以眼睛的名義：解鎖光度學(xué)的四大“明星”單位

  ICC訊 在日常生活中，我們或多或少都聽到過流明(lm)、勒克斯(lux)、坎德拉(cd)、坎德拉每平方米(cd/m2)這些和“光”有關(guān)的單位。對于那些和“光”打交道的同學(xué)來說，更是耳熟能詳。今天，就讓我們以眼睛的名義，來一場光度學(xué)概念的趣味之旅，幫大家把這些概念梳理得明明白白、清清楚楚。

  光度學(xué)：以人眼為“標(biāo)尺”的學(xué)問

  光度學(xué)(Photometry)和輻射度量學(xué)(Radiometry)是兩個看似相似卻又大不相同的領(lǐng)域。光度學(xué)是以人眼為基礎(chǔ)的，它關(guān)注的是我們眼睛對光的感受;而輻射度量學(xué)則是基于實際能量的，它只關(guān)心光的能量大小，不考慮人眼的感受。打個比方，如果一個光源發(fā)出的光能量很高，但都集中在人眼不敏感的紅外波段，那么從輻射度量學(xué)的角度來看，這個光源很強;但從光度學(xué)的角度來看，這個光源就比較弱了。

  人眼對光譜中不同波長的光有不同的敏感度，這個敏感度就是光度學(xué)和輻射度量學(xué)之間轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵——光譜光視效能(Luminous Efficacy，V(λ))。人眼在555 nm(黃綠光)處最靈敏，所以把這個波長的光視效能設(shè)為最大值，即V(555 nm)=1;其他波長的光視效能都是小于1的相對值。這個小小的光視效能，就是光度學(xué)和輻射度量學(xué)“分道揚鑣”的關(guān)鍵所在。

  光通量：光度學(xué)里的“功率”擔(dān)當(dāng)

  流明(lm)在光度學(xué)里，就好比是功率的概念。它和輻射度量學(xué)里的瓦特(W)是可以對應(yīng)理解的。在人眼最靈敏的555 nm處，流明和瓦特的換算關(guān)系是常數(shù)Km=683lm/W(國際標(biāo)準值)。也就是說，真實的功率為1 W的555 nm的光，其光通量為683流明。要是換作其他波長的光，由于人眼的敏感度降低，同樣功率為1W的光，其光通量就達不到683lm了。換句話說，同樣1 W的光，我們會覺得其他顏色的光沒有555nm的亮，光視效能越小，我們覺得這光就越弱。

  若想評價非單色光(比如日光燈燈光)的“功率”，就不能只看一個波長，必須綜合所有波長的貢獻。因此，“輻射度量學(xué)的功率(瓦特)”和“光度學(xué)的光通量(流明)”之間的換算關(guān)系就顯得尤為重要。

  走進電影院，你會注意到兩種截然不同的燈光體驗：

  傳統(tǒng)白熾燈放映廳： 燈泡功率高達500W，但整個影廳的亮度卻顯得昏黃柔和。雖然白熾燈在紅光波段(約620nm)的光效較高，但人眼對紅光的敏感度較低(V(λ)≈0.4)，導(dǎo)致實際感知的亮度遠低于其功耗。

  現(xiàn)代LED放映廳： LED光源總功率僅200W，但屏幕亮度卻達到1000尼特(約7000 lm/m2)。這是因為LED的光譜集中在人眼最敏感的黃綠光(555nm附近)，光效高達150 lm/W。盡管輸入功率更低，但觀眾看到的畫面卻更明亮清晰。

  照度：被照得“亮不亮”的衡量

  勒克斯(lux)及其背后的照度(illuminance)概念，用于描述單位面積的物體或探測器接收到的光通量(單位：lm/m2)。在輻射度量學(xué)中，對應(yīng)的單位是W/m2(輻射照度)。

  需要強調(diào)的是，照度(lux)描述的是被照面的亮度，而非光源本身的屬性。例如，不能說“某個光源有多少勒克斯”，但可以說“被照面上接收到了多少勒克斯”。照度和光源的發(fā)光強度(坎德拉)通過距離平方反比定律關(guān)聯(lián)：1坎德拉的光源在1米處產(chǎn)生的照度為1勒克斯。因此，光源的發(fā)光強度和被照面的照度是密切相關(guān)的。

  照度(E)表示被照面單位面積接收到的光通量(Φ，單位：lm)，其公式為：

E：照度(單位：勒克斯 lux)。 Φ：被照面接收到的總光通量(單位：lm)。 A：被照面積(單位：m2)。

  咖啡館的300 lux：暖黃光(2700K)的照度通常較低(約200-400 lux)，光線柔和且?guī)в新瓷?，讓紙質(zhì)書頁顯得溫潤，咖啡杯上的拉花在低照度下更顯細膩紋理。這種環(huán)境讓人放松，卻不會干擾屏幕閱讀。

