuminance），單位勒克斯（lx，以前叫l(wèi)ux）。（從另一個角度來反映 光源亮不亮）定義：1流明的光通量均勻分布在1平方米表面上所產(chǎn)生的光照度解釋：光照度是對被照地點(diǎn)而言的，但又與被照射物體無關(guān)。一個流明的光，均勻射到1m2的物體上，照度就是1 lx。照度的測量，用照度表，或者叫勒克斯表、lux表。事實(shí)上，照度是最容易測量的了（相對其它三個量） ，照度表很便宜就可以買到（幾百元）。為了保護(hù) 眼睛，便于生活和工作，在不同場所下到底要多大的照度都有規(guī)定，例

9、如機(jī)房不得低于200lx。陽光下的照度是自然界里面很大的也很常見的了，為11萬lx左右（自己實(shí)測）。我剛才測量了一下，房間是，有12個20W的日光燈管，桌面照度為400勒克司。為了對照度的量有一個感性的認(rèn)識，下面舉一例進(jìn)行計(jì)算，一只100W的白熾燈，其發(fā)出的總光通量約為1200Lm若假定該光通量均勻地分布在一半球面上，則距該光源1m和5m處的光照度值可分別按下列步驟求得：半徑為1m的半球面積為2nX12= m2距光源1m處的光照度值為：1200Lm/ m2=191Lux。同理，半徑為5m的半球面積為:2nX52=157 m2，距光源5m處的光照度值為：v1.0 可編輯可修改1200Lm/157

10、 m2=。33v1.0 可編輯可修改44常見照度（勒克司）：陽光直射（正午）下，110,000陰天室外，1000商場內(nèi)，500陰天有窗室內(nèi)，100普通房間燈光下，100滿月照射下，簡單的計(jì)算原理（實(shí)際很復(fù)雜，涉及微積分自己網(wǎng)上了解即可）照度E=（光通量L/（照射面積S*垂直距離的平方）*COS3B（夾角為垂直光線與照 射面法線夾角）舉例：快速路要求20Lx，光源垂直距離為8米，照射半徑為2米，則選擇什么光源和 功率答：根據(jù)公式推出 光通量L=（E/ COS30 ）*照射面積S*垂直距離的平方=20*1*2*2*8*8=16076Lm根據(jù)不同光源的光效推出功率：W=L/光效，如選擇無極燈，W=1

11、6076/60=268W但是實(shí)際上這么大功率的直流無極燈很少用，可換成低壓鈉燈：W=16076/120=134W即可。備注：衡量公路路燈的兩個重要指標(biāo)就是：平均照度、照度均勻度=最小照度/平均照度根據(jù)城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，常見公路的照度及照度均勻度要求：定義：單位光源面積在法線方向上，單位立體角內(nèi)所發(fā)出的光流，也叫單位面積發(fā)光面的光照強(qiáng)度。坎德拉/平米解釋：這個是最容易被誤解的概念了。亮度是針對光源而言，而且不是對點(diǎn)光源， 是對照度均勻度nt）。反映的是發(fā)光面或反射面光線進(jìn)入到人眼v1.0 可編輯可修改55面光源（包括發(fā)光面和反射面）而言的。無論是主動發(fā)光的還是被動（反射）發(fā)光的。亮度是一

12、塊比較小的面積看起來（人眼的感受）至U底有多“亮”的意思。這個多“亮”，與取多少面積無關(guān)，但為了均勻，我們把面積取得比較小，因此才會出現(xiàn)“這一點(diǎn)的亮度”這樣的 說法。事實(shí)上，點(diǎn)光源是沒有亮度概念的。另外，發(fā)光面的亮度與距離無關(guān)，但與觀察者的 方向有關(guān)。說一個手電很“亮”，并不是說該手電的亮度高（因?yàn)槭蛛娛菦]有亮度概念的） 而是說其發(fā)光強(qiáng)度大，或者是說被它照射的物體亮。說一個星星（點(diǎn)光源）很亮，并非是說 其亮度高，而是說其星等高而已。 亮度不僅取決于光源的光通量，更取決于等價(jià)發(fā)光面積和發(fā)射的會聚程度。光亮度是指一個表面的明亮程度，即從一個表面出來或反射出來的光通量，而不同的物體有不同的反射系數(shù)（

13、或吸收系數(shù)），例如在同一照度的地方，先后放上一張白紙和黑紙，對人眼而言其亮度差別是很大的。白紙的反射系數(shù)是80%而黑紙的反射系數(shù)只有3%常見發(fā)光體的亮度（尼特）：紅色激光指示器，20,000,000,000太陽表面，2,000,000,000白熾燈燈絲，10,000,000陽光下的白紙，30,000人眼能習(xí)慣的亮度，3,000滿月表面，2,500人眼能比較好的分辨出顏色的亮度，1滿月下的白紙，無月夜空，對比分析：照度與亮度照射在某一單位面積表面上的入射光的總量，可用照度來反映；若從某一單位面積表面上反射到人眼中的反射光總量，可用亮度來反映。還有說照度和亮度一般是對照射距離一定，照射光斑一定的發(fā)

