光通量、发光强度、照度、亮度、色温等概念

1、光通量、发光强度、照度、亮度、色温等概念0、前言光是一种人类眼睛可以见的电磁波可见光谱，它只是电磁波谱上的一段频谱波长为380-780nm。光是由一种称为光子的根本粒子组成，具有粒子性与波动性，或称为波粒 二象性。衡量灯具发出的光的主要参数有色温、照度、亮度、光通量、显色性、发光效率和 发光强度。光度学与光相关的常用量有4个：光通量、发光强度、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。评价 LED质量还有另外 3个直指标：显色性、色温和光效。1、光通量F, Flux，单位流明Im。是光源的固有属性，是单位时间光源辐射的 总能量，即光功

2、率定义：光源在单位时间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，那么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一样的密度发射，那么F = 4 n I。也就是说，假设光源的I为led，那么总光通量为4 n =12.56 Im 。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

3、光的响应而来的。2、 发光强度I , Intensity ，单位坎德拉cd。是点光源的固有属性，表征光线的 会聚能力定义：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，表示光源在某球面度立体角该物体外表对点光源形成的角发射出 11m的光通量。1cd=1lm/1sr sr 立体角的球面度单位。1cd定义：在每平方米101325牛顿的标准大气压下，面积等于1/60平方厘米的绝对“黑 体即能够吸收全部外来光线而毫无反射的理想物体，在纯铂Pt凝固温度约2042K或1769 C丨时，沿垂直方向的发光强度为1坎德拉Candela，简写cd。或者：发射540X 1012Hz波长555

4、nm频率单色光，在指定方向的光线发射强度为1/683W/sr的光源，在该方向的光强就定义为 1cd。与通常测量辐射强度或测量能量强度的单位相比较，发光强度的定义考虑了人的视觉因素和光学特点，是在人的视觉根底上建立起来的。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。 这个量是说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，同时在一样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，比方某LED是15000的，

5、单位是 med, 1000mcd=1cd,因此 15000mcd 就是 15cd。之所以LED用毫cdmed而不直接用 cd来表示，是因为以前最早 LED比较暗，比方 1984年标准5mm的 LED其发光强度才0.005cd，因此才用 med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，购置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到达，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5

6、mm勺I值就比3mm的大一倍多，但只有直径10mml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,是因为在一样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响手电的能力。比方，同样的筒身， 换个大头大反光杯那么 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。前面说到的光通量是说明某一光源向四周空间发射出的总光能量。

7、不同光源发出的光通量在空间的分布是不同的。 这就需要引入发光强度的概念。 例如悬吊在桌面上空的一盏 100W 白炽灯, 它发出 1250lm 光通量。 但用不用灯罩, 投射到桌面的光线就不一样。 加了灯罩后, 灯罩将往上的光向下反射,使向下的光通量增加,因此我们就感到桌面上亮了一些。40W白炽灯正下方具有约 30cd的发光强度。而在它的上方，由于有灯头和灯座的遮挡， 在这方向上没有光射出, 故此方向的发光强度为零。 如加上一个不透明的搪瓷伞型罩, 向上 的光通量除少量被吸收外, 都被灯罩朝下面反射, 因此向下的光通量增加, 而灯罩下方立体 角未变,故光通量的空间密度加大,发光强度由 30cd

8、增加到 73cd。常见光源发光强度 cd：太阳, 2.8E27高亮手电, 100005mm超高亮 LED, 153、光照度 E，Illuminance ，单位勒克斯 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 平方米外表上所产生的光照度为了对照度的量有一个感性的认识，下面举一例进展计算，一只100W的白炽灯，其发出的总光通量约为 1200Lm假设假定该光通量均匀地分布在一半球面上，那么距该光源1m和5m处的光照度值可分别按以下步骤求得：半径为1m的半球面积为2 nX 12=6.28 m2距光源1m处的光照度值为：1200Lm/6.28 m2=

9、191Lux。同理，半径为5m的半球面积为:2 nX 52=157 m2，距光源 5m处的光照度值为：1200Lm/157 m2=7.64Lux 。常见照度勒克司 ：直射正午下, 110,000阴天室外, 1000商场, 500阴天有窗室, 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,涉与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*COS3B 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，那么选择什么光源 和功率？答：根据公式推出 光通量L=(E/ C0S3B )*照射面积S*垂

