光通量-流明-光照度-色溫的概念及關(guān)系

1、22、23 期介紹投影儀文章都存在將光通量當(dāng)做亮度的差錯(cuò)，現(xiàn)轉(zhuǎn)載一文： 有關(guān)發(fā)光強(qiáng)度、光通量、照度、亮度的簡(jiǎn)單介紹 光度學(xué)與光相關(guān)的常用量有 4個(gè)：發(fā)光強(qiáng)度、光通量、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。1、發(fā)光強(qiáng)度 （I 、Intensity） ，單位坎德拉，即 cd。 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），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)量是表明 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 ”，

2、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(lái)描述，比如某LED是15000的，單位是 med, 1000mcd=1cd ,因此15000mcd 就是 15cd。之所以LED用毫cd（mcd）而不直接用cd來(lái)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

3、, 購(gòu)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值的LED并非提高自身的發(fā)射效率來(lái) 達(dá)到，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(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)樵谙嗤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 特性還不能全面反應(yīng)手電的能力。比如，同樣的筒身，換個(gè)大頭（大反光杯）則I值馬上增大許多。因此，很多情況下

4、我們用光通量 （單位流明，見(jiàn)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(kāi)。常見(jiàn)光源發(fā)光強(qiáng)度 （cd）：太陽(yáng)， 2.8E27高亮手電， 100005mm 超高亮 LED， 15 2、光通量（F, Flux），單位流明，即Im。 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），貝U F = 4nI也就是說(shuō)，若光源的I 為1cd，則總

5、光通量為4n =12.56 lm。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)光的響應(yīng)而來(lái)的。人眼對(duì)不同顏色的光的感覺(jué)是不同的，此感覺(jué)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 = 683 lm，也就是說(shuō)，1W的功率全部轉(zhuǎn)換成波長(zhǎng)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

6、敏感。對(duì)于其它顏色的光， 比如 650nm 的紅色，1W的光僅相當(dāng)于73流明，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 為很多不同的光譜結(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。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。如果全 部轉(zhuǎn)換成 555nm 的光，那就是每瓦 683 流明。但如果有一半轉(zhuǎn)換成 555nm 的光，另一半變成熱量損失 了，那效率就是每瓦 341.5 流明。白熾燈能達(dá)到 1W=20 lm 就很不錯(cuò)了， 其余的都成為熱量或紅外線了。 測(cè)量一個(gè)不規(guī)則發(fā)光體的光通量，要用到積分

7、球，比較專業(yè)而復(fù)雜。常見(jiàn)發(fā)光的大致效率 （流明/瓦） 白熾燈， 15白色 LED， 20日光燈， 50太陽(yáng)， 94鈉燈， 120 3、光照度（E, IIIuminance），單位勒克斯即1x（以前叫l(wèi)ux）。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(duì)被照地點(diǎn)而言的，但又與被照射物體無(wú)關(guān)。一個(gè)流明的光，均勻射到 1m2 的物體上， 照度就是1 lx。照度的測(cè)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(cè)量的了 （相 對(duì)其它三個(gè)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(chǎng)所下到底 要多大的照度都有規(guī)定，例

8、如機(jī)房不得低于200 lx。陽(yáng)光下的照度是自然界里面很大的也很常見(jiàn)的了，為11萬(wàn)lx左右（自己實(shí)測(cè)）。我剛才測(cè)量了一下，房間是 3.8mx6.5m，有12個(gè)20W的日光燈管，桌面 照度為 400 勒克司。常見(jiàn)照度（勒克司）：陽(yáng)光直射（正午）下， 110,000 陰天室外， 1000商場(chǎng)內(nèi)， 500陰天有窗室內(nèi)， 100 普通房間燈光下， 100 滿月照射下， 0.24、亮度 （L， Luminance） ，單位尼特，即 nt。 定義：?jiǎn)挝还庠疵娣e在法線方向上，單位立體角內(nèi)所發(fā)出的光流 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)面光源而言的。 無(wú)論是主動(dòng)發(fā)光的還

9、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)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(méi)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)槭蛛娛菦](méi)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。常見(jiàn)發(fā)光體的亮度 （尼特）： 紅色激光指示器， 20,000,00

10、0,000 太陽(yáng)表面， 2,000,000,000 白熾燈燈絲， 10,000,000 陽(yáng)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，0.07無(wú)月夜空，0.00015. 色溫概念在照明行業(yè)中，白光”泛指接近黑體輻射出來(lái)的各個(gè)溫度下的可見(jiàn)光，為了 有所區(qū)別，因此把色溫在3500K以下的光源所發(fā)出來(lái)的光稱為暖白光(Warm White)， 把3500K到5500K之間的光源所發(fā)出來(lái)的光稱為自然白光 (Natural White)，把5500K以 上的光源所發(fā)出來(lái)的光稱為冷白光(Cool White)。請(qǐng)記得在照明行業(yè)裡，

11、不管是暖 白光(Warm White)或是自然白光(Natural White)或是冷白光(Cool White)通通叫白 光。太冷(8000K以上)的白光光源，藍(lán)色成份很高，眼睛不適應(yīng)，並不適合用在一般 照明，倒是適用在水族箱，因?yàn)榭梢越档凸夂献饔茫瑴p少水草滋長(zhǎng)色溫定義：光源發(fā)射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光色相同時(shí)，黑體的溫度稱為該光源的色溫。因?yàn)榇蟛糠止庠此l(fā)出的光皆通稱為白光，故光源的色表溫度或相關(guān)色溫度即用以指稱其光色相對(duì)白的程度，以量化光源的光色表現(xiàn)。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；CIE色座標(biāo)上的黑體曲線(Bl

12、ack body locus )顯示黑體由紅一橙紅一一黃一一黃白一一白一一藍(lán)白的過(guò)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K(Kelvin，或稱開(kāi)氏溫度)為單位(K=C +273.15)。因此,黑體加熱至呈紅色時(shí)溫度約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)中畫(huà)光的光色亦隨時(shí)間變化：日出后 40分鐘光 色較黃，色溫3,000K;正午陽(yáng)光雪白，上升至4,800-5,800K，陰天正午時(shí)分則約6,500K;日落前光色 偏紅，色溫又降至紙2,200K。其他光源的相關(guān)色溫度。因相關(guān)色溫度事實(shí)上是以黑體輻射

13、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。僅馮色溫?zé)o法了解光源對(duì)物體的顯色能力，或在該光源下物體顏色的再現(xiàn)如何。不同光源環(huán)境的相關(guān)色溫度光源色溫北方晴空8000-8500k陰天 6500-7500k夏日正午陽(yáng)光5500k金屬鹵化物燈4000-4600k下午日光4000k冷色營(yíng)光燈4000-5000k高壓汞燈3450-3750k暖色營(yíng)光燈2500-3000k鹵素?zé)?000k鎢絲燈2700k高壓鈉燈1950-2250k蠟燭光2000k光源色溫不同，光色也不同，色溫在 3300K以下有穩(wěn)重的氣氛，溫暖的感覺(jué)；色溫在 3000-5000K 為中間色溫，有爽快的感覺(jué)；色溫在5000K以上有冷的感覺(jué)。不同光源的不同光色組成最佳環(huán)境， 如表: 色 溫