什么是光通量？光通量與光照度、光強度什么關系？

光通量、光照度和光強度都是描述光源的光度學的重要參數，其中光通量是計量光源被人眼所觀察時呈現的光功率，單位為lm（流明），光照度是單位面元上光源照射的光通量，單位為lx（勒克斯），發光強度是在給定方向上的單位立體角內光源所發出的光通量，單位為cd（坎德拉）。那么，光通量與光照度、光強度什么關系？本文為大家做了介紹。

什么是光通量？

在輻射(she)度(du)(du)學上(shang)，光(guang)源(yuan)輻射(she)通(tong)量(liang)(liang)用來(lai)衡量(liang)(liang)發(fa)光(guang)二極管(guan)在單位(wei)時間(jian)內發(fa)射(she)的(de)(de)(de)(de)(de)總電磁功率。它(ta)通(tong)常表(biao)示光(guang)源(yuan)在4π空(kong)間(jian)范圍內單位(wei)時間(jian)所發(fa)出(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)功率。光(guang)源(yuan)發(fa)射(she)的(de)(de)(de)(de)(de)輻射(she)通(tong)量(liang)(liang)中(zhong)能(neng)引(yin)起人(ren)眼(yan)視(shi)覺的(de)(de)(de)(de)(de)那(nei)部分，稱(cheng)為(wei)(wei)(wei)光(guang)通(tong)量(liang)(liang)，它(ta)是(shi)單位(wei)時間(jian)內光(guang)源(yuan)向整個(ge)空(kong)間(jian)發(fa)射(she)的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)引(yin)起人(ren)眼(yan)視(shi)覺的(de)(de)(de)(de)(de)輻射(she)通(tong)量(liang)(liang)。但人(ren)眼(yan)對(dui)不(bu)同波長(chang)的(de)(de)(de)(de)(de)可見光(guang)的(de)(de)(de)(de)(de)感覺是(shi)不(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)，為(wei)(wei)(wei)此國際(ji)照明(ming)委員會（C1E）為(wei)(wei)(wei)人(ren)眼(yan)對(dui)不(bu)同波長(chang)單色光(guang)的(de)(de)(de)(de)(de)靈敏(min)度(du)(du)作了總結(jie)，在亮(liang)度(du)(du)為(wei)(wei)(wei)3cd/m2以上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)明(ming)視(shi)覺條(tiao)件(jian)下(xia)(xia)，歸結(jie)出(chu)標(biao)準光(guang)度(du)(du)觀測者光(guang)譜光(guang)效(xiao)率函(han)數v（λ），它(ta)在555nm上(shang)有最大值(zhi)。其(qi)中(zhong)v（λ）為(wei)(wei)(wei)亮(liang)度(du)(du)為(wei)(wei)(wei)0.001cd/m2以下(xia)(xia)的(de)(de)(de)(de)(de)暗視(shi)覺條(tiao)件(jian)下(xia)(xia)的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)譜光(guang)視(shi)效(xiao)率。

明(ming)視覺條件下，輻射(she)量向光通量的轉化表達式為：

暗(an)視覺條件(jian)下，輻射量(liang)向光通量(liang)的轉化表達式為：

光(guang)通(tong)(tong)量(liang)(liang)的(de)測(ce)(ce)量(liang)(liang)通(tong)(tong)常(chang)有兩種(zhong)方法，并且通(tong)(tong)常(chang)在明(ming)視覺條(tiao)件下測(ce)(ce)試。一種(zhong)是用積分(fen)球(qiu)收集總的(de)輻射量(liang)(liang)，然后用已知光(guang)通(tong)(tong)量(liang)(liang)的(de)標準燈與(yu)被(bei)測(ce)(ce)燈作比(bi)較，從(cong)而得(de)到被(bei)測(ce)(ce)燈的(de)光(guang)通(tong)(tong)量(liang)(liang)；另一種(zhong)方法是用分(fen)布(bu)式(shi)光(guang)度計測(ce)(ce)量(liang)(liang)被(bei)測(ce)(ce)光(guang)源發光(guang)強(qiang)度的(de)空(kong)間分(fen)布(bu)，計算(suan)后得(de)到光(guang)通(tong)(tong)量(liang)(liang)。

