光通量、發(fā)光強(qiáng)度、照度、亮度、色溫等概念

1、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(zhǎng)為380-780nm。光是由一種稱為光子的根本粒子組成，具有粒子性與波動(dòng)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(gè)：光通量、發(fā)光強(qiáng)度、照度、亮度。這4個(gè)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(píng)價(jià) LED質(zhì)量還有另外 3個(gè)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，是單位時(shí)間光源輻射的 總能量，即光功

2、率定義：光源在單位時(shí)間發(fā)射出的光量稱為光源的發(fā)光通量解釋：同樣，這個(gè)量是對(duì)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，那么發(fā)出的光線越多對(duì)于各向同性的光即光源的光線向四面八方以一樣的密度發(fā)射，那么F = 4 n I。也就是說(shuō)，假設(shè)光源的I為led，那么總光通量為4 n =12.56 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(lái)更亮，我們不僅要提高光通量， 而且要增大會(huì)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(duì)于其它動(dòng)物可能就不一樣的，更不是完全自然的東西， 因?yàn)檫@種定義完全是根據(jù)人眼對(duì)

3、光的響應(yīng)而來(lái)的。2、 發(fā)光強(qiáng)度I , Intensity ，單位坎德拉cd。是點(diǎn)光源的固有屬性，表征光線的 會(huì)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外表對(duì)點(diǎn)光源形成的角發(fā)射出 11m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(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，面積等于1/60平方厘米的絕對(duì)“黑 體即能夠吸收全部外來(lái)光線而毫無(wú)反射的理想物體，在純鉑Pt凝固溫度約2042K或1769 C丨時(shí)，沿垂直方向的發(fā)光強(qiáng)度為1坎德拉Candela，簡(jiǎn)寫cd?；蛘撸喊l(fā)射540X 1012Hz波長(zhǎng)555

4、nm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(cè)量輻射強(qiáng)度或測(cè)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)，是在人的視覺根底上建立起來(lái)的。解釋：發(fā)光強(qiáng)度是針對(duì)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(chǎng)合。 這個(gè)量是說(shuō)明發(fā)光體在空間發(fā)射的會(huì)聚能力的?？梢哉f(shuō)，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(huì)聚能力的一個(gè)共同的描述。發(fā)光強(qiáng)度越大，光源看起來(lái)就越亮，同時(shí)在一樣條件下被該光源照射后的物體也就越亮，因此，早些時(shí)候描述手電都用這個(gè)參數(shù)。現(xiàn)在LED也用這個(gè)單位來(lái)描述，比方某LED是15000的，

5、單位是 med, 1000mcd=1cd,因此 15000mcd 就是 15cd。之所以LED用毫cdmed而不直接用 cd來(lái)表示，是因?yàn)橐郧白钤?LED比較暗，比方 1984年標(biāo)準(zhǔn)5mm的 LED其發(fā)光強(qiáng)度才0.005cd，因此才用 med表示，現(xiàn)在LED都很厲害了， 但還是沿用原來(lái)的說(shuō)法。用發(fā)光強(qiáng)度來(lái)表示“亮度的缺點(diǎn)是，如果管芯完全一樣的兩個(gè)LED,會(huì)聚程度好的發(fā)光強(qiáng)度就高。因此，購(gòu)置LED的時(shí)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(lái)到達(dá)，而是把鏡頭加長(zhǎng)照射角度變窄來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這盡管對(duì)LED手電有用，但可觀察角度也受限。另外，同樣的管芯LED,直徑5

6、mm勺I值就比3mm的大一倍多，但只有直徑10mml的1/4，因?yàn)橥哥R越大會(huì)聚特性就越好。之所以用發(fā)光強(qiáng)度來(lái)表示手電或LED,是因?yàn)樵谝粯泳嚯x下對(duì)被照射地的照度是與這個(gè)成正比的。特別的說(shuō)，距離 1m的lx就是cd值。但是，很多場(chǎng)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響手電的能力。比方，同樣的筒身， 換個(gè)大頭大反光杯那么 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(lái)表示手電了。以上我們說(shuō) “亮和 “亮度時(shí)帶了引號(hào),是因?yàn)檫@是我們常規(guī)說(shuō)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(huì)展開。前面說(shuō)到的光通量是說(shuō)明某一光源向四周空間發(fā)射出的總光能量。

