光度學的基本概念

前言字串3

? 經常發現一些愛好者對對光度學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？如何測量亮度？

? 本文將試圖以不失嚴格性的情況下盡量通俗的回答這些問題，因此，文中列舉了大量的例子，同時給出四個量之間的關系和轉換算法，這也是大多數光學書里所沒有的。

? 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)，字串6

? 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。字串1

? 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，是因為以前最早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，如果管芯完全一樣的兩個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。字串7

? 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。字串3

? 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字串4

? 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，則發出的光線越多字串2

? 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，更不是完全自然的東西，因為這種定義完全是根據人眼對光的響應而來的。字串1

? 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。對于人眼最敏感的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。這個是最大的光轉換效率，也是定標值，因為人眼對555nm的光最敏感。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。字串6

? 常見發光的大致效率（流明/瓦）字串1

? 白熾燈，15

? 白色LED，20

? 日光燈，50 字串7

? 太陽，94 字串1

? 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字串9

? 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，照度是最容易測量的了（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 字串2

? 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 字串7

? 4、一個綜合計算的例子。

? 一個普通40瓦的白熾燈泡，其發光效率大約是每瓦10流明，因此可以發出400流明的光。我們可以認為燈泡在空間上發光是均勻的，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 = 4π，就是半徑1米的球體的表面積（已經假設400流明的光是均勻分布在這個球體上的）。再假設被照射物體是某種綠色漫反射的，反射率是15%，那么，這個綠色物體被照射后就成為被動發光的，其表面亮度是15% * 32 / π = 1.5尼特。

? 　5、Q&A

? 問1、如何把LED的光會聚到一點？字串3

? 答1，這是不可能的。光學上有個定律，叫做像的亮度永遠不大于光源的亮度。

? LED是有發光面積的，因此有亮度，要是把全部或者大部分光會聚成很小的區域，其亮度就超過LED本身的亮度了，因此是不可能的。? 為了盡可能的會聚，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濟于事。?

? 問2，如果有一個電光源，可以把全部的電功率轉化成白色的可見光，理論上的效率有多高呢？

? 答2，上面已經說過，要根據白色光的光譜而定。對于太陽光來講，為94流明/瓦。CIE1931色度系統的光效是很差的，因為紅色選擇了700nm的長波。相比之下，CRT電視或者是LED 電視的光效就高得多，為300流明/瓦。字串4

? 問3，照度和被照物體的亮度有什么關系？

? 答3，亮度=反射率*照度/π 字串4

? 問4，激光為什么亮度高？字串7

? 答4，激光是在兩端嚴格平行的諧振腔內多次諧振而發射出來的，因此平行度非常高，發散角非常小。又因為亮度是單位立體角內所發出的光流，因此作為分母的立體角度就很小，亮度自然就高了。高亮度的激光體現在可以傳播非常遠而不發散，或者在近處可以會聚成非常小的光斑。

? 問5，如何測量手電或者LED的發光強度？字串3

? 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向下照射測得照度的勒克司值，就是其發光強度的cd值。