光度学常用量.doc

光度学常用量光度学与光相关的常用量有4个：发光强度、光通量、照度、亮度。这4个量尽管是相关的，但为不同的，不能相混。正像压力、重力、压强、质量是不同的物理量一样。光度量名称符号单位英文名光强度I坎德拉Candela(cd)光照度E勒克斯Lux(lx)光亮度L尼特Nit光通量流明lumen(lm)1CD（烛光）指完全辐射的物体，在白金凝固点温度下，每六十分之一平方厘米面积的发光强度。（以前指直径为2.2厘米，质量为75.5克的鲸油烛，每小时燃烧7.78克，火焰高度为4.5厘米，沿水平方向的发光强度）1Lm（流明）指1CD烛光照射在距离为1厘米，面积为1平方厘米的平面上的光通量。1Lux（勒克司）指1L的光通量均匀地分布在1平方米面积上的照度。一般主动发光体采用发光强度单位烛光CD，如白炽灯、LED等；反射或穿透型的物体采用光通量单位流明L，如LCD投影机等；而照度单位勒克司Lux，一般用于摄影等领域。三种衡量单位在数值上是等效的，但需要从不同的角度去理解。比如：如果说一部LCD投影机的亮度（光通量）为1600流明，其投影到全反射屏幕的尺寸为60英寸（1平方米），则其照度为1600勒克司，假设其出光口距光源1厘米，出光口面积为1平方厘米，则出光口的发光强度为1600CD。而真正的LCD投影机由于光传播的损耗、反射或透光膜的损耗和光线分布不均匀，亮度将大打折扣，一般有50的效率就很好了。 实际使用中，光强计算常常采用比较容易测绘的数据单位或变向使用。对于LED显示屏这种主动发光体一般采用CD平方米作为发光强度单位，并配合观察角度为辅助参数，其等效于屏体表面的照度单位勒克司；将此数值与屏体有效显示面积相乘，得到整个屏体的在最佳视角上的发光强度，假设屏体中每个像素的发光强度在相应空间内恒定，则此数值可被认为也是整个屏体的光通量。一般室外LED显示屏须达到4000CD平方米以上的亮度才可在日光下有比较理想的显示效果。普通室内LED，最大亮度在7002000CD平方米左右。单个LED的发光强度以CD为单位，同时配有视角参数，发光强度与LED的色彩没有关系。单管的发光强度从几个mCD到五千mCD不等。LED生产厂商所给出的发光强度指LED在20mA电流下点亮，最佳视角上及中心位置上发光强度最大的点。封装LED时顶部透镜的形状和LED芯片距顶部透镜的位置决定了LED视角和光强分布。一般来说相同的LED视角越大，最大发光强度越小，但在整个立体半球面上累计的光通量不变。 当多个LED较紧密规则排放，其发光球面相互叠加，导致整个发光平面发光强度分布比较均匀。在计算显示屏发光强度时，需根据LED视角和LED的排放密度，将厂商提供的最大点发光强度值乘以3090不等，作为单管平均发光强度。一般LED的发光寿命很长，生产厂家一般都标明为100,000小时以上，实际还应注意LED的亮度衰减周期，如大部分用于汽车尾灯的UR红管点亮十几至几十小时后，亮度就只有原来的一半了。亮度衰减周期与LED生产的材料工艺有很大关系，一般在经济条件许可的情况下应选用亮度衰减较缓慢的四元素LED。 1、强度（I、Intensity）单位坎德拉（cd），是点光源的固有属性，表征光线的汇聚能力定义：光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量定义为光源在该方向的(发)光强(度)解释：发光强度是针对点光源而言的，或者发光体的大小与照射距离相比比较小的场合。这个量是表明发光体在空间发射的会聚能力的。可以说，发光强度就是描述了光源到底有多“亮”，因为它是光功率与会聚能力的一个共同的描述。发光强度越大，光源看起来就越亮，同时在相同条件下被该光源照射后的物体也就越亮，因此，早些时候描述手电都用这个参数。现在LED也用这个单位来描述，比如某LED是15000的，单位是mcd，1000mcd=1cd，因此15000mcd就是15cd。之所以LED用毫cd（mcd）而不直接用cd来表示，是因为以前最早LED比较暗，比如1984年标准5mm的LED其发光强度才0.005cd，因此才用mcd表示，现在LED都很厉害了，但还是沿用原来的说法。