7、不同光源發(fā)出的光通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 1250lm 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(gè)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加大,發(fā)光強(qiáng)度由 30cd

8、增加到 73cd。常見光源發(fā)光強(qiáng)度 cd：太陽(yáng), 2.8E27高亮手電, 100005mm超高亮 LED, 153、光照度 E，Illuminance ，單位勒克斯 lx ，以前叫 lux 。從另一個(gè)角度來(lái)反映 光源亮不亮定義： 1 流明的光通量均勻分布在 1 平方米外表上所產(chǎn)生的光照度為了對(duì)照度的量有一個(gè)感性的認(rèn)識(shí)，下面舉一例進(jìn)展計(jì)算，一只100W的白熾燈，其發(fā)出的總光通量約為 1200Lm假設(shè)假定該光通量均勻地分布在一半球面上，那么距該光源1m和5m處的光照度值可分別按以下步驟求得：半徑為1m的半球面積為2 nX 12=6.28 m2距光源1m處的光照度值為：1200Lm/6.28 m2=

9、191Lux。同理，半徑為5m的半球面積為:2 nX 52=157 m2，距光源 5m處的光照度值為：1200Lm/157 m2=7.64Lux 。常見照度勒克司 ：直射正午下, 110,000陰天室外, 1000商場(chǎng), 500陰天有窗室, 100 普通房間燈光下, 100滿月照射下, 0.2 簡(jiǎn)單的計(jì)算原理實(shí)際很復(fù)雜,涉與微積分自己網(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，那么選擇什么光源 和功率？答：根據(jù)公式推出 光通量L=(E/ C0S3B )*照射面積S*垂

10、直距離的平方 =20*1*3.14*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(wú)極燈，W=16076/60=268W但是實(shí)際上這么大功率的直流無(wú)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(gè)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，常見公路的照度與照度均勻度要求：道路類型 快速路、主干路平均照度照度均勻度20Lx< 0.4次干道10Lx< 0.35支路8Lx< 0.34、亮度L, Luminance，單位尼特nt。反映的是發(fā)光面或反射面光線

11、進(jìn)入到人眼 里面時(shí)的感受亮不亮。定義： 單位光源面積在法線方向上， 單位立體角所發(fā)出的光流， 也叫單位面積發(fā)光面的 光照強(qiáng)度?？驳吕?/平米解釋： 這個(gè)是最容易被誤解的概念了。亮度是針對(duì)光源而言， 而且不是對(duì)點(diǎn)光源， 是對(duì)面光源包括發(fā)光面和反射面而言的。無(wú)論是主動(dòng)發(fā)光的還是被動(dòng)反射發(fā)光的。亮度 是一塊比較小的面積看起來(lái)人眼的感受到底有多“亮的意思。這個(gè)多“亮，與取多 少面積無(wú)關(guān)，但為了均勻，我們把面積取得比較小，因此才會(huì)出現(xiàn) “這一點(diǎn)的亮度這樣的 說(shuō)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(wú)關(guān)，但與觀察者的 方向有關(guān)。 說(shuō)一個(gè)手電很 “亮， 并不是說(shuō)該手電的亮度高 因?yàn)槭蛛?/p>

12、是沒有亮度概念的 ， 而是說(shuō)其發(fā)光強(qiáng)度大，或者是說(shuō)被它照射的物體亮。說(shuō)一個(gè)星星點(diǎn)光源很亮，并非是說(shuō) 其亮度高， 而是說(shuō)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(huì)聚程度。光亮度是指一個(gè)外表的明亮程度， 即從一個(gè)外表出來(lái)或反射出來(lái)的光通量， 而不同的物 體有不同的反射系數(shù)或吸收系數(shù) ，例如在同一照度的地方，先后放上一白紙和黑紙，對(duì) 人眼而言其亮度差異是很大的。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(yáng)外表， 2,000,000,000白熾燈燈絲， 10,000,000下的白紙，

