灯光单位照度（发光强度亮度光照度）

出品：科普中国

制作：陈星

监制：中国科学院计算机网络信息中心

在前面几期中，笔者陆续介绍了五个国际基本单位，时间“秒”，长度“米”，质量“千克”，绝对温度“开尔文”，电流“安培”。在这里我们继续介绍剩下的两个不太常见的国际基本单位，先介绍和发光强度“坎德拉”以及相关的概念，下一篇继续介绍物质的量的单位“摩尔”。

在日常生活中，我们形容光源的发光强弱最多只有形容词，例如灰暗，微弱，刺眼，明亮等等，但对此并没有一个定量的表述。然而，在科学实验中，定量的描述必不可少，光源的发光强度有着自己的单位和定义。

发光强度的单位是“坎德拉”，符号“cd”,它的定义是这样的：坎德拉是发出 5.40 x 10^14Hz 频率的单色辐射源在给定方向上辐射强度为 1/683 W/sr时的发光强度。

球面度(sr)是立体角的计量单位。面积为半径平方(r^2)的球表面对球心的张角等于1球面度。因为球的表面积是4πr^2，所以，整个球面有4π球面度。

如图所示，红色的部分就是1球面度。球面度这个概念对于理解下面的概念很重要。球面度相当于立体的角度，距离光源越远，它包含的面积越大。

1立体角

下面我们来解释一下这个定义。这个定义直观上比较难理解，笔者将会尝试从光子数的概念去解释，争取给大家一个比较直观的理解。

“光子”示意图

所谓的“光子”是一种光的载子，我们平时所见的光都是由大量的光子组成的，一个光子的能量和它的频率有如下的关系：

其中h是普朗克常量，目前的准确值是6.626069934 x 10^-34 kg∙m^2/s，

是光子的频率。根据这个关系，我们就可以计算出一“坎德拉”的光源单位时间内发出多少个光子了。

通过简单的乘除计算，可以得出，1cd的发光强度，要求频率为5.40 x 10^14Hz的单色辐射源，在单位时间内通过一球面度的光子数约为个

,因此发光强度“坎德拉”是和发光源单位时间内发出的光子数有直接联系的。

可能有些人还听过“流明”这个单位，例如一些投影仪的参数就会使用到“流明”。

“流明”是光的通量的单位，符号是lm.如果一个光源发射1cd的发光强度到1个球面度的范围里，那么这个球面度的总发射光通量就是1lm。

说的简单一些就是：光的通量（lm）=发光强度(cd)球面度(sr)。光的通量表示的是单位时间内通过参照截面所对应的球面度的光的能量的大小。或者说是单位时间内通过被照射物所对应的球面度的总的光子数。

下面继续介绍几个相关的概念，包括“亮度（辉度）”，“光照度（光出射度）”和“曝光量”。

其中“亮度”表示的是人眼对发光体或被照射物体表面的发光或反射光强度实际感受的物理量，它的单位是“坎德拉/平方米”。这个物理量主要用来描述在一个立体角内有多少光射出或者被反射，它也可以表示人的眼睛在看一个反射面时能接收的光的通量。“亮度”这个物理量主要用来表示发光物体或者反射面的明亮程度的，实际应用中通常会用来描述显示屏的性质。

光照度计

“光照度”的单位是“勒克斯（lux）”，表示的是被照射物体单位面积上受到的光通量。根据定义很容易得出“勒克斯”就是：1勒克斯 = 1 流明/平方米 = 1 坎德拉·球面度/平方米。“光照度”是用来描述指定的平面单位时间内所接收到的光的数量。常见的环境的“光照度”值如下表所示：

“亮度”和“光照度”这两词的含义很像，很容易混淆，其实它们是有很大区别的。从上面的定义可以看出，“亮度”主要用来描述单位时间内有多少光从物体表面射出来或者反射出来，而“光照度”这个词主要用来描述单位时间内有多少的光入射到物体表面。

最后一个概念是“曝光量”，这个词我们应该会经常听到，什么照片曝光过度，曝光不足等等。曝光量的单位是“勒克斯·秒”，因此相机底片等的曝光量和它们接收光照度的时间是简单的乘法关系。换个说法就是，曝光量描述的是物体表面接收的光的多少，接收光的时间越长，曝光量越大。

以上概念中最基本的单位是发光强度“坎德拉”，它是七个国际基本单位之一。其他的概念，“光通量”，“亮度”，“光照度”以及“曝光量”的单位都是根据“坎德拉”导出的。

示意图

上面涉及到的概念可能比较多，一次性很难区分。没关系，可以简单的用上面的图来理解，只需要记住发光强度的单位是“坎德拉”，它描述的是光源的强弱，而“亮度”主要用来表示屏幕的亮暗，“光照度”则主要用来表示物体表面接收的入射光的数量。

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