照度、亮度、光通量和发光强度的关系

照度、亮度、光通量和发光强度的关系

2018-03-13 15:34:16 112

光度学与光相关的常用量有4个:发光强度、光通量、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。

1、发光强度(I、Intensity),单位坎德拉,即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),
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。
常见光源发光强度(cd):
太阳,2.8E27
高亮手电,10000
5mm超高亮LED,15

植物生长灯|LED组培灯|LED花期灯

2、光通量(F,Flux),单位流明,即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 = 4πI。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。

3、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,是另外一个相关的话题,是说1W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650nm的红色,1W的光仅相当于73流明,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。
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,那就是每瓦683流明。但如果有一半转换成555nm的光,另一半变成热量损失了,那效率就是每瓦341.5流明。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,20    日光灯,50   无极灯LVD,60      节能灯,60  太阳,94   钠灯,120

4、光照度(E,Illuminance),单位勒克斯即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。
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/ COS3θ)* 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

5、亮度(L,Luminance),单位尼特,即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

l       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;

l       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。