10、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。备注： 衡量公路路灯的两个重要指标就是： 平均照度、 照度均匀度 =最小照度 /平均照度 根据?城市道路照明设计标准?要求，常见公路的照度与照度均匀度要求：道路类型 快速路、主干路平均照度照度均匀度20Lx< 0.4次干道10Lx< 0.35支路8Lx< 0.34、亮度L, Luminance，单位尼特nt。反映的是发光面或反射面光线

11、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

12、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。光亮度是指一个外表的明亮程度， 即从一个外表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，先后放上一白纸和黑纸，对 人眼而言其亮度差异是很大的。白纸的反射系数是80%，而黑纸的反射系数只有 3%。常见发光体的亮度尼特 ：红色激光指示器， 20,000,000,000太阳外表， 2,000,000,000白炽灯灯丝， 10,000,000下的白纸，

13、30,000人眼能习惯的亮度， 3,000满月外表， 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比照分析：照度与亮度 照射在某一单位面积外表上的入射光的总量，可用照度来反映； 假设从某一单位面积外表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， 要说那么一定指出是在什 么距离和照射面积下。小结：光通量、光强、亮度和照度的关系简单归纳如下：光通量除以单位立体角等于光强； 光通量除以单位面积等于照度； 光强除以单位面

14、积等于亮度。 用一个简单图来表示：5、色温 Correlated Color Temperature, CCT即通过开尔文温度表示的黑体的温度来表示颜色。我们知道， 通常人眼所见到的光线， 是由 7 种色光的光谱所组成。 但其中有些光线偏蓝，有 些那么偏红，色温就是专门用来量度光线的颜色成分的。 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， 最为 科学。用以计算光线颜色成分的方法，是19世纪末由英国物理学家洛德开尔文所创立的，他制定出了一整套色温计算法， 而其具体设定的标准是基于以一黑体辐射器所发出来的波长。开尔文认为，根据 Ma

15、x 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。 假定某一纯黑物体， 能够将落在其上的所有热量吸收， 而没 有损失， 同时又能够将热量生成的能量全部以 “光的形式释放出来的话， 它便会因受到热 力的上下而变成不同的颜色。例如，当黑体受到的热力相当于500550 摄氏度时，就会变成暗红色，到1050 1150摄氏度时，就变成黄色 因而，光源的颜色成分是与该黑体所受的热力温度相对应的。只不过色温是用开尔文 (K) 色温单位来表示，而不是用摄氏温度 单位。 打铁过程中， 黑色的铁在炉温中逐渐变成红色，这便是黑体理论的最好例子。当黑体 受到的热力使它能够

16、放出光谱中的全部可见光波时， 它就变成白色， 通常我们所用灯泡的钨 丝就相当于这个黑体。色温计算法就是根据以上原理，用。 K 来表示受热钨丝所放射出光线 的色温。 根据这一原理， 任何光线的色温是相当于上述黑体散发出同样颜色时所受到的 “温 度。CIE 色座标上的黑体曲线显示黑体由红枣橙红枣黄枣黄白枣白枣蓝白的过程。黑体加温到出现与光源一样或接近光色时的温度， 定义为该光源的相关色温度， 称色温， 以绝对温度 K Kelvin，或称开氏温度为单位K=C +273.15。因此，黑体加热至呈现红色时温度约 为527C即800K,其他温度影响光色变化。光色愈偏蓝，色温愈高； 偏红那么色温愈低。 一天

17、当中日光的光色亦随时间变化： 日出 后40分钟光色较黄，色温3000K;下午雪白，上升至4800-5800K ;阴天正午时分那么约 6500K; 日落前光色偏红，色温又降至 2200K。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 一种准确的颜色比照， 故具一样色温值的二光源， 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，或在该光源下特体颜色的再现如何。再比方： 烛光， 1930K; 钨丝灯， 2760-2900K ; 荧光灯， 3000K;中午， 5400K。6、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

18、压钠灯的光线是橙黄色， 那么原先白色的物体在他的照射下也呈现橙黄色， 颜 色失真，那么显色性差。光源对于物体颜色显现的程度成为显色性， 也就是颜色逼真的程度， 显色性高的光源对 颜色的表现较好， 我们所看到的颜色也就较近自然原色。 显色性低的淘汰对颜色的表现较差， 我们所看到颜色偏差也较大。为何会有显色性上下之情形发生？其关键在于该光线之分光特性。可见光之波长在380nm至780nm之围，也就是我们在光谱中见到的红、橙、黄、绿、兰、靛、紫的围，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。 那么我们眼睛所看到的颜色也就较 为逼真。平均显色评价Re:在光源照射下的色彩的再现度的数值表示以RalOO为基准光。数值越低、与基准光差异越大，显色性愈低。7、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