有關發光強度、光通量、照度、亮度的簡單介紹

有關發光強度、光通量、照度、亮度的簡單介紹

0、前言

光度學與光相關的常用量有4個：發光強度、光通量、照度、亮度。這4個量盡管是相關的，但為不同的，不能相混。正像壓力、重力、壓強、質量是不同的物理量一樣。

1、發光強度（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射的光通量定義為光源在該方向的(發)光強(度)，
解釋：發光強度是針對點光源而言的，或者發光體的大小與照射距離相比比較小的場合。這個量是表明發光體在空間發射的會聚能力的。可以說，發光強度就是描述了光源到底有多“亮”，因為它是光功率與會聚能力的一個共同的描述。發光強度越大，光源看起來就越亮，同時在相同條件下被該光源照射后的物體也就越亮，因此，早些時候描述手電都用這個參數。
現在LED也用這個單位來描述，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，是因為以前zui早LED比較暗，比如1984年標準5mm的LED其發光強度才0.005cd，因此才用mcd表示，現在LED都很厲害了，但還是沿用原來的說法。
用發光強度來表示“亮度”的缺點是，如果管芯*一樣的兩個LED，會聚程度好的發光強度就高。因此，購買LED的時候不要一味追求高I值，還要看照射角度。很多高I值的LED并非提高自身的發射效率來達到，而是把鏡頭加長照射角度變窄來實現的，這盡管對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，因為透鏡越大會聚特性就越好。
之所以用發光強度來表示手電或LED，是因為在相同距離下對被照射地的照度是與這個成正比的。特別的說，距離1m的lx就是cd值。但是，很多場合下我們需要照射面積大一些，所以只用發光強度這一特性還不能全面反應手電的能力。比如，同樣的筒身，換個大頭（大反光杯）則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）來表示手電了。

以上我們說“亮”和“亮度”時帶了引號，是因為這是我們常規說的亮度，并非光度學嚴格意義上的亮度，這一單位后面會展開。

常見光源發光強度（cd）：
太陽，2.8E27
高亮手電，10000
5mm超高亮LED，15

2、光通量（F，Flux），單位流明，即lm。

定義：光源在單位時間內發射出的光量稱為光源的發光通量
解釋：同樣，這個量是對光源而言，是描述光源發光總量的大小的，與光功率等價。光源的光通量越大，則發出的光線越多
對于各向同性的光（即光源的光線向四面八方以相同的密度發射），則 F = 4πI。也就是說，若光源的I為1cd，則總光通量為4π =12.56 lm。與力學的單位比較，光通量相當于壓力，而發光強度相當于壓強。要想被照射點看起來更亮，我們不僅要提高光通量，而且要增大會聚的手段，實際上就是減少面積，這樣才能得到更大的強度。
要知道，光通量也是人為量，對于其它動物可能就不一樣的，更不是*自然的東西，因為這種定義*是根據人眼對光的響應而來的。
人眼對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系。對于人眼zui敏感的555nm的黃綠光，1W = 683 lm，也就是說，1W的功率全部轉換成波長為555nm的光，為683流明。這個是zui大的光轉換效率，也是定標值，因為人眼對555nm的光zui敏感。對于其它顏色的光，比如650nm的紅色，1W的光僅相當于73流明，這是因為人眼對紅光不敏感的原因。對于白色光，要看情況了，因為很多不同的光譜結構的光都是白色的。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。

至于電光源的發光效率，是另外一個相關的話題，是說1W的電功率到底能轉化成多少光通量。如果全部轉換成555nm的光，那就是每瓦683流明。但如果有一半轉換成555nm的光，另一半變成熱量損失了，那效率就是每瓦341.5流明。白熾燈能達到1W=20 lm就很不錯了，其余的都成為熱量或紅外線了。測量一個不規則發光體的光通量，要用到積分球，比較專業而復雜。

常見發光的大致效率（流明/瓦）
白熾燈，15
白色LED，20
日光燈，50
太陽，94
鈉燈，120

3、光照度（E，Illuminance），單位勒克斯即lx（以前叫lux）。

定義：1流明的光通量均勻分布在1平方米表面上所產生的光照度
解釋：光照度是對被照地點而言的，但又與被照射物體無關。一個流明的光，均勻射到1m2的物體上，照度就是1 lx。照度的測量，用照度表，或者叫勒克斯表、lux表。事實上，照度是zui容易測量的了（相對其它三個量），照度表很便宜就可以買到（幾百元）。為了保護眼睛便于生活和工作，在不同場所下到底要多大的照度都有規定，例如機房不得低于200 lx。陽光下的照度是自然界里面很大的也很常見的了，為11萬lx左右（自己實測）。我剛才測量了一下，房間是3.8mx6.5m，有12個20W的日光燈管，桌面照度為400勒克司。

常見照度（勒克司）：
陽光直射（正午）下，110,000
陰天室外，1000
商場內，500
陰天有窗室內，100
普通房間燈光下，100
滿月照射下，0.2

4、亮度（L，Luminance），單位尼特，即nt。

定義：單位光源面積在法線方向上，單位立體角內所發出的光流
解釋：這個是zui容易被誤解的概念了。亮度是針對光源而言，而且不是對點光源，是對面光源而言的。無論是主動發光的還是被動（反射）發光的。亮度是一塊比較小的面積看起來到底有多“亮”的意思。這個多“亮”，與取多少面積無關，但為了均勻，我們把面積取得比較小，因此才會出現“這一點的亮度”這樣的說法。事實上，點光源是沒有亮度概念的。另外，發光面的亮度與距離無關，但與觀察者的方向有關。說一個手電很“亮”，并不是說該手電的亮度高（因為手電是沒有亮度概念的），而是說其發光強度大，或者是說被它照射的物體亮。說一個星星（點光源）很亮，并非是說其亮度高，而是說其星等高而已。亮度不僅取決于光源的光通量，更取決于等價發光面積和發射的會聚程度。比如激光指示器，盡管其功?芐。苫峋鄢潭確淺８擼虼肆煉確淺８摺?/P>

常見發光體的亮度（尼特）：
紅色激光指示器，20,000,000,000
太陽表面，2,000,000,000
白熾燈燈絲，10,000,000
陽光下的白紙，30,000
人眼能習慣的亮度，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
無月夜空，0.0001