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發(fā)光強(qiáng)度/光通量/光照度/亮度/坎德拉/流明/勒克斯/尼特之間的關(guān)系和換算

 天涯天涯2 2021-10-26

一、 發(fā)光強(qiáng)度(Intensity,簡(jiǎn)寫為I)

1. 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。它是點(diǎn)光源的固有屬性,表征發(fā)光體在空間發(fā)射的匯聚能力的??梢哉f,發(fā)光強(qiáng)度就是描述了光源到底有多亮。

2. 單位

坎德拉,即cd。

3. 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(chǎng)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??梢哉f,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)。
1cd是指單色光源(頻率540X10ˇ12HZ,波長(zhǎng)0.550微米)的光,在給定方向上(該方向上的輻射強(qiáng)度為(1/683)瓦特/球面度))的單位立體角內(nèi)發(fā)出的發(fā)光強(qiáng)度。球面度是一個(gè)立體角,其定點(diǎn)位于球心,而他在球面上所截取的面積等于以球的半徑為邊長(zhǎng)的正方形面積。光源輻射是均勻時(shí),則光強(qiáng)為I=F/Ω,Ω為立體角,單位為球面度(sr),F(xiàn)為光通量,單位是流明,對(duì)于點(diǎn)光源則I=F/4。
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)橐郧白钤鏛ED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,如果管芯完全一樣的兩個(gè)LED,會(huì)聚程度好的發(fā)光強(qiáng)度就高。因此,購(gòu)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(zhǎng)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(chǎng)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。

4. 示例

太陽:2.8E27 cd;
高亮手電:10000 cd;
5mm超高亮LED:15 cd;

二、 光通量(Flux,簡(jiǎn)寫為F)

1. 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。它是光源的固有屬性,是單位時(shí)間內(nèi)光源輻射的總能量,即光功率。

2. 單位

流明,即lm。

3. 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,更不是完全自然的東西,因?yàn)檫@種定義完全是根據(jù)人眼對(duì)光的響應(yīng)而來的。

4. 示例

40W的普通白熾燈的標(biāo)稱光通量為360 lm;
40W日光色熒光燈的標(biāo)稱光通量為2100 lm;
400W標(biāo)準(zhǔn)型高壓鈉燈的光通量可達(dá)48000 lm;

三、 光照度(Illuminance,簡(jiǎn)寫為E)

1. 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。它從另一個(gè)角度來反映光源亮不亮。

2. 單位

勒克斯即lx(以前叫l(wèi)ux)。

3. 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(cè)量,用照度表,或者叫勒克斯表、lux表。事實(shí)上,照度是最容易測(cè)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(chǎng)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(cè))。我剛才測(cè)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。

4. 示例

陽光直射(正午)下:110,000 lx;
陰天室外:1000 lx;
商場(chǎng)內(nèi):500 lx;
陰天有窗室內(nèi):100 lx;
普通房間燈光下:100 lx;
滿月照射下:0.2 lx;

四、 亮度(Luminance,簡(jiǎn)寫為L(zhǎng))

1. 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,也叫單位面積發(fā)光面的光照強(qiáng)度(坎德拉/平米)。它反映的是發(fā)光面或反射面光線進(jìn)入到人眼里面時(shí)的感受亮不亮。

2. 單位

尼特,即nt,或者nit。等同于cd/m2。

3. 解釋

這個(gè)是最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(包括發(fā)光面和反射面)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(人眼的感受)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。
光亮度是指一個(gè)表面的明亮程度,即從一個(gè)表面出來或反射出來的光通量,而不同的物體有不同的反射系數(shù)(或吸收系數(shù)),例如在同一照度的地方,先后放上一張白紙和黑紙,對(duì)人眼而言其亮度差別是很大的。白紙的反射系數(shù)是80%,而黑紙的反射系數(shù)只有3%。

4. 示例

紅色激光指示器:20,000,000,000 nt;
太陽表面:2,000,000,000 nt;
白熾燈燈絲:10,000,000 nt;
陽光下的白紙:30,000 nt;
人眼能習(xí)慣的亮度:3,000 nt;
滿月表面:2,500 nt;
人眼能比較好的分辨出顏色的亮度:1 nt;
滿月下的白紙:0.07 nt;
無月夜空:0.0001 nt;

五、 彼此間的換算

1lux=1lm/m2
1nt=1cd/m2

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