用发光强度来表示“亮度”的缺点是，如果管芯完全一样的两个LED，会聚程度好的发光强度就高。因此，购买LED的时候不要一味追求高I值，还要看照射角度。很多高I值的LED并非提高自身的发射效率来达到，而是把镜头加长照射角度变窄来实现的，这尽管对LED手电有用，但可观察角度也受限。另外，同样的管芯LED，直径5mm的I值就比3mm的大一倍多，但只有直径10mm的1/4，因为透镜越大会聚特性就越好。之所以用发光强度来表示手电或LED，是因为在相同距离下对被照射地的照度是与这个成正比的。特别的说，距离1m的lx就是cd值。但是，很多场合下我们需要照射面积大一些，所以只用发光强度这一特性还不能全面反应手电的能力。比如，同样的筒身，换个大头（大反光杯）则I值马上增大许多。因此，很多情况下我们用光通量（单位流明，见下）来表示手电了。以上我们说“亮”和“亮度”时带了引号，是因为这是我们常规说的亮度，并非光度学严格意义上的亮度，这一单位后面会展开。常见光源发光强度（cd）：太阳，2.8E27；高亮手电，10000；5mm超高亮LED，15。2、光通量（F，Flux），单位流明，即lm。是光源的固有属性，是单位时间内光源辐射的总能量,即光功率定义：光源在单位时间内发射出的光量称为光源的发光通量解释：同样，这个量是对光源而言，是描述光源发光总量的大小的，与光功率等价。光源的光通量越大，则发出的光线越多对于各向同性的光（即光源的光线向四面八方以相同的密度发射），则 F = 4I。也就是说，若光源的I为1cd，则总光通量为4 =12.56 lm。与力学的单位比较，光通量相当于压力，而发光强度相当于压强。要想被照射点看起来更亮，我们不仅要提高光通量，而且要增大会聚的手段，实际上就是减少面积，这样才能得到更大的强度。要知道，光通量也是人为量，对于其它动物可能就不一样的，更不是完全自然的东西，因为这种定义完全是根据人眼对光的响应而来的。3、光效，单位，流明/瓦，即1W的能量能够转换成多少LM的光通量。至于电光源的发光效率，是另外一个相关的话题，是说1W的电功率到底能转化成多少光通量。人眼对不同颜色的光的感觉是不同的，此感觉决定了光通量与光功率的换算关系。对于人眼最敏感的555nm的黄绿光，1W = 683 lm，也就是说，1W的功率全部转换成波长为555nm的黄绿光，为683流明。这个是最大的光转换效率，也是定标值，因为人眼对555nm的光最敏感。对于其它颜色的光，比如650nm的红色，1W的光仅相当于73流明，这是因为人眼对红光不敏感的原因。对于白色光，要看情况了，因为很多不同的光谱结构的光都是白色的。例如LED的白光、电视上的白光以及日光就差别很大，光谱不同。电光源的发光效率，是说1W的电功率到底能转化成多少光通量。如果全部转换成555nm的光，那就是每瓦683流明。但如果有一半转换成555nm的光，另一半变成热量损失了，那效率就是每瓦341.5流明。白炽灯能达到1W=20 lm就很不错了，其余的都成为热量或红外线了。测量一个不规则发光体的光通量，要用到积分球，比较专业而复杂。常见发光的大致效率（流明/瓦）白炽灯，15白色LED，20日光灯，50 无极灯LVD，60节能灯，60 太阳，94 钠灯，1204、光照度（E，Illuminance），单位勒克斯即lx（以前叫lux）。从另一个角度来反映光源亮不亮定义：1流明的光通量均匀分布在1平方米表面上所产生的光照度解释：光照度是对被照地点而言的，但又与被照射物体无关。一个流明的光，均匀射到1m2的物体上，照度就是1 lx。照度的测量，用照度表，或者叫勒克斯表、lux表。事实上，照度是最容易测量的了（相对其它三个量），照度表很便宜就可以买到（几百元）。为了保护眼睛便于生活和工作，在不同场所下到底要多大的照度都有规定，例如机房不得低于200 lx。阳光下的照度是自然界里面很大的也很常见的了，为11万lx左右（自己实测）。我刚才测量了一下，房间是3.8mx6.5m，有12个20W的日光灯管，桌面照度为400勒克司。