光通量、發(fā)光強度、照度、亮度、色溫等概念

光通量、發(fā)光強度、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)光強度。光度學與光相關的常用量有4個：光通量、發(fā)光強度、照度、亮度。這4個量盡管是相關的，但為不同的，不能相混。正像壓力、重力、壓強、質量是不同的物理量一樣。評價LED質量還有另外3個直指標：顯色性、色溫和光效。1、光通量（F，F(xiàn)lux），單位流明（lm）。（是光源的固有屬性，是單位時間內光源輻射的總能量,即光功率）定義：光源在單位時間內發(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。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=4πI。也就是說，若光源的I為1cd，則總光通量為4π=12.56lm。與力學的單位比較，光通量相當于壓力，而發(fā)光強度相當于壓強。要想被照射點看起來更亮，我們不僅要提高光通量，而且要增大會聚的手段，實際上就是減少面積，這樣才能得到更大的強度。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，因為這種定義完全是根據(jù)人眼對光的響應而來的。2、發(fā)光強度（I，Intensity），單位坎德拉（cd）。（是點光源的固有屬性，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(度)，表示光源在某球面度立體角(該物體表面對點光源形成的角）內發(fā)射出1lm的光通量。1cd=1lm/1sr（sr-----立體角的球面度單位）。1cd定義：在每平方米101325牛頓的標準大氣壓下，面積等于1/60平方厘米的絕對“黑體”（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1769℃）時，沿垂直方向的發(fā)光強度為1坎德拉（Candela，簡寫cd）?；蛘撸喊l(fā)射540×1012Hz（波長555nm）頻率單色光，在指定方向的光線發(fā)射強度為1/683W/sr的光源，在該方向的光強就定義為1cd。與通常測量輻射強度或測量能量強度的單位相比較，發(fā)光強度的定義考慮了人的視覺因素和光學特點，是在人的視覺基礎上建立起來的。解釋：發(fā)光強度是針對點光源而言的，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)光強度就是描述了光源到底有多“亮”，因為它是光功率與會聚能力的一個共同的描述。發(fā)光強度越大，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這個參數(shù)?，F(xiàn)在LED也用這個單位來描述，比如某LED是15000的，單位是mcd，1000mcd=1cd，因此15000mcd就是15cd。之所以LED用毫cd（mcd）而不直接用cd來表示，是因為以前最早LED比較暗，比如1984年標準5mm的LED其發(fā)光強度才0.005cd，因此才用mcd表示，現(xiàn)在LED都很厲害了，但還是沿用原來的說法。用發(fā)光強度來表示“亮度”的缺點是，如果管芯完全一樣的兩個LED，會聚程度好的發(fā)光強度就高。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)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距離和照射面積下。小結：光通量、光強、亮度和照度的關系簡單歸納如下：光通量除以單位立體角等于光強；光通量除以單位面積等于照度；光強除以單位面積等于亮度。用一個簡單圖來表示：5、色溫（CorrelatedColorTemperature,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，有些則偏紅，色溫就是專門用來量度光線的顏色成分的。因為顏色細分可以有上百萬種，而不是簡單的赤橙黃綠青藍紫，只有通過黑體在不同溫度下輻射出的相應光線來定義，最為科學。用以計算光線顏色成分的方法，是19世紀末由英國物理學家洛德·開爾文所創(chuàng)立的，他制定出了一整套色溫計算法，而其具體設定的標準是基于以一黑體輻射器所發(fā)出來的波長。開爾文認為，根據(jù)MaxPlanck的理論，將一具完全吸收與放射能力的標準黑體加熱，溫度逐漸升高光度亦隨之改變。假定某一純黑物體，能夠將落在其上的所有熱量吸收，而沒有損失，同時又能夠將熱量生成的能量全部以“光”的形式釋放出來的話，它便會因受到熱力的高低而變成不同的顏色。例如，當黑體受到的熱力相當于500—550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，光源的顏色成分是與該黑體所受的熱力溫度相對應的。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的鎢絲就相當于這個黑體。色溫計算法就是根據(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于上述黑體散發(fā)出同樣顏色時所受到的“溫度”。CIE色座標上的黑體曲線顯示黑體由紅棗橙紅棗黃棗黃白棗白棗藍白的過程。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色溫度，稱色溫，以絕對溫度K（Kelvin，或稱開氏溫度）為單位（K=℃+273.15）。因此，黑體加熱至呈現(xiàn)紅色時溫度約為527℃即800K，其他溫度影響光色變化。光色愈偏藍，色溫愈高；偏紅則色溫愈低。一天當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。因相關色溫度事實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。僅憑色溫無法了解光源對物體的顯色能力，或在該光源下特體顏色的再現(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。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？其關鍵在于該光線之”分光特性”?？梢姽庵ㄩL在380nm至780nm之范圍內，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。則我們眼睛所看到的顏色也就較為逼真。平均顯色評價(Re)：在光源照射下的色彩的再現(xiàn)度的數(shù)值表示以Ra100為基準光。數(shù)值越低、與基準光差異越大，顯色性愈低。7、光效單位，流明/瓦，即1W的能量能夠轉換成多少LM的光通量。至于電光源的發(fā)光效率，是另外一個相關的話題，是說1W的電功率到底能轉化成多少光通量。人眼對不同顏色的光的感覺是不同的，此感覺決定了光通量與光功率的換算關系。對于人眼最敏感的555nm的黃綠光，1W=683lm，也就是說，1W的功率全部轉換成波長為555nm的光，為683流明。這個是最大的光轉換效率，也是定標值，因為人眼對555nm的光最敏感。對于其它顏色的光，比如1W的650nm的紅色光，對于人眼的感覺僅相當于73流明的555nm光，這是因為人眼對紅光不敏感的原因。對于白色光，要看情況了，因為很多不同的光譜結構的光都是白色的。例如LED的白光、電視上的白光以及日光就差別很大，光譜不同。(這里其實解釋了“冷白”的LED燈珠比相同型號的“中白”看起來要亮一些的原因。其實二者光效差別不大，只是人眼對二者的敏感度不同，冷白更刺眼而已，是一種假亮)電光源的發(fā)光效率，是說1W的電功率到底能轉化成多少光通量。如果全部轉換成555nm的光，那就是683流明/瓦。但如果有一半轉換成555nm的光，另一半變成熱量損失了，那效率就是341.5流明/瓦。白熾燈能達到1W=20