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

來源:深圳市恩慈電子有限公司   2007年11月08日 13:50  

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,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,對于其它動物可能就不一樣的,更不是*自然的東西,因?yàn)檫@種定義*是根據(jù)人眼對光的響應(yīng)而來的。
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(guān)系。對于人眼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?55nm的光zui敏感。對于其它顏色的光,比如650nm的紅色,1W的光僅相當(dāng)于73流明,這是因?yàn)槿搜蹖t光不敏感的原因。對于白色光,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。亮度是針對光源而言,而且不是對點(diǎn)光源,是對面光源而言的。無論是主動發(fā)光的還是被動(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

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