  圖書館的500 lux：冷白光(4000K-5000K)的照度需達到500 lux以上，確保桌面無陰影、文字對比清晰。高照度減少眼部疲勞，但長時間處于這種環(huán)境下，人會不自覺地挺直腰背——光線的“強硬”悄然影響著身體語言。

  發(fā)光強度：點光源的“亮度名片”

  坎德拉(cd)及其對應(yīng)的發(fā)光強度(Luminous Intensity)概念，用于描述點光源在人眼中的亮度。它的定義是：單位立體角(球面度sr)內(nèi)發(fā)出的光通量(lm/sr)。在輻射度量學(xué)中，對應(yīng)的單位是W/sr(輻射強度)。

  坎德拉是國際單位制(SI)的7個基本單位之一，體現(xiàn)了以人為本的設(shè)計理念。它僅關(guān)注光源本身的空間亮度分布(與時間無關(guān))，且不依賴被照物或光學(xué)系統(tǒng)。相比之下，流明(光通量)雖也涉及能量分布，但主要反映時間維度上的總能量輸出。

  發(fā)光強度(I)表示點光源在單位立體角(Ω，單位：球面度 sr)內(nèi)發(fā)出的光通量(Φ，單位：流明 lm)，其公式為：

I：發(fā)光強度(單位：坎德拉 cd)。 Φ：光源在特定方向上的光通量(單位：lm)。 Ω：觀察方向的立體角(單位：sr)。

  夜晚用手電筒照亮遠處的物體時，我們會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)手電筒的“聚光罩”旋緊(調(diào)焦)時，光束會變得細長而明亮;旋松后光束擴散，亮度明顯降低。這種亮度變化背后的物理原理正是發(fā)光強度(坎德拉)與立體角的相互作用。

  發(fā)光亮度：面光源的“亮”度量

  對于面光源(如顯示屏、燈罩)，需引入發(fā)光亮度(Luminance)的概念，即單位面積單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量(單位：cd/m2)。觀察者與光源表面的角度會影響實際感知的亮度，因此發(fā)光亮度綜合了面積和視角的影響。

  在LED顯示屏領(lǐng)域，常見的單位尼特(nit)等同于cd/m2。例如，某筆記本屏幕標(biāo)注“300nit”，即表示其發(fā)光亮度為300 cd/m2。

  發(fā)光亮度(L)表示單位面積(A，單位：平方米)內(nèi)光源在單位立體角(Ω，單位：球面度 sr)方向上發(fā)出的光通量(Φ，單位：流明 lm)，其公式為：

L：發(fā)光亮度(單位：坎德拉每平方米，cd/m2，即尼特 nit)。Φ：光源在特定方向上的光通量(單位：lm)。A：發(fā)光面積(單位：m2)。Ω：觀察方向的立體角(單位：sr)。

  周六的地鐵上，你打開手機刷短視頻，屏幕自動調(diào)到600 nit的高亮度，刺眼的陽光透過車窗灑進來，但文字依然清晰可見;傍晚回家后，手機屏幕又悄悄降到200 nit，柔和的光線不刺眼，卻足夠照亮昏暗的房間。這種“智能亮度調(diào)節(jié)”的背后，正是發(fā)光亮度(尼特)在默默工作。

同一手機屏幕在不同時間段的亮度自動調(diào)節(jié)。圖片來自豆包AI 希望這篇文章能讓你對光度學(xué)的這些概念有更清晰的認識，下次再看到這些單位的時候，就能輕松地理解它們背后含義啦。

別讓知識止步于此!關(guān)于光的科學(xué)，我們準備了這些“硬核知識”。

  色溫：燈光色調(diào)的“冷暖密碼”

  色溫以開爾文(K)為單位，定義了光源的色彩特性。低色溫(2700K-3000K)的暖黃光常用于咖啡館和臥室，營造放松氛圍;高色溫(5000K-6500K)的冷白光則適用于辦公室和醫(yī)院，提升專注力。顯色指數(shù)(CRI)作為色彩還原的標(biāo)尺，決定了物體顏色的真實呈現(xiàn)：CRI≥90的博物館燈光能精準還原油畫細節(jié)，CRI≥80的超市照明則讓蔬果保持自然光澤。有趣的是，太陽的色溫在正午高達5500K(冷白光)，而日出時的霞光僅約2000K(暖橘色)，人眼卻能自動適應(yīng)這種跨度——這種生物適應(yīng)性堪稱自然界的精妙設(shè)計。色溫(K)通過黑體輻射的色坐標(biāo)(x, y)定義，常用McCamy近似公式將色坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為相關(guān)色溫：

x,y：光源色坐標(biāo)(由光譜分布計算得出)。意義：將光源顏色與黑體輻射軌跡匹配，量化“冷/暖”程度。例如，燭光(x≈0.33, y≈0.34)對應(yīng)CCT≈1800K，LED燈(x≈0.31, y≈0.33)對應(yīng)CCT≈3000K。