环境常见照度（勒克司）阳光直射（正午）下110,000阴天室外1000商场内500阴天有窗室内100普通房间灯光下100满月照射下0.2简单的计算原理（实际很复杂，涉及微积分自己网上了解即可）照度E=（光通量L/（照射面积S*垂直距离的平方）*COS3 （夹角为垂直光线与照射面法线夹角）举例：快速路要求20Lx，光源垂直距离为8米，照射半径为2米，则选择什么光源和功率？根据公式推出 光通量L=(E/ COS3)* 照射面积S*垂直距离的平方=20*1*3.14*2*2*8*8=16076Lm根据不同光源的光效推出功率：W=L/光效，如选择无极灯，W=16076/60=268W，但是实际上这么大功率的直流无极灯很少用，可换成低压钠灯：W=16076/120=134W即可。 5、亮度（L，Luminance），单位尼特，即nt。反映的是发光面或反射面光线进入到人眼里面时的感受亮不亮。定义：单位光源面积在法线方向上，单位立体角内所发出的光流，也叫单位面积发光面的光照强度。坎德拉/平米解释：这个是最容易被误解的概念了。亮度是针对光源而言，而且不是对点光源，是对面光源（包括发光面和反射面）而言的。无论是主动发光的还是被动（反射）发光的。亮度是一块比较小的面积看起来（人眼的感受）到底有多“亮”的意思。这个多“亮”，与取多少面积无关，但为了均匀，我们把面积取得比较小，因此才会出现“这一点的亮度”这样的说法。事实上，点光源是没有亮度概念的。另外，发光面的亮度与距离无关，但与观察者的方向有关。说一个手电很“亮”，并不是说该手电的亮度高（因为手电是没有亮度概念的），而是说其发光强度大，或者是说被它照射的物体亮。说一个星星（点光源）很亮，并非是说其亮度高，而是说其星等高而已。亮度不仅取决于光源的光通量，更取决于等价发光面积和发射的会聚程度。光亮度是指一个表面的明亮程度，即从一个表面出来或反射出来的光通量，而不同的物体有不同的反射系数（或吸收系数），例如在同一照度的地方，先后放上一张白纸和黑纸，对人眼而言其亮度差别是很大的。白纸的反射系数是80%，而黑纸的反射系数只有3%。环境常见发光体的亮度（尼特）：红色激光指示器20,000,000,000太阳表面2,000,000,000白炽灯灯丝10,000,000阳光下的白纸30,000人眼能习惯的亮度3,000满月表面2,500人眼能比较好的分辨出颜色的亮度1满月下的白纸0.07无月夜空0.0001对比分析：照度与亮度照射在某一单位面积表面上的入射光的总量，可用照度来反映；若从某一单位面积表面上反射到人眼中的反射光总量，可用亮度来反映。还有说照度和亮度一般是对照射距离一定，照射光斑一定的发光体而言的，如：路灯；对于手电筒之类的光斑、照射距离不定的没法说照度和亮度，要说则一定指出是在什么距离和照射面积下。6、色温，即通过开尔文温度表示的黑体的温度来表示颜色一、色温的定义：因为大部分光源所发出的光皆通称为白光，故光源的色表温度或相关色温度即用以指称其光色相对白的程度，以量化光源的光色表现。根据Max Planck的理论，将一具完全吸收与放射能力的标准黑体加热，温度逐渐升高光度亦随之改变；CIE色座标上的黑体曲线（Black body locus）显示黑体由红橙红黄黄白白蓝白的过程。黑体加温到出现与光源相同或接近光色时的温度，定义为该光源的相关色温度，称色温，以绝对温K（Kelvin，或称开氏温度）为单位（K=+273.15）。因此，黑体加热至呈红色时温度约527即800K，其他温度影响光色变化。光色愈偏蓝，色温愈高；偏红则色温愈低。一天当中阳光的光色亦随时间变化：日出后40分钟光色较黄，色温3,000K；正午阳光雪白，上升至4,800-5,800K，阴天正午时分则约6,500K；日落前光色偏红，色温又降至纸2,200K。其他光源的相关色温度。因相关色温度事实上是以黑体辐射接近光源光色时，对该光源光色表现的评价值，并非一种精确的颜色对比，故具相同色温值的二光源，可能在光色外观上仍有些许差异。仅凭色温无法了解光源对物体的显色能力，或在该光源下物体颜色的再现如何。