發光強度、亮度、光照度,這些不常見的單位傻傻分不清?

發光強度、亮度、光照度，這些不常見的單位傻傻分不清？

出品：科普中國

製作：陳星

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

在前面幾期中，筆者陸續介紹了五個國際基本單位，時間「秒」，長度「米」，質量「千克」，絕對溫度「開爾文」，電流「安培」。在這裡我們繼續介紹剩下的兩個不太常見的國際基本單位，先介紹和發光強度「坎德拉」以及相關的概念，下一篇繼續介紹物質的量的單位「摩爾」。

在日常生活中，我們形容光源的發光強弱最多只有形容詞，例如灰暗，微弱，刺眼，明亮等等，但對此並沒有一個定量的表述。然而，在科學實驗中，定量的描述必不可少，光源的發光強度有著自己的單位和定義。

發光強度的單位是「坎德拉」，符號「cd」,它的定義是這樣的：坎德拉是發出 5.40 x 10^14Hz 頻率的單色輻射源在給定方向上輻射強度為 1/683 W/sr時的發光強度。

球面度(sr)是立體角的計量單位。面積為半徑平方(r^2)的球表面對球心的張角等於1球面度。因為球的表面積是4πr^2，所以，整個球面有4π球面度。

如圖所示，紅色的部分就是1球面度。球面度這個概念對於理解下面的概念很重要。球面度相當於立體的角度，距離光源越遠，它包含的面積越大。

輻射強度就表示在這一球面度的單位時間內通過的光的能量。定義中所要求的5.40 x 10^14Hz的單色輻射源,發出光的波長大概在556nm左右，在肉眼看來就是一種黃綠色的光，之所以用這種波長的光是因為人的肉眼對這種波長的光最為敏感。

1立體角

下面我們來解釋一下這個定義。這個定義直觀上比較難理解，筆者將會嘗試從光子數的概念去解釋，爭取給大家一個比較直觀的理解。

「光子」示意圖

所謂的「光子」是一種光的載子，我們平時所見的光都是由大量的光子組成的，一個光子的能量和它的頻率有如下的關係：

其中h是普朗克常量，目前的準確值是6.626069934 x 10^-34 kg?m^2/s， ν是光子的頻率。根據這個關係，我們就可以計算出一「坎德拉」的光源單位時間內發出多少個光子了。

通過簡單的乘除計算，可以得出，1cd的發光強度，要求頻率為5.40 x 10^14Hz的單色輻射源，在單位時間內通過一球面度的光子數約為4×〖10〗^15個,因此發光強度「坎德拉」是和發光源單位時間內發出的光子數有直接聯繫的。

可能有些人還聽過「流明」這個單位，例如一些投影儀的參數就會使用到「流明」。

「流明」是光的通量的單位，符號是lm.如果一個光源發射1cd的發光強度到1個球面度的範圍裡，那麼這個球面度的總發射光通量就是1lm。

說的簡單一些就是：光的通量（lm）=發光強度(cd)×球面度(sr)。光的通量表示的是單位時間內通過參照截面所對應的球面度的光的能量的大小。或者說是單位時間內通過被照射物所對應的球面度的總的光子數。

下面繼續介紹幾個相關的概念，包括「亮度（輝度）」，「光照度（光出射度）」和「曝光量」。

其中「亮度」表示的是人眼對發光體或被照射物體表面的發光或反射光強度實際感受的物理量，它的單位是「坎德拉/平方米」。這個物理量主要用來描述在一個立體角內有多少光射出或者被反射，它也可以表示人的眼睛在看一個反射面時能接收的光的通量。「亮度」這個物理量主要用來表示發光物體或者反射面的明亮程度的，實際應用中通常會用來描述顯示屏的性質。

光照度計

「光照度」的單位是「勒克斯（lux）」，表示的是被照射物體單位面積上受到的光通量。根據定義很容易得出「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」是用來描述指定的平面單位時間內所接收到的光的數量。常見的環境的「光照度」值如下表所示：

「亮度」和「光照度」這兩詞的含義很像，很容易混淆，其實它們是有很大區別的。從上面的定義可以看出，「亮度」主要用來描述單位時間內有多少光從物體表面射出來或者反射出來，而「光照度」這個詞主要用來描述單位時間內有多少的光入射到物體表面。

最後一個概念是「曝光量」，這個詞我們應該會經常聽到，什麼照片曝光過度，曝光不足等等。曝光量的單位是「勒克斯?秒」，因此相機底片等的曝光量和它們接收光照度的時間是簡單的乘法關係。換個說法就是，曝光量描述的是物體表面接收的光的多少，接收光的時間越長，曝光量越大。

以上概念中最基本的單位是發光強度「坎德拉」，它是七個國際基本單位之一。其他的概念，「光通量」，「亮度」，「光照度」以及「曝光量」的單位都是根據「坎德拉」導出的。

示意圖

上面涉及到的概念可能比較多，一次性很難區分。沒關係，可以簡單的用上面的圖來理解，只需要記住發光強度的單位是「坎德拉」，它描述的是光源的強弱，而「亮度」主要用來表示屏幕的亮暗，「光照度」則主要用來表示物體表面接收的入射光的數量。

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