圖片來自豆包AI

  光效：能源效率的“核心指標(biāo)”

  光效(lm/W)衡量光源將電能轉(zhuǎn)化為光能的效率。白熾燈光效僅約15 lm/W，大部分能量轉(zhuǎn)化為熱能;LED燈的光效可達100 lm/W以上，顯著降低能耗。理論極限為683 lm/W(對應(yīng)人眼最敏感的555 nm黃綠光)，但實際光源受限于光譜分布無法突破。若白熾燈能接近這一極限，全球照明能耗將大幅下降，但人類也將失去如燭光晚餐般的溫暖場景——技術(shù)進步總在實用與情懷間尋找平衡。

  光效(Luminous Efficacy)的公式：

  光效(η)定義為光源輸出的光通量(Φ，單位lm)與輸入功率(P，單位W)的比值。

  配光曲線：光線分布的“設(shè)計指南”

  配光曲線描述光源在不同方向上的發(fā)光強度分布，是燈具設(shè)計的核心依據(jù)。路燈常采用“蝙蝠翼”配光，將光線集中投射到地面以減少光污染;室內(nèi)吸頂燈則追求均勻配光，通過多燈珠組合實現(xiàn)無影照明?，F(xiàn)代建筑中，LED幕墻通過動態(tài)調(diào)節(jié)配光曲線，白天作為玻璃幕墻反射自然光，夜晚則切換為自發(fā)光模式——這種靈活性使建筑照明兼具功能性與藝術(shù)性。配光曲線描述光源在不同方向上的發(fā)光強度分布，通常用極坐標(biāo)圖表示，核心公式為：

I(θ,?)：光源在方向 (θ,?) 上的發(fā)光強度(單位：坎德拉 cd)。Φ：光源的總光通量(單位：流明 lm)。Ω：立體角(單位：球面度 sr)。f(θ,?)：配光分布函數(shù)，描述光強隨角度的衰減規(guī)律。

  雨后的夜晚，你走在街邊，觀察到路燈的光線均勻覆蓋人行道，地面光斑呈對稱扇形展開，而對面車道幾乎沒有眩光干擾。這種設(shè)計源于蝙蝠翼配光曲線的技術(shù)實現(xiàn)

  光通量維持率：光源壽命的“持久度量”

  光通量維持率(百分比)反映光源隨時間推移的亮度衰減。工業(yè)標(biāo)準LM-80測試中，優(yōu)質(zhì)LED燈在3萬小時后仍能保持90%初始亮度，遠超傳統(tǒng)白熾燈(約1000小時壽命)。太陽的光通量維持率近乎永恒(約100億年)，而人類燈具仍在追趕這一尺度。光通量維持率越高，燈具更換周期越長，既降低了維護成本，也減少了廢棄光源對環(huán)境的影響。光通量維持率(Lumen Maintenance Factor, LMF)表示光源在時間 t 后 的光通量(Φ ( t ) )相對于初始光通量( Φ0 )的百分比保留值：

Φ0：光源初始光通量(單位：lm)。Φ(t)：使用 t 小時后的光通量(單位：lm)。

圖片來自豆包AI 

 從清晨喚醒鬧鐘的暖黃光，到深夜加班時電腦屏幕的冷白光;從路燈下斑駁的光影，到手機屏幕上躍動的像素點——光度學(xué)的概念早已滲透進生活的每個角落。理解流明、勒克斯、坎德拉這些“光的語言”，不僅能讓我們讀懂燈具參數(shù)背后的秘密，更能教會我們?nèi)绾闻c光共處：如何在節(jié)能與舒適間找到平衡，如何用光線塑造空間情緒，甚至如何敬畏自然光與人類智慧交織的永恒之美。

  下次推開窗，不妨留意一下晨曦的色溫如何從2000K攀升至5500K，或者思考為何LED燈能以100 lm/W的效率“欺騙”人眼。科學(xué)或許抽象，但當(dāng)它化作生活中的一縷光時，便成了最溫柔的啟蒙者。