有關(guān)光度的知識(shí)

有關(guān)光（光度學(xué)）的幾個(gè)基本概念0、前言經(jīng)常發(fā)現(xiàn)一些愛(ài)好者對(duì)對(duì)光度學(xué)的一些基本概念比較模糊，比如到底什么是亮度？衡量亮度的單位是什么？如何測(cè)量亮度？本文將試圖以不失嚴(yán)格性的情況下盡量通俗的回答這些問(wèn)題，因此，文中列舉了大量的例子，同時(shí)給出四個(gè)量之間的關(guān)系和轉(zhuǎn)換算法，這也是大多數(shù)光學(xué)書(shū)里所沒(méi)有的。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。圖：光度學(xué)測(cè)量?jī)x器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(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(shuō)，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(lái)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)?，F(xiàn)在LED也用這個(gè)單位來(lái)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(lái)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(lái)的說(shuō)法。用發(fā)光強(qiáng)度來(lái)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(lái)達(dá)到，而是把鏡頭加長(zhǎng)照射角度變窄來(lái)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(lái)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(shuō)，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(jiàn)下）來(lái)表示手電了。以上我們說(shuō)''亮〃和''亮度〃時(shí)帶了引號(hào)，是因?yàn)檫@是我們常規(guī)說(shuō)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(kāi)。常見(jiàn)光源發(fā)光強(qiáng)度（cd）：太陽(yáng)，2.8E27高亮手電，100005mm超高亮LED，15圖：LED的發(fā)光強(qiáng)度的測(cè)量，測(cè)量值不能轉(zhuǎn)換成光通量lm。BeamIntensity Beamintensity（W/sr,cd）samplesonlythepeakof■ |Xthebeam,andcannotbeI 二邛二convertedtototalflux *IunitsasintheaboveJ） measurementgeometry.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=4nL也就是說(shuō)，若光源的I為1cd，則總光通量為4n=12.56lm。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(lái)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(lái)的。人眼對(duì)不同顏色的光的感覺(jué)是不同的，此感覺(jué)決定了光通量與光功率的換算關(guān)系。對(duì)于人眼最敏感的555nm的黃綠光，1W=683lm，也就是說(shuō)，1W的功率全部轉(zhuǎn)換成波長(zhǎng)為555nm的光，為683流明。這個(gè)是最大的光轉(zhuǎn)換效率，也是定標(biāo)值，因?yàn)槿搜蹖?duì)555nm

的光最敏感。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(shuō)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=20lm就很不錯(cuò)了，其余的都成為熱量或紅外線了。測(cè)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(jiàn)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(yáng)，94鈉燈，120圖：人眼對(duì)不同顏色光的相對(duì)響應(yīng)曲線，主線為正常的明視覺(jué)，左邊的曲線是暗視覺(jué)曲線（比較暗的場(chǎng)合下）1-脩)0.1-0.C1-1e-3-1e-4-400 500 600700(nm)1e-5-400 500 600700(nm)Fig.2.3CIEPhotopicardScatapicsensitivitycurves.圖：用積分球測(cè)量LED的光通量

