有关光（光度学）的几个基本概念

引用城市猎人的有关光（光度学）的几个基本概念

0、前言

经常发现一些爱好者对对光度学的一些基本概念比较模糊，比如到底什么是亮度？衡量亮度的单位是什么？如何测量亮度？
本文将试图以不失严格性的情况下尽量通俗的回答这些问题，因此，文中列举了大量的例子，同时给出四个量之间的关系和转换算法，这也是大多数光学书里所没有的。

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。

图：光度学测量仪器

1、发光强度（I、Intensity），单位坎德拉，即cd。
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

图：LED的发光强度的测量，测量值不能转换成光通量lm。

2、光通量（F，Flux），单位流明，即lm。
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。
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。

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。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
太阳，94
钠灯，120

图：人眼对不同颜色光的相对响应曲线，主线为正常的明视觉，左边的曲线是暗视觉曲线（比较暗的场合下）

图：典型白色LED发光光谱

3、光照度（E，Illuminance），单位勒克斯即lx（以前叫lux）。
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

图：常见照度计

4、亮度（L，Luminance），单位尼特，即nt。
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
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。比如激光指示器，尽管其功?苄。苫峋鄢潭确浅８撸虼肆炼确浅８摺?/P>

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

图：两款摄影用测光表，可以测量亮度

5、一个综合计算的例子。
一个普通40瓦的白炽灯泡，其发光效率大约是每瓦10流明，因此可以发出400流明的光。我们可以认为灯泡在空间上发光是均匀的，那么距离该灯泡1米处，其照度为400/12.56=32勒克司。其中12.56 = 4π，就是半径1米的球体的表面积（已经假设400流明的光是均匀分布在这个球体上的）。再假设被照射物体是某种绿色漫反射的，反射率是15%，那么，这个绿色物体被照射后就成为被动发光的，其表面亮度是15% * 32 / π = 1.5尼特。

图：某公司的光度测量仪器，高灵敏、高准确、多用途。

6、Q&A
问1、如何把LED的光会聚到一点？
答1，这是不可能的。光学上有个定律，叫做像的亮度永远不大于光源的亮度。
LED是有发光面积的，因此有亮度，要是把全部或者大部分光会聚成很小的区域，其亮度就超过LED本身的亮度了，因此是不可能的。
为了尽可能的会聚，只能增大反光碗/聚光镜的尺度。用组合透镜或者其它办法无济于事。

问2，如果有一个电光源，可以把全部的电功率转化成白色的可见光，理论上的效率有多高呢？
答2，上面已经说过，要根据白色光的光谱而定。对于太阳光来讲，为94流明/瓦。CIE1931色度系统的光效是很差的，因为红色选择了700nm的长波。相比之下，CRT电视或者是LED 电视的光效就高得多，为300流明/瓦。

问3，照度和被照物体的亮度有什么关系？
答3，亮度=反射率*照度/π

问4，激光为什么亮度高？
答4，激光是在两端严格平行的谐振腔内多次谐振而发射出来的，因此平行度非常高，发散角非常小。又因为亮度是单位立体角内所发出的光流，因此作为分母的立体角度就很小，亮度自然就高了。高亮度的激光体现在可以传播非常远而不发散，或者在近处可以会聚成非常小的光斑。

问5，如何测量手电或者LED的发光强度？
答5，在黑暗中把照度表的探头放到地上，距离1米处的把手电或LED向下照射测得照度的勒克司值，就是其发光强度的cd值。

问6，如何用照度计测量亮度？
答6，亮度计和照度计是两个东西，不能直接替代的。亮度计是测量发光体的亮度的，而照度计是测量被照射地点的照度的。但是，如果想知道比较大一些面积的发光体比如灯箱的亮度，同时这个物体触手可得，那么可以用照度计的探头直接贴在发光体上，读出勒克司值后再乘上一个系数，就是亮度的尼特值。

问7，如何测量一个灯泡的发光效率？
答7，可以用照度表，黑天在室外找一个相对较暗且空旷的地点，需要一个比较稳定的电源和照度表。空旷的目的是不要有反射光照射到照度表上，因此测试时身体尽量远离灯泡和照度表，照度表表头距离灯泡中心1m处测得照度值为E，则
效率 = 4 * π * E / N，结果单位是流明/瓦，其中N为灯泡功率
例如灯泡为N=40W，读数为E=35.0 lx，那么效率就是 12.56 * 35 / 40 = 11流明/瓦

图：激光由于等效发光点小、发散小，因此亮度非常高