光度学基础

传统的辐射度学的概念（如“功率”，单位为“瓦”）可以客观描述“能量”，但当其用来描述“光照”时却是不合适的，原因在于：人眼对不同波长的光的感受不同

比如，人眼仅对波长约380~780nm的光有感觉，而对其他波长的光是几乎没有感觉的；同样辐射功率的绿光LED和蓝光LED，给人眼带来的视觉亮暗程度也完全不同

 

人眼感光机制

人眼的亮度感来源于视网膜上无数的光敏细胞，分为两种：杆状细胞和锥状细胞。杆状细胞可以感受较强的光，但灵敏度较低；锥状细胞可以感受微弱的光，但灵敏度极高

如果把光敏细胞比作一把测量亮度的尺子的话，前者（杆状细胞）量程大，但分辨力低一点，后者（锥状细胞）量程小，但可是测出很小的变化——两种尺子搭配使用，充分发挥各自感光的优势

在光照较强的环境中，主要是杆状细胞起作用，引起“明视觉（photopic vision）”；而在光线昏暗的环境中，主要是锥状细胞起作用，引起“暗视觉（scotopic vision）”

人们通过大量的实验，分别测量了两种细胞对不同波长光照的相对灵敏度：

对于杆状细胞（对应明视觉），人眼最敏感的波长是555nm，颜色为绿中偏黄；对于锥状细胞（对应暗视觉），人眼最敏感的波长是507nm，颜色为蓝绿（青）色

 

光度学（Photometric）

为了充分描述人对光的亮暗感受，才引入了光度学的概念

 

光度学【Photometry (optics)】是研究光强弱的学科。不同于辐射度量学，光度学把不同波长的辐射功率用光度函数加权

 

光通量（luminous flux）是单位时间内由光源所发出或由被照体所吸收的光能，以 φ 表示，单位为流明（lumen，lm），1 lm = 1 cd · sr（1坎特拉 · 立体角）

注：国际照明委员会（CIE）选择了明视觉下人眼最敏感的555nm作为“功率”向“光通量”转换的参考波长，并规定，功率为1W的555nm波长单色光，对应的光通量为683流明

 

发光强度（光强，光度，Luminous intensity）表示单位立体角内所发出的光通量，以 I 表示，单位为 cd（坎特拉） 

 

光照度（照度，Illuminance）表示单位面积上受到的光通量，以 E 表示，单位是  lux（lx，勒克司度），1 lux = 1 lm/m²（1流明/平方米）

对于不发光的物体来说，其照度取决于光源的发光强度及被照体和光源之间的距离。对于同样光源而言，当光源的距离为原先的两倍时，照度减为原先的四分之一，呈平方反比关系

一些日常的代表性光照度有：

环境	光照度（单位：lux）
烈日	100,000
阴天	8,000
绘图	600
阅读	500
夜间棒球场	400
办公室/教室	300
路灯	5
满月	0.2
星光	0.0003

 

光亮度（luminance，亮度，辉度，发光率）指一个表面的明亮程度，为单位面积上发出或被照体反射的光强度，以 L 表示，单位为nit（尼特），1 nit = 1 cd/m²（1 坎特拉/平方米）

对于不发光的物体来说，其亮度依靠光的反射： L = E × R，R为物体的反射系数（reflectance factor）

如：白纸的反射系数为0.8，黑纸的反射系数为0.03。因此，白纸和黑纸在亮度上差异很大

 

与辐射度学（Radiometric）对比

光照度、发光强度、光亮度这三个光度学的概念，在辐射度学中分别有辐射照度（Irradiance）、辐射强度（Radiant intensity）、辐射亮度（Radiance）相对应

“光照度”与“辐射照度”、“发光强度”与“辐射强度”、“光亮度”与“辐射亮度”之间的关系，与“功率”和“光通量”的关系类似。只要理清了功率和光通量概念的区别和联系，理解其他几个概念应该不难

下表列出了与辐射度学（Radiometric）的物理量对应关系：

 

参考

什么是“光照度（Illuminance）”？