发布时间:2021-09-17 05:45:05

光通量、发光强度、照度、亮度、色温等概念

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  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基本粒子组成,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(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 = 4π I。也就 是说,若光源的 I 为 1cd,则总光通量为 4π =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。 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),表示光源在某球面度立体角(该物体表面对点光源形成的角)内发射出 1lm 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℃)时,沿垂直方向的发光强度为 1 坎德拉(Candela,简写 cd) 。或者:发射 540 ×1012Hz(波长 555nm)频率单色光,在指定方向的光线W/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,是在人的视觉基础上建立起来的。 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。 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。 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 增加到 73cd。 常见光源发光强度(cd) : 太阳,2.8E27 高亮手电,10000 5mm 超高亮 LED,15 3、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。 为了对照度的量有一个感性的认识,下面举一例进行计算,一只 100W 的白炽灯,其发 出的总光通量约为 1200Lm,若假定该光通量均匀地分布在一半球面上,则距该光源 1m 和 5m 处的光照度值可分别按下列步骤求得: 半径为 1m 的半球面积为 2π ×12=6.28 m2,距光 源 1m 处的光照度值为: 1200Lm/6.28 m2=191Lux。 同理,半径为 5m 的半球面积为 :2 π × 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) : 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) )*COS3θ (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? 答 : 根 据 公 式 推 出 光 通 量 L=(E/ COS3 θ )* 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。 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,常见公路的照度及照度均匀度要求: 道路类型 平均照度 照度均匀度 快速路、主干路 20Lx ≤0.4 次干道 10Lx ≤0.35 支路 8Lx ≤0.3 4、亮度(L,Luminance) ,单位尼特(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%。 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。 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 种色光的光谱所组成。但其中有些光线偏蓝,有 些则偏红,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 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 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。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 力的高低而变成不同的颜色。例如,当黑体受到的热力相当于 500—550 摄氏度时,就会变 成暗红色, 到 1050 一 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, 通常我们所用灯泡内 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,以绝对温度 K(Kelvin,或称开氏温度)为单位(K=℃+273.15) 。因此,黑体加热至呈现红色时温度约为 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; 下午阳光雪白, 上升至 4800-5800K; 阴天正午时分则约 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,或在该光源下特体颜色的再现如何。 再比如: 烛光, 1930K; 钨丝灯, 2760-2900K; 荧光灯, 3000K; 中午阳光, 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。 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。 为何会有显色性高低之情形发生?其关键在于该光线之”分光特性” 。可见光之波长在 380nm 至 780nm 之范围内,也就是我们在光谱中见到的红、橙、黄、绿、兰、靛、紫的范 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。 则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 Ra100 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,是另外一个相关的线W 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 1W 的 650nm 的红色光,对于人眼的感觉仅相当于 73 流明的 555nm 光,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。(这里其实解释了“冷白”的 LED 灯珠比相同型号的“中白”看起来要亮一些的 原因。其实二者光效差别不大,只是人眼对二者的敏感度不同,冷白更刺眼而已,是一种假 亮) 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 683 流明/瓦。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 341.5 流明/瓦。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:120 日光灯:50 无极灯 LVD:60 节能灯:60 太阳:94 钠灯:120。 (LED 的光效已经超过太阳了?!是的,没错,但是也不过如此,还是远远不能满足我 们的需要。你也就理解了筒友们为什么要疯狂地追求光通量和照度了:-D)

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