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LED光度学基本知识

 

鉴于LED是新型光源,部分消费者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?本公司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,下面例举了大量的例子,同时给出四个量之间的关系和转换算法,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。

光强度是光源在给定方向的单位立体角内辐射的光通量,1坎德拉表示在单位立体角内辐射出1流明的光通量。

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。

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l值,还要看照射角度。很多高l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l值就比3mm的大一倍多,但只有直径10mm的1/4,因为透镜越大会聚光性就越好。

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l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。

常见光源发光强度(cd)

高亮手电,10000

5mm超高亮LED,15

 

  1. 光通量(F, Flux)单位流明,即lm

光通量是由光源向各个方向射出的光功率,也即每一单位时间射出的光能量。

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=4πl。也就是说,若光源的l为1cd,则总光通量为4π=12.56lm。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。

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=20lm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。

 

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

  光照度是从光源照射到单位面积上的光通量,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。

  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1㎡的物体上,照度就是1lx。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200lx。阳光下的照度是自然界里面很大的也是很常见的了,为11万lx左右(自己实测)。我刚才测量了一下,房间是3.8m×6.5m,有12个20W的日光灯管,桌面照度为400勒克斯。

常见照度(勒克斯)

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

 

 

光的定义

光是我们通过视觉与外界交流的媒介。如果没有光,我们将无法感知客观世界的一切。光是一种能量,这种能量能从一种物体传播到另外一种物体表面。其传播的形式是以直线方式进行传播。光可分为可见光和不可见光。人眼能够识别的电磁波谱,即波长为380-780nm之间的为可见光。除了可见光以外的电磁波谱我们称为不可见光,如紫外线和红外线。

光通量

光源在单位时间内发出的光线称为光源的光通量,用Φ表示,单位名称:lm(流明)。

光强

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光强度,用l表示。l=特定角度的光通量Φ÷特定角度Ω。

亮度

发光体在某特定方向上单位立体角单位面积内的光通量。用L表示。L=l/S,坎德拉/米²,又叫辉度。

照度

单位面积上受到的光通量,用E表示。勒克斯(Lx)

E=dΦ/dS(Lm/㎡) E=l/R²(R=光源被照平面的距离)

色温

当某一种光源(热辐射光源)发出的光颜色与某一温度下的完全辐射体(黑体)的产生的光颜色,完全相同时,完全辐射体(黑体)的温度,简称色温(K)。色温是用来描述某发光体发出光线颜色的一个参数。典型色温:白炽灯2800K,正午太阳光5500K。

显色性

  指的是某照明光源对物体色表(该物体本身颜色或质感)的影响,该影响是由于观察者有意识或无意识地将它与参比光源(太阳光)下的色表相比较产生的一种参数称光源的显色性。典型显色性:白炽灯:100;荧光灯:70;高压汞灯:40。

显色指数

用来准确描述光源显色性的一种参数,用Rɑ表示,最大为100。指物体用该光源照明和用标准光源(一般以太阳光做标准光源)照明时,其颜色符合程度的量度,也就是颜色逼真的程度。当光源光谱中很少或缺乏物体在基准光源下所反射的主波时,会使颜色产生明显的色差,色差程度越大,光源对该色的显色性越差。显色指数系数仍为目前定义光源显色性评价的普遍方法。

光效

单位功率上的光通量。符号η,单位名称:lm/w。典型光效:白炽灯10-12Lm/W,螺旋节能灯60Lm/w,LED100Lm/W。

眩光

眩光(glare)是指视野中由于不适宜亮度分布,或在空间或时间上存在极端的亮度对比,以致引起不舒适的感觉或降低观察细部或目标的能力的视觉现象。用UGR表示。。根据影响的程度,可将眩光分为:不舒适眩光、失能眩光、失明眩光。眩光是引起视觉疲劳的重要原因之一,在驾驶或户外运动时产生的眩光有可能引起一定的危险。

 

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