LEDMeasurementTotalFlux&MeanSphericalIntensity圖：典型白色LED發(fā)光光譜Anintegratingspherecanbecelibratedtomedsurethetotalfluxintothesphere:叫Im)ormeansphericalintensity(W/sr,cd)Bydefinition,4冗w二1w/snaid4?：圖：典型白色LED發(fā)光光譜I.0(180.60.40.2I.0(180.60.40.2U.U350￡。045050055050065。700753U.U350WcvcIongLh(nm)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(wú)關(guān)。一個(gè)流明的光，均勻射到1m2的物體上，照度就是1lx。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200lx。陽(yáng)光下的照度是自然界里面很大的也很常見(jiàn)的了，為11萬(wàn)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。常見(jiàn)照度（勒克司）：陽(yáng)光直射（正午）下，110,000陰天室外，1000商場(chǎng)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圖：常見(jiàn)照度計(jì)4、亮度（L，Luminance），單位尼特，艮口nt。定義：?jiǎn)挝还庠疵娣e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)面光源而言的。無(wú)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(lái)到底有多''亮〃的意思。這個(gè)多''亮〃，與取多少面積無(wú)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(shuō)法。事實(shí)上，點(diǎn)光源是沒(méi)有亮度概念的。另外，發(fā)光面的亮度與距離無(wú)關(guān)，但與觀察者的方向有關(guān)。說(shuō)一個(gè)手電彳艮''亮"，并不是說(shuō)該手電的亮度高（因?yàn)槭蛛娛菦](méi)有亮度概念的），而是說(shuō)其發(fā)光強(qiáng)度大，或者是說(shuō)被它照射的物體亮。說(shuō)一個(gè)星星（點(diǎn)光源）很亮，并非是說(shuō)其亮度高，而是說(shuō)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，盡管其功率很小，但可會(huì)聚程度非常高，因此亮度非常高。常見(jiàn)發(fā)光體的亮度（尼特）：紅色激光指示器，20,000,000,000太陽(yáng)表面，2,000,000,000白熾燈燈絲，10,000,000陽(yáng)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(wú)月夜空，0.0001圖：兩款攝影用測(cè)光表，可以測(cè)量亮度L-508&L?508U?ZoomMaster5、一個(gè)綜合計(jì)算的例子。一個(gè)普通40瓦的白熾燈泡，其發(fā)光效率大約是每瓦10流明，因此可以發(fā)出400流明的光。我們可以認(rèn)為燈泡在空間上發(fā)光是均勻的，那么距離該燈泡1米處，其照度為400/12.56=32勒克司。其中12.56=4n，就是半徑1米的球體的表面積（已經(jīng)假設(shè)400流明的光是均勻分布在這個(gè)球體上的）。再假設(shè)被照射物體是某種綠色漫反射的，反射率是15%，那么，這個(gè)綠色物體被照射后就成為被動(dòng)發(fā)光的，其表面亮度是15%*32/n=1.5尼特。圖：某公司的光度測(cè)量?jī)x器，高靈敏、高準(zhǔn)確、多用途。6、Q&A問(wèn)1、如何把LED的光會(huì)聚到一點(diǎn)？答1，這是不可能的。光學(xué)上有個(gè)定律，叫做像的亮度永遠(yuǎn)不大于光源的亮度。LED是有發(fā)光面積的，因此有亮度，要是把全部或者大部分光會(huì)聚成很小的區(qū)域，其亮度就超過(guò)LED本身的亮度了，因此是不可能的。為了盡可能的會(huì)聚，只能增大反光碗/聚光鏡的尺度。用組合透鏡或者其它辦法無(wú)濟(jì)于事。問(wèn)2,如果有一個(gè)電光源，可以把全部的電功率轉(zhuǎn)化成白色的可見(jiàn)光，理論上的效率有多高呢？答2,上面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，要根據(jù)白色光的光譜而定。對(duì)于太陽(yáng)光來(lái)講，為94流明/瓦。CIE1931色度系統(tǒng)的光效是很差的，因?yàn)榧t色選擇了700nm的長(zhǎng)波。相比之下，CRT電視或者是LED電視的光效就高得多，大約為240流明/瓦。問(wèn)3,照度和被照物體的亮度有什么關(guān)系？答3,亮度=反射率*照度/n問(wèn)4,激光為什么亮度高？答4,激光是在兩端嚴(yán)格平行的諧振腔內(nèi)多次諧振而發(fā)射出來(lái)的，因此平行度非常高，發(fā)散角非常小。又因?yàn)榱炼仁菃挝涣Ⅲw角內(nèi)所發(fā)出的光流，因此作為分母的立體角度就很小，亮度自然就高了。高亮度的激光體現(xiàn)在可以傳播非常遠(yuǎn)而不發(fā)散，或者在近處可以會(huì)聚成非常小的光斑。問(wèn)5,如何測(cè)量手電或者LED的發(fā)光強(qiáng)度？答5,在黑暗中把照度表的探頭放到地上，距離1米處的把手電或LED向下照射測(cè)得照度的勒克司值，就是其發(fā)光強(qiáng)度的cd值。問(wèn)6，如何用照度計(jì)測(cè)量亮度？答6,亮度計(jì)和照度計(jì)是兩個(gè)東西，不能直接替代的。亮度計(jì)是測(cè)量發(fā)光體的亮度的，而照度計(jì)是測(cè)量被照射地點(diǎn)的照度的。