因为颜色细分可以有上百万种，而不是简单的赤橙黄绿青蓝紫，只有通过黑体在不同温度下辐射出的相应光线来定义， 二、不同光源环境下的色温：下面是一般常见照明灯具所採用的色温卤素灯、荧光灯3000k钨丝灯 2700k高压钠灯 1950-2250k蜡烛光 2000k金属卤化物灯 4000-4600k冷色营光灯 4000-5000k高压汞灯 3450-3750k暖色萤光灯 2500-3000k晴空 8000-8500k阴天 6500-7500k夏日正午阳光 5500k下午日光 4000k3000K 黄色光，强穿透力 4200K 白中带黄，原车配氙气灯 5000K 光全白，欧规最高色温 6000K 光全白，略带蓝色 6500K 阳光下的白天 70008000K白中明显带蓝 8000K以上蓝光，穿透力极差推荐6000K左右的色温正好是最白略微开始转蓝的色温，人眼容易接受，不易疲劳，提高安全性，而卤素灯则较差。暖白标准3000K，正白的话，定义不一致，大致就是55006500都可以叫6000K左右能叫正白三、不同色温下的光色：1、低色温(暖色光)：色温在3300K以下，光色偏红给以温暖的感觉；有稳重的气氛，温暖，健康，舒适的感觉；当採用低色温光源照射时，能使红色更鲜艳。适用与家庭，住宅，宿舍，宾馆等场所或温度比较低的地方。2、中色温（冷白色光）：色温在3000-6000K为中间，人在此色调下无特别明显的视觉心理效，有爽快的感觉；所以称为中性色温。当採用中色温光源照射时，使蓝色具有清凉感。(又叫中性色，它的色温在3300K到5300K之间，中性色由于光缐柔和，使人有愉快，舒适，安详的感受。适用与商店，医院，办公室，饭店，餐厅，候车室等场所。)3、高色温(日光色)：色温超过6000K，光色偏蓝，给人以清冷的感觉，当採用高色温光源照时，使物体有冷的感觉。(它的色温在5300K以上，光源接近自然光，有明亮的感觉，使人精力集中。适用与办公室，会议室，教室，绘图室，设计室，图书馆的阅览室，展览橱窗等场所。)a. 色温与亮度 高色温光源照射下，如亮度不高则给人们有一种阴气的气氛；低色温光源照射下，亮度过高会给人们有一种闷热感觉。b. 光色的对比 在同一空间使用两种光色差很大的光源，其对比将会出现层次效果，光色对比大时，在获得亮度层次的同时，又可获得光色的层次。5000K和6500K的黑体的颜色分别接近于普通D50和D65的发光物，这通常用于颜色再现的场合（摄影、出版，等等）。 灯泡的功率 (20或100瓦)似乎能够改变其色彩，但其实只会改变它的光度，而我们的眼睛对这个非常敏感，颜色看起来就不同了。 对于基于黑体的光线，蓝色比红色更“热”，红色其实是更“冷”的颜色。这跟我们传统的认知不一样，大家都把蓝色跟“冷色”联系在一起，红色跟“暖色”联系在一起。这种传统概念其实是从其他方面演化来的，比较凉的水、冰看起来是蓝色，火、加热的金属的色调是偏红。相反的是，这恰恰证明了红色是所有可见光中最“冷”的颜色红色是随着金属温度升高放射出来的第一个颜色。观察一下普通白炽灯泡，白炽灯发出的橘色光贯穿了它们的一生，白炽灯泡灯丝熔断的一刹那，发出的光线显而易见的有些偏蓝熔断的一刹那间，灯丝比以往热得多，灯泡玻璃上的焦痕就是个证据。 在非正式场合，色温 也可以代表“白平衡”。请注意，色温只涉及一个变量（以热力学温标K做单位），而白平衡同时牵涉到两个（红色值、蓝色值）。 在摄影术领域中，另一种表现色温的数量叫做mired（迈尔德，逆标色温，用色温的倒数来标志温度的单位）。就很简单的一套公式就能在色温和mired之间换算。（关于换算的公式，以及采用mired的原因，请参照mired条目） 7、显色性，是指在此光线下，能够现出被照射物体的原有颜色的性质例如：高压钠灯的光线是橙黄色，则原先白色的物体在他的照射下也呈现橙黄色，颜色失真，则显色性差。日光灯的显色性就好。光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性，也就是颜色逼真的程度；光源的显色性是由显色指数来表明，它表示物体在光下颜色比基准光（太阳光）照明时颜色的偏离，能较全面反映光源的颜色特性。显色性高的光源对颜色表现较好，我们所见到的颜色也就接近自然色，显色性低的光源对颜色表现较差，我们所见到的颜色偏差也较大。国际照明委员会CIE把太阳的显色指数定为100，各类光源的显色指数各不相同，如：高压钠灯显色指数Ra=23，荧光灯管显色指数