14、光體而言的，如：路燈；對于手電筒之類的光斑、照射距離不定的沒法說照度和亮度，要說則一定指出是在什么v1.0 可編輯可修改距離和照射面積下。小結(jié)：光通量、光強(qiáng)、亮度和照度的關(guān)系簡單歸納如下：光通量除以單位立體角等于光強(qiáng)；光通量除以單位面積等于照度；光強(qiáng)除以單位面積等于亮度。用一個簡單圖來表示：5、色溫(Correlated Color Temperature, CCT)即通過開爾文溫度表示的黑體的溫度來表示顏色。我們知道，通常人眼所見到的光線，是由7種色光的光譜所組成。 但其中有些光線偏藍(lán)，有些則偏紅，色溫就是專門用來量度光線的顏色成分的。因?yàn)轭伾?xì)分可以有上百萬種，而不是簡單的赤橙黃綠青藍(lán)紫，

15、只有通過黑體在不同溫度下輻射出的相應(yīng)光線來定義，最為科學(xué)。用以計(jì)算光線顏色成分的方法，是19世紀(jì)末由英國物理學(xué)家洛德開爾文所創(chuàng)立的，他制定出了一整套色溫計(jì)算法，而其具體設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)是基于以一黑體輻射器所發(fā)出來的波 長。開爾文認(rèn)為，根據(jù)Max Planek的理論，將一具完全吸收與放射能力的標(biāo)準(zhǔn)黑體加熱，溫度逐漸升高光度亦隨之改變。假定某一純黑物體， 能夠?qū)⒙湓谄渖系乃袩崃课?，而沒有損失，同時又能夠?qū)崃可傻哪芰咳恳浴肮狻钡男问结尫懦鰜淼脑?，它便會因受到熱力的高低而變成不同的顏色。例如，?dāng)黑體受到的熱力相當(dāng)于500550攝氏度時，就會變成暗紅色，到1050一1150攝氏度時，就變成黃色 因而

16、，光源的顏色成分是與該黑體所受的熱力溫度相對應(yīng)的。只不過色溫是用開爾文(K)色溫單位來表示，而不是用攝氏溫度單位。打鐵過程中，黑色的鐵在爐溫中逐漸變成紅色，這便是黑體理論的最好例子。當(dāng)黑體 受到的熱力使它能夠放出光譜中的全部可見光波時，它就變成白色，通常我們所用燈泡內(nèi)的鎢絲就相當(dāng)于這個黑體。色溫計(jì)算法就是根據(jù)以上原理，用。K來表示受熱鎢絲所放射出光線的色溫。根據(jù)這一原理，任何光線的色溫是相當(dāng)于上述黑體散發(fā)出同樣顏色時所受到的“溫度”。66v1.0 可編輯可修改77CIE色座標(biāo)上的黑體曲線顯示黑體由紅棗橙紅棗黃棗黃白棗白棗藍(lán)白的過程。黑體加溫到出現(xiàn)與光源相同或接近光色時的溫度，定義為該光源的相關(guān)

17、色溫度， 稱色溫，以絕對溫度K（Kelvin,或稱開氏溫度）為單位 （K=C+）。因此，黑體加熱至呈現(xiàn)紅色時溫度約為527C即800K,其他溫度影響光色變化。光色愈偏藍(lán)，色溫愈高； 偏紅則色溫愈低。一天當(dāng)中日光的光色亦隨時間變化：日出后40分鐘光色較黃，色溫3000K;下午陽光雪白，上升至4800-5800K;陰天正午時分則約6500K; 日落前光色偏紅，色溫又降至2200K。因相關(guān)色溫度事實(shí)上是以黑體輻射接近光源光色時，對該光源光色表現(xiàn)的評價(jià)值， 并非一種精確的顏色對比， 故具相同色溫值的二光源， 可能在光色外觀上仍有些許差異。 僅憑色 溫?zé)o法了解光源對物體的顯色能力，或在該光源下特體顏色的

18、再現(xiàn)如何。再比如：燭光，1930K;鎢絲燈，2760-2900K;熒光燈，3000K;中午陽光，5400K。6、顯色性是指在此光線下，能夠現(xiàn)出被照射物體的原有顏色的性質(zhì)。例如：高壓鈉燈的光線是橙黃色，則原先白色的物體在他的照射下也呈現(xiàn)橙黃色，顏色失真，則顯色性差。光源對于物體顏色顯現(xiàn)的程度成為顯色性，也就是顏色逼真的程度，顯色性高的光源對顏色的表現(xiàn)較好，我們所看到的顏色也就較近自然原色。顯色性低的淘汰對顏色的表現(xiàn)較差，我們所看到顏色偏差也較大。為何會有顯色性高低之情形發(fā)生其關(guān)鍵在于該光線之”分光特性”。可見光之波長在380nm至780nm之范圍內(nèi)，也就是我們在光譜中見到的紅、橙、黃、綠、蘭、靛、紫的范圍， 如果光源所放射的光之中所含的各色光的比例和自然光相近。貝U我們眼睛所看到的顏色也就較為逼真。平均顯色評價(jià)（Re）:在光源照射下的色彩的再現(xiàn)度的數(shù)值表示以Ra100為基準(zhǔn)光。數(shù)值越低、與基準(zhǔn)光差異越大，顯色性愈低。7、光效v1.0 可編輯可修改78至于電光源的發(fā)光效率，是另外一個相關(guān)的話題，是說1W的電功率到底能轉(zhuǎn)化成多少單位，流明/瓦，即1W的能量能夠轉(zhuǎn)換成多少LM的光通量。v1.0 可編輯可修改88光通量。人眼對不同顏