但是，如果想知道比較大一些面積的發(fā)光體比如燈箱的亮度，同時(shí)這個(gè)物體觸手可得，那么可以用照度計(jì)的探頭直接貼在發(fā)光體上，讀出勒克司值后再乘上一個(gè)系數(shù)，就是亮度的尼特值。問(wèn)7，如何測(cè)量一個(gè)燈泡的發(fā)光效率？答7,可以用照度表，黑天在室外找一個(gè)相對(duì)較暗且空曠的地點(diǎn)，需要一個(gè)比較穩(wěn)定的電源和照度表。空曠的目的是不要有反射光照射到照度表上，因此測(cè)試時(shí)身體盡量遠(yuǎn)離燈泡和照度表，照度表表頭距離燈泡中心1m處測(cè)得照度值為E，則效率=4*n*E/N結(jié)果單位是流明/瓦，其中N為燈泡功率例如燈泡為N=40W，讀數(shù)為E=35.0lx，那么效率就是12.56*35/40=11流明/瓦圖：激光由于等效發(fā)光點(diǎn)小、發(fā)散小，因此亮度非常高

圖文解析LED路燈光效定義國(guó)內(nèi)很多LED路燈廠家在技術(shù)參數(shù)說(shuō)明上，為了宣稱自己產(chǎn)品的高光效，往往把芯片的初始光通除以光源的消耗電功率得出比值，作為產(chǎn)品高光效的數(shù)據(jù)。其實(shí)這樣做是混淆概念的。為了讓大家明白，下面我把這兩個(gè)概念解釋一下：1.初始光通量（Initialluminousflux）是每單位時(shí)間到達(dá)、離開(kāi)或通過(guò)曲面的光能數(shù)量，單位：流明（lm）。光通量通常用①來(lái)表示。2.實(shí)際光通量（Actualluminousflux）是指打開(kāi)照明設(shè)備時(shí)，光能從光源發(fā)出，穿越照明設(shè)備（如透鏡或燈罩等），直到它到達(dá)需要它的工作平面為止的光能數(shù)量。我們稱到達(dá)工作平面的光通量為實(shí)際光通量。通過(guò)以上兩點(diǎn)的介紹，可以知道，實(shí)際光通量的數(shù)值要小于初始光通量。見(jiàn)下圖。透鏡燈蚩等透鏡燈蚩等由光通的定義，我們緊接著引出另一個(gè)重要的概念：光效。光效（Efficacy）是光源發(fā)出的總光通量與該光源消耗的電功率的比值，單位：流明/瓦（lm/w）。因有初始光通量與實(shí)際光通量?jī)煞N數(shù)據(jù)，所以光效也就有了初始光效與實(shí)際光效兩種不同的數(shù)據(jù)。我們知道，''十城萬(wàn)盞工程〃之所以大力推廣LED路燈，完全是節(jié)能減碳的需要。芯片的初始光通量經(jīng)過(guò)透鏡燈罩，到達(dá)路面能為行人車輛起照明作用的，也就是實(shí)際光通量。我們需要的是由實(shí)際光通量帶來(lái)的高光效，并非需要初始光通量帶來(lái)的高光效。現(xiàn)在LED路燈行業(yè)，盲目的推廣初始光通量的高光效，很多廠家在這里面也起到了推波助瀾的作用。某些商家打出了120lm/w的高光效LED路燈，世界第一光效LED路燈等宣傳口號(hào)。導(dǎo)致這種局面出現(xiàn)的原因，正是由于國(guó)家或行業(yè)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)未制定，相關(guān)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)未實(shí)施。另外，雖然有些地方出臺(tái)了地方標(biāo)準(zhǔn)，譬如廣東的DB44標(biāo)準(zhǔn)，深圳LED規(guī)范等等，但是，標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一。就拿DB44來(lái)說(shuō)，規(guī)定對(duì)于適用在高速主干道上的LED路燈，在4000K~6500K色溫前提下，I類標(biāo)準(zhǔn)是不得小于78lm/w；深圳規(guī)范定義初始光效最高不得小于60lm/w，但是深圳規(guī)范額外提及能效等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是：I級(jí)能效最低不得小于80lm/w.DB44與深圳規(guī)范都已經(jīng)按地方的實(shí)際情況發(fā)布，可以看出，各地的差異還是比較大的。所以，國(guó)家應(yīng)盡早制定統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一各項(xiàng)規(guī)范，這樣，各個(gè)地區(qū)才會(huì)有章可循。雖然國(guó)內(nèi)對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一尚在研討，但是國(guó)外在2009年12月3日，經(jīng)過(guò)發(fā)布三次草案后，美國(guó)能源部DOE出臺(tái)了能源之星LED燈具標(biāo)準(zhǔn)的最終版本，要求于2010年8月31日生效。為此，我們翻閱了大量的資料進(jìn)行研讀。美國(guó)能源部DOE在2009年7月1日發(fā)布的關(guān)于三種SSL燈具性能標(biāo)準(zhǔn)的第二稿草案，指出其他指標(biāo)尚不能充分測(cè)量出燈具的能效。因此草案提出了一種新的度量指標(biāo)——特定目標(biāo)效能FTE(FittedTargetEfficacy)。并要求戶外道路照明燈具最低的光輸出要達(dá)到1000lm(初始光通量)。FTE將'、目標(biāo)照亮區(qū)域〃作為研究對(duì)象。因此，F(xiàn)TE就有了兩個(gè)關(guān)鍵假定：1.矩形分布可覆蓋最大區(qū)域，比圓形分布更加有效。見(jiàn)下圖。2.白色圓圈是光源，綠色部分是目標(biāo)照明區(qū)域被有效照