光通量與光照度的關系：

照(zhao)度表示被照(zhao)面上(shang)接受的(de)光的(de)強(qiang)弱，是(shi)單位面積上(shang)所得到的(de)光通(tong)量。

如果要想求出距離一個光源rm處的光照度，可以設想一個以光源為中心、半徑為rm的球面，球面內側接受的光通量是均勻的，這個球面的面積A為A=4π·r²，照度 E等于光通量除以面積，即E=Фv/A=Фv/4π·r²（lx）。

例如，一個(ge)發(fa)光(guang)強(qiang)度(du)為(wei)1cd的點光(guang)源(yuan)，均勻(yun)發(fa)出的光(guang)通量為(wei)4πlm，距(ju)離這(zhe)個(ge)點光(guang)源(yuan)1m位(wei)置的照(zhao)度(du)為(wei)1lx。距(ju)離這(zhe)個(ge)點光(guang)源(yuan)2m位(wei)置的照(zhao)度(du)則(ze)為(wei)（1/4）1x。

反之，如(ru)果(guo)已知照(zhao)(zhao)度E和被(bei)照(zhao)(zhao)面(mian)(mian)積(ji)A，也(ye)可(ke)以(yi)求(qiu)出光(guang)通(tong)(tong)量Фv=EA，光(guang)通(tong)(tong)量等于(yu)照(zhao)(zhao)度乘以(yi)面(mian)(mian)積(ji)。如(ru)果(guo)被(bei)照(zhao)(zhao)面(mian)(mian)積(ji)上(shang)照(zhao)(zhao)度是(shi)不均勻的(de)，可(ke)把被(bei)照(zhao)(zhao)面(mian)(mian)積(ji)劃分(fen)為多個(ge)小面(mian)(mian)積(ji)△A1……△An，測出每個(ge)小面(mian)(mian)積(ji)上(shang)的(de)照(zhao)(zhao)度E1……En，用近似公(gong)式計算，即每個(ge)小面(mian)(mian)積(ji)與其上(shang)的(de)照(zhao)(zhao)度相乘，再全相加得到光(guang)通(tong)(tong)量。

如果劃分的 n 個小面積其面積全相等，則：Фv=A [（E1+……+En）/n]。

這是常用的計算投影機光通量的方法，平均照度乘以投影面積。例如，如果平均照度為10001x，投影面積為3m²，簡(jian)單相(xiang)乘可知光通量(liang)為30001m。

光通量與光強度的關系：

由于人眼(yan)(yan)對等能(neng)量的(de)不同(tong)(tong)波長的(de)可(ke)見(jian)光(guang)輻(fu)射(she)能(neng)所產(chan)生的(de)光(guang)感覺是不同(tong)(tong)的(de)，因此按(an)人眼(yan)(yan)函數(shu)V（λ）來評價的(de)輻(fu)射(she)通(tong)量Φ（λ）即為光(guang)通(tong)量Φ，即：

（光通量評價公式）

式中：Km為(wei)明視覺的(de)最(zui)大光(guang)譜光(guang)視效率(lv)函數，亦稱為(wei)光(guang)功當量(liang)，它表示人眼對波長為(wei)555nm處光(guang)輻射產生光(guang)感覺的(de)效能，按(an)國(guo)家實用溫標IPTS-168的(de)理(li)論計算(suan)，其值為(wei)680lm/w。

光(guang)度(du)學中最(zui)基本(ben)的(de)(de)單(dan)(dan)位(wei)(wei)是(shi)發光(guang)強度(du)，單(dan)(dan)位(wei)(wei)為(wei)坎德拉（cd），它是(shi)國際單(dan)(dan)位(wei)(wei)制中7個基本(ben)單(dan)(dan)位(wei)(wei)之一。其(qi)定義為(wei)555nm的(de)(de)單(dan)(dan)色輻射(she)在給定方向(xiang)上(shang)的(de)(de)輻射(she)強度(du)為(wei)1/683W·sr時，在該方向(xiang)上(shang)的(de)(de)發光(guang)強度(du)為(wei)1cd。

