光通量、發(fā)光強(qiáng)度、照度、亮度、色溫等概念

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(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，F(xiàn)lux），單位流明（lm）。（是光源的固有屬性，是單位時(shí)間內(nèi)光源輻射的總能量,即光功率）定義：光源在單位時(shí)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(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，則發(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(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(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)光的響應(yīng)而來的。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(duì)點(diǎn)光源形成的角）內(nèi)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(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(shí)，沿垂直方向的發(fā)光強(qiáng)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(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)，是在人的視覺基礎(chǔ)上建立起來的。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合。這個(gè)量是表明發(fā)光體在空間發(fā)射的會(huì)聚能力的。可以說，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，光源看起來就越亮，同時(shí)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(shí)候描述手電都用這個(gè)參數(shù)?，F(xiàn)在LED也用這個(gè)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?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(qiáng)度來表示“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，購買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值還有說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(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(gè)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(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，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)MaxPlanck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(shí)又能夠?qū)崃可傻哪芰咳恳浴肮狻钡男问结尫懦鰜淼脑挘銜?huì)因受到熱力的高低而變成不同的顏色。例如，當(dāng)黑體受到的熱力相當(dāng)于500—550攝氏度時(shí)，就會(huì)變成暗紅色，到1050一1150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(shí)，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(gè)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(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)白的過程。黑體加溫到出現(xiàn)與光源相同或接近光色時(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=℃+273.15）。因此，黑體加熱至呈現(xiàn)紅色時(shí)溫度約為527℃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(shí)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(shí)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(shí)，對(duì)該光源光色表現(xiàn)的評(píng)價(jià)值，并非一種精確的顏色對(duì)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(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(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)有顯色性高低之情形發(fā)生？其關(guān)鍵在于該光線之”分光特性”?？梢姽庵ㄩL在380nm至780nm之范圍內(nèi)，也就是我們?cè)诠庾V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(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的黃綠光，1W=683lm，也就是說，1W的功率全部轉(zhuǎn)換成波長為555nm的光，為683流明。這個(gè)是最大的光轉(zhuǎn)換效率，也是定標(biāo)值，因?yàn)槿搜蹖?duì)555nm的光最敏感。對(duì)于其它顏色的光，比如1W的650nm的紅色光，對(duì)于人眼的感覺僅相當(dāng)于73流明的555nm光，這是因?yàn)槿搜蹖?duì)紅光不敏感的原因。對(duì)于白色光，要看情況了，因?yàn)楹芏嗖煌墓庾V結(jié)構(gòu)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(shí)解釋了“冷白”的LED燈珠比相同型號(hào)的“中白”看起來要亮一些的原因。其實(shí)二者光效差別不大，只是人眼對(duì)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(zhuǎn)化成多少光通量。如果全部轉(zhuǎn)換成555nm的光，那就是683流明/瓦。但如果有一半轉(zhuǎn)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(dá)到1W=20