13、30,000人眼能習(xí)慣的亮度， 3,000滿月外表， 2,500人眼能比較好的分辨出顏色的亮度， 1滿月下的白紙， 0.07無(wú)月夜空， 0.0001比照分析：照度與亮度 照射在某一單位面積外表上的入射光的總量，可用照度來(lái)反映； 假設(shè)從某一單位面積外表上反射到人眼中的反射光總量，可用亮度來(lái)反映。還有說(shuō)照度和亮度一般是對(duì)照射距離一定，照射光斑一定的發(fā)光體而言的，如：路燈； 對(duì)于手電筒之類的光斑、 照射距離不定的沒法說(shuō)照度和亮度， 要說(shuō)那么一定指出是在什 么距離和照射面積下。小結(jié)：光通量、光強(qiáng)、亮度和照度的關(guān)系簡(jiǎn)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

14、積等于亮度。 用一個(gè)簡(jiǎn)單圖來(lái)表示：5、色溫 Correlated Color Temperature, CCT即通過(guò)開爾文溫度表示的黑體的溫度來(lái)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 些那么偏紅，色溫就是專門用來(lái)量度光線的顏色成分的。 因?yàn)轭伾?xì)分可以有上百萬(wàn)種， 而不是簡(jiǎn)單的赤橙黃綠青藍(lán)紫， 只有通過(guò)黑體在不同溫度下輻射出的相應(yīng)光線來(lái)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(guó)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(lái)的波長(zhǎng)。開爾文認(rèn)為，根據(jù) Ma

15、x Planck 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眨?而沒 有損失， 同時(shí)又能夠?qū)崃可傻哪芰咳恳?“光的形式釋放出來(lái)的話， 它便會(huì)因受到熱 力的上下而變成不同的顏色。例如，當(dāng)黑體受到的熱力相當(dāng)于500550 攝氏度時(shí)，就會(huì)變成暗紅色，到1050 1150攝氏度時(shí)，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(duì)應(yīng)的。只不過(guò)色溫是用開爾文 (K) 色溫單位來(lái)表示，而不是用攝氏溫度 單位。 打鐵過(guò)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

16、放出光譜中的全部可見光波時(shí)， 它就變成白色， 通常我們所用燈泡的鎢 絲就相當(dāng)于這個(gè)黑體。色溫計(jì)算法就是根據(jù)以上原理，用。 K 來(lái)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(shí)所受到的 “溫 度。CIE 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(guò)程。黑體加溫到出現(xiàn)與光源一樣或接近光色時(shí)的溫度， 定義為該光源的相關(guān)色溫度， 稱色溫， 以絕對(duì)溫度 K Kelvin，或稱開氏溫度為單位K=C +273.15。因此，黑體加熱至呈現(xiàn)紅色時(shí)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； 偏紅那么色溫愈低。 一天

17、當(dāng)中日光的光色亦隨時(shí)間變化： 日出 后40分鐘光色較黃，色溫3000K;下午雪白，上升至4800-5800K ;陰天正午時(shí)分那么約 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(shí)， 對(duì)該光源光色表現(xiàn)的評(píng)價(jià)值， 并非 一種準(zhǔn)確的顏色比照， 故具一樣色溫值的二光源， 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(duì)物體的顯色能力，或在該光源下特體顏色的再現(xiàn)如何。再比方： 燭光， 1930K; 鎢絲燈， 2760-2900K ; 熒光燈， 3000K;中午， 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

18、壓鈉燈的光線是橙黃色， 那么原先白色的物體在他的照射下也呈現(xiàn)橙黃色， 顏 色失真，那么顯色性差。光源對(duì)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(duì) 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(duì)顏色的表現(xiàn)較差， 我們所看到顏色偏差也較大。為何會(huì)有顯色性上下之情形發(fā)生？其關(guān)鍵在于該光線之分光特性?？梢姽庵ㄩL(zhǎng)在380nm至780nm之圍，也就是我們?cè)诠庾V中見到的紅、橙、黃、綠、蘭、靛、紫的圍，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。 那么我們眼睛所看到的顏色也就較 為逼真。平均顯色評(píng)價(jià)Re:在光源照射下的色彩的再現(xiàn)度的數(shù)值表示以RalOO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、光效單位，流明/瓦，即1W的能量能夠轉(zhuǎn)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(gè)相關(guān)的話題，是說(shuō)1W的電功率到底能轉(zhuǎn)化成多少光通量。人眼對(duì)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(guān)系。 對(duì)于人眼最敏感的 555nm的