有關(guān)發(fā)光強(qiáng)度、光通量、照度、亮度的簡單介紹

0、前言

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)。
現(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)橐郧皕ui早LED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*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值的LED并非提高自身的發(fā)射效率來達(dá)到，而是把鏡頭加長照射角度變窄來實(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，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(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(shí)帶了引號(hào)，是因?yàn)檫@是我們常規(guī)說的亮度，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。

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

2、光通量（F，F(xiàn)lux），單位流明，即lm。

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 =12.56 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*自然的東西，因?yàn)檫@種定義*是根據(jù)人眼對(duì)光的響應(yīng)而來的。
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zui敏感的555nm的黃綠光，1W = 683 lm，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zui大的光轉(zhuǎn)換效率，也是定標(biāo)值，因?yàn)槿搜蹖?duì)555nm的光zui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?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。

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。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。測量一個(gè)不規(guī)則發(fā)光體的光通量，要用到積分球，比較專業(yè)而復(fù)雜。

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

3、光照度（E，Illuminance），單位勒克斯即lx（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。照度的測量，用照度表，或者叫勒克斯表、lux表。事實(shí)上，照度是zui容易測量的了（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，在不同場所下到底要多大的照度都有規(guī)定，例如機(jī)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(shí)測）。我剛才測量了一下，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。

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

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(nèi)所發(fā)出的光流
解釋：這個(gè)是zui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。無論是主動(dòng)發(fā)光的還是被動(dòng)（反射）發(fā)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(gè)多“亮”，與取多少面積無關(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”這樣的說法。事實(shí)上，點(diǎn)光源是沒有亮度概念的。另外，發(fā)光面的亮度與距離無關(guān)，但與觀察者的方向有關(guān)。說一個(gè)手電很“亮”，并不是說該手電的亮度高（因?yàn)槭蛛娛菦]有亮度概念的），而是說其發(fā)光強(qiáng)度大，或者是說被它照射的物體亮。說一個(gè)星星（點(diǎn)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(jià)發(fā)光面積和發(fā)射的會(huì)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(fā)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(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
無月夜空，0.0001