光之语

日期:  
2018年 9月 13日
作者: 
Shannon Roberts  | 
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根据韦氏词典:

Light (noun) līt.1 a:使视觉发挥功能的事物;b:视觉感受器受到刺激而产生知觉;c:任意波长的电磁辐射,其真空传播速度为每秒299,792,458米(约186,000英里);具体来说:这种辐射人眼可见。

除了这一定义,我们还能如何准确地描述、量化和分析我们周围的电磁波(可见和不可见)呢?光辐射由光子组成,光子是一种亚原子粒子,一般通过能量或波长来描述。但有趣的是,光子不同于其他基本粒子(即电子、中子和质子),其质量为零——它们只是电磁辐射的载体。

当我们通过波长观察整个电磁辐射频谱时,可以看到一端(短波长)的伽马射线能量极高,而另一端(长波长)的微波和无线电波的能量却很低。光谱中间极小的波段就是人眼可见的光线范围。可见光波长约在380nm至830nm的范围内,其范围之外的两端分别是紫外线(UV)和红外线(IR)。

上部横条显示了完整的电磁辐射频谱,按波长递增的顺序绘制,包括不可见波长,如X射线、微波和无线电波。下部横条是可见光的扩展视图:人眼可以感知的电磁谱窄波段。

光谱功率分布(SPD)是我们确定发光光源(灯泡、太阳等)的一种方法。光谱功率分布可以衡量每个波长输出的能量(瓦特)。我们利用图形绘制任意光源的光谱功率分布:

常见光源的光谱功率分布。例如,光源A是宽谱光,其波长发出的光随波长的增加而增加。相比之下,红色LED具有非常窄的光谱,发出的光主要在600到630nm之间。

明视响应曲线

人眼看不到光源的整个光谱功率分布,我们只能看到所产生的颜色和亮度。事实上,对于人眼而言,两个光谱功率分布不同的光源看起来是一样的。如果我们只是需要描述人类对光源的感知,我们可以采用色度学和光度学的原理。本文其余部分将重点介绍亮度感知(光度测定),而色彩感知将在后续的文章中具体说明。

光度学是对人眼所感知光线(即可见光谱)的计量学。在可见光谱内,人眼的响应可通过“明视响应曲线”加权折合获得。

日光的光谱功率分布(曲线图的彩虹区域,代表每个波长的近似颜色),范围从390至700nm,覆盖了人眼的光谱感光度(绿色曲线),称为明视曲线。

上图中的曲线是明视响应曲线。曲线峰值表示人眼在绿色和黄色波长中的最大敏感度,对应于太阳的峰值输出。辐射越多,我们的眼睛越敏感(最大光视效率约为555 nm)。

光的量化

我们可以通过明确的数学语言量化“标准观察者”所感知的亮度和颜色变化,而“标准观察者”则代表了人类平均水平。光度单位可衡量人眼响应加权折合后的光(可见波长);辐射度单位可衡量能量(涵盖所有电磁波长,包括可见光),且无需对人体响应进行加权。明确的语言和标准使我们能够根据精确的规格测量和再现光源。

试想一下,您正在设计一种灯具,一个装在某种外壳里的灯泡。首先需要确定的是光源发出的光总量,也就是对整个光的角跨度进行积分。这称为“光通量”,其光度测量单位为“流明”(lm)。

光通量是对光源总输出的度量,通过对其角跨度上的光强度进行积分来确定,单位是流明(lm)。

现在您就可以评估您的灯具在房间中的性能以及灯光在空间中的分布。例如,它是一种可以照亮整个房间的广泛漫射光,还是一种主要用于照射特定区域的聚光灯。发光强度会告诉您给定方向上灯具发出的光量。发光强度以坎德拉(cd)为单位进行测量,等于流明/球面度(sr)(立体角测量单位)。

                                                                              发光强度是光源在立体角跨度范围内发出的光量,单位是坎德拉(cd)。

照度是我们可以测量的另一个要素:单位面积上所接受可见光的光通量,以每平方米的流明数(lm/m2)来测量,也称为勒克斯。

照度是单位面积上所接受(照射)可见光的光通量,单位是流明/平方米(lm/m2)或勒克斯.

例如,如果我们想要设计医院手术室用的吸顶灯,我们可能会关注有多少光线会照射到桌子上,多少会落到地板上。在诸如医疗行业这样的领域中,必须严格监管照明规范,以确保外科医生有足够的光线和适合的光线类型,从而有效地开展工作(某些颜色的光令人难以区分肉和组织)。

明视测量的最后一个要素是亮度,它是唯一一个需要理论观察者存在的要素。亮度衡量给定方向上光源的光通量(即射向人眼),无论该光通量是从表面反射回来还是从显示屏发出;单位是坎德拉(发光强度)/平方米(cd/m2)。

亮度是给定方向上从光源发出的或从表面反射回来的光通量。单位是坎德拉/平方米(cd/m2.

查看整图,我们可以看到这些不同光测量的相互关系:

显示器行业或当地电子消费品商店的电视销售人员可能会使用另一个术语——尼特(nit);它用于描述显示屏的亮度(从其发出的光)。基本上,1 nit= 1 cd/m2

辐射测量

那么超出可见光范围的波长又是怎样的?为了描述电磁谱的特性,有一组标准辐射测量值与上述明视测量值相对应:

辐射通量 – 测量光源发射的电磁能的总量,单位是瓦特(W);有时也称为辐射功率。

辐射强度 – 在立体角内发射的总能量,单位是瓦特/球面度(单位立体角)。您可能还记得,发光强度以坎德拉为单位,即单位球面度的流明数。

辐照度 – 测量落在表面上的能量,单位是瓦特/平方米(W/m2)。

辐射率 – 单位面积单位角度反射、传输或接收的能量。它是一个定量,单位是瓦特/球面度·平方米(W/sr·m2)。

辐射率和亮度有时也会被混淆地称为“强度”,但明确您想测量内容的性质会使测量更加准确(例如光源输出与从观察者角度测量的光)。见下图:

测量数量光度辐射度
光(能量)总输出光通量,单位:流明(lm)辐射通量,单位:瓦特(W)
Light from a directionLuminous intensity, measured in candela (cd). 1 cd = 1 lumen/steradianRadiant intensity. Watts per steradian (W/sr)
入射到表面上的光照度=勒克斯1勒克斯= 1流明/米辐照度,单位:瓦特/平方米(W/m2
亮度亮度,单位:坎德拉/平方米(cd/m2)或尼特1 nit ccd/m2  辐射率,单位:瓦特/球面度·平方米(W/sr·m2

测量可见光

对于各种产品来说(例如灯泡、汽车前照灯和显示屏),获取准确的光输出测量值可以有效把控质量控制并保证其性能。瑞淀光学系统的成像光度计和色度计专为测量光线和颜色而设计,符合人眼的感知。我们的成像系统可测量显示器、发光键盘、背光面板及部件、LED和LED阵列等光源的光线。

瑞淀光学系统的ProMetric Y成像亮度计能够广泛用于各个行业,量化并评估发光器件的一系列数值,包括:亮度、照度、发光强度和总光通量,还可输出某些行业标准要求的IES文件格式的测量结果。

我们的ProMetric I成像色度计能够测量CIE色度、相关色温(CCT)、光线和色彩均匀度以及对比度。这些数值可用于实验室器件特性的研究和设计,并与生产值进行比较以对生产线进行质量控制。

如需了解有关光、色谱和人本主义测量的更多信息,请查看网络研讨会:光与色彩测量的原理