光(guang)通量的單位為流明（lm），它是發(fa)光(guang)強度為1cd的均勻(yun)點(dian)光(guang)源在單位立體(ti)角（1sr）內(nei)發(fa)出的光(guang)通量。

如果光(guang)(guang)(guang)(guang)源為點(dian)光(guang)(guang)(guang)(guang)源，并(bing)且是均勻發(fa)光(guang)(guang)(guang)(guang)體，那么光(guang)(guang)(guang)(guang)強（I）與(yu)光(guang)(guang)(guang)(guang)通量（Φ）符合距(ju)(ju)離反(fan)比(bi)平(ping)(ping)方定律。距(ju)(ju)離平(ping)(ping)方反(fan)比(bi)定律來(lai)自于點(dian)光(guang)(guang)(guang)(guang)源向(xiang)空間(jian)發(fa)射球面(mian)波的特(te)性，即點(dian)光(guang)(guang)(guang)(guang)源在傳播方向(xiang)某點(dian)的輻照度與(yu)該點(dian)到(dao)點(dian)光(guang)(guang)(guang)(guang)源的距(ju)(ju)離平(ping)(ping)方成(cheng)反(fan)比(bi)。

在(zai)任(ren)一錐立(li)體角(jiao)內，假設在(zai)傳輸路(lu)徑上沒(mei)有光(guang)(guang)能損(sun)失或(huo)分束，那么點(dian)光(guang)(guang)源(yuan)(yuan)向空間發出(chu)的輻(fu)射通量是不變的。然而位于球心的均(jun)勻點(dian)光(guang)(guang)源(yuan)(yuan)所張開的立(li)體角(jiao)所截的表面(mian)積卻和球半徑的平(ping)方(fang)成(cheng)正比(bi)(bi)，這樣在(zai)球面(mian)上的輻(fu)照度就(jiu)和點(dian)光(guang)(guang)源(yuan)(yuan)到該面(mian)的距離(li)平(ping)方(fang)成(cheng)反比(bi)(bi)，即(ji)：Φ=4πI。

光通量的單位是什么？

1.光(guang)通(tong)量的(de)單(dan)位(wei)為流明(ming)lm（lumen）：發光(guang)強度為1cd且各(ge)方向發光(guang)強度均相同的(de)點光(guang)源，在1球面(mian)度的(de)單(dan)位(wei)立體(ti)角內(nei)所發射出(chu)的(de)光(guang)通(tong)量為1流明(ming)=1坎(kan)德拉·球面(mian)度，即1lm = 1cd·sr。

1cd點光源的(de)總(zong)光通量(liang)為4π流(liu)明（因空間立體角共(gong)有(you)4π球面度）。

若光(guang)源為均(jun)勻發光(guang)體(ti)，則該光(guang)源總光(guang)通量中Φ總為：

Φ=Ι·Ω=4π·Ι

2.由于(yu)人眼對不(bu)同(tong)(tong)波(bo)長之(zhi)光的相對視見率不(bu)同(tong)(tong)，故此不(bu)同(tong)(tong)波(bo)長之(zhi)光的輻射功率相等時，其光通量并(bing)不(bu)相等。

例如，波長555nm與(yu)650nm之光的(de)輻(fu)射(she)功率相等時，前者(zhe)為后者(zhe)光通量的(de)10倍。

3.不(bu)計相對視見率的輻射通量的單位為瓦（W）。

若某光(guang)(guang)源(yuan)僅輻射(she)555nm波(bo)長的光(guang)(guang)能(neng)，且輻射(she)能(neng)量為1瓦，則該光(guang)(guang)源(yuan)所(suo)發出的光(guang)(guang)通量為683流明。（因1cd為1/683W/st，所(suo)以(yi)1W相當于(yu)683cd·sr即683lm）。

顯然實(shi)際光(guang)源輻(fu)射(she)的光(guang)譜絕非單(dan)一波(bo)長，而非555nm波(bo)長之光(guang)的視見函數又小于1，所以實(shi)際光(guang)源的光(guang)通(tong)量一般遠比683lm為(wei)小。