《流明、勒克斯、尼特、坎德拉》
《流明、勒克斯、尼特、坎德拉》
01 前言
在我们的日常生活中，光无处不在，从家中的灯光到手机屏幕的显示，从户外的阳光到夜晚的霓虹，光以各种形式围绕着我们。
而描述光的特性，就离不开一些专业的物理单位，流明、勒克斯、尼特、坎德拉便是其中尤为重要的四个。它们看似抽象，却与我们对光的感知和实际应用紧密相连，小到选择合适亮度的灯泡，大到设计显示屏的显示效果，甚至在摄影、照明工程等专业领域，这些单位都扮演着不可或缺的角色。
然而，很多人常常对这四个概念感到混淆，难以清晰区分它们各自的含义和用途。因此，厘清这四个单位的概念，明确它们所描述的光学特性，对于我们更好地理解光、运用光具有重要意义。
（图一）
02 简要概念
流明（Lumen）是光的量度单位，和瓦特类似，但它的测量方式考虑了人眼的敏感度。如果你查看光源的规格参数，流明衡量的是光源的总输出，无论光射向哪个方向。
勒克斯（Lux）是每平方米所接收的流明数，在日常用语中我们可能称之为 “照明度”，但在光学专业领域中称为 “照度”。它表示照射在某一表面上的光的多少。
尼特（Nit）是每平方米每球面度所对应的流明数，对家人来说我们可能称之为 “亮度”，但在同行间则称为 “luminance”。如果 1 勒克斯的照度照射在一个理想的漫反射表面上，会产生 1 尼特的亮度。
坎德拉（Candela）是每球面度所对应的流明数。它用于 “点” 光源，这样无论被照射表面位于何处，你都能计算出该表面所接收的光量。
（图二）
换种说法，坎德拉是通过以光源为中心的假想球体来衡量的发光强度。对于各向同性的点光源，1 坎德拉等于 1 流明 / 球面度。
一个围绕光源的完整球体包含 4π（约 12.6）球面度。因此，一个 12.6 流明的各向同性光源会产生 1 坎德拉的光强。
这并不完全适用于典型的激光器，但对于像短弧氙灯之类的光源，这是一个接近的近似值。不过，仍然可以在发散光束的某一部分上定义坎德拉。例如，如果你的激光器在仅 0.1 球面度的范围内输出 1 流明，那么它的发光强度就是 10 坎德拉。
英尺烛光（foot-candle）是照度的一个单位，北美照明工程学会在 ANSI/IES RP-16-1996《照明工程名词术语》中对其定义为 “入射到表面上某一点的光通量的面密度”。
通俗来讲，照度是到达真实或假想表面上某一点的光的量。（该点不一定位于物理表面上。）
1英尺烛光等于每平方英尺 1 流明（其中流明是光通量或光量的度量单位）。
（图三）
一支蜡烛火焰的发光强度（或 equivalently，烛光）约为1坎德拉。如果你将蜡烛放在距离某一表面1英尺的地方，那么由于蜡烛光的照射，该表面在这个距离上的照度约为1英尺烛光。在2英尺处，照度会是1/4英尺烛光；在3英尺处，是1/9英尺烛光，以此类推，这符合点光源的平方反比定律。
亮度（Brightness）是一种心理生理现象，无法直接测量。“光度学亮度（photometric brightness）” 一词曾用来指代 luminance，但在科学或工程领域已不再使用。
03 具体定义
流明的定义：频率为540太赫兹（或波长约为555.5纳米）的单色光，其功率为1/683瓦时的光通量。
值得注意的一点是，流明是次要定义的单位，它以坎德拉为基础（1坎德拉等于1流明/球面度），而坎德拉则是主要定义的单位（它是频率为540太赫兹的单色光在每球面度上具有1/683瓦的“光束烛光功率”）。
对于波长不是 555.5 纳米的光，每瓦辐射所对应的流明数是不同的。对于波长非555.5纳米的光，每瓦所对应的流明数为683乘以该波长的明视觉函数值，再除以555.5纳米波长的明视觉函数值（我们认为这个值非常接近1，但不完全是1）。
（图四）
流明每瓦是衡量将电能转化为光能的效率的指标。将这个数值乘以 LED 所消耗的瓦数，就能得到其光通量（流明数）。
典型的红色、橙色、黄色或黄绿色 LED，其电压降约为2伏，在标准电流20毫安时，功耗约为0.04瓦。而蓝色、白色或非淡黄色的绿色 LED，在20毫安电流下，电压降通常为3.5伏，功耗为0.07瓦。
坎德拉是每球面度的流明数，也称为“光束烛光功率”。（实际上，如前所述，坎德拉是基本的公制单位，而流明则是根据坎德拉来定义的。）
因此，流明等于坎德拉乘以光束所覆盖的球面度。理想情况下，坎德拉等于流明除以光束所覆盖的球面度——假设所有的光都在光束范围内，且光束内的 “烛光功率” 是恒定的。
那么你可能会问，什么是球面度呢？球面度是整个球体的1/（4π），或是半个球体的1/（2π），大约等于3283“平方度”。根据光束角度计算球面度的公式如下：
球面度 = 2×π×(1 - cos (0.5×光束角度)
（图五）
因此，如果你算出了光束所覆盖的球面度数，再乘以坎德拉数值（或者毫坎德拉数值的1/1000），就能大致得到光通量（流明数）。
不过，由于光束并非均匀分布，而且也并非所有的光都包含在光束内，所以这种计算只是粗略的。
根据光束角度和坎德拉来计算流明，误差很容易在 + 100% 到 - 50% 之间。对于8度或更小的光束角度，实际流明数通常比该公式预测的要高，因为标称的光束并未包含通常围绕在主光束周围的次级“环形”“光束”。
另外需要注意的是，有些光束角度的数值过于乐观，可能会让人对接收到的实际光通量产生过高的预期。
04 总结
综上所述，流明、勒克斯、尼特、坎德拉这四个光学单位，分别从不同角度描绘了光的特性，共同构成了我们理解和衡量光的重要标尺。
流明聚焦于光源发射光的总量，是光通量的量化体现，它告诉我们一个光源能发出多少光；勒克斯则关注被照射物体单位面积所接收的光通量，反映了物体被照亮的程度，让我们知晓某个表面 “被照得有多亮”；尼特作为亮度单位，针对面光源，将发光强度与发光面积结合，常用于描述显示屏等发光表面的视觉明亮感；坎德拉则是点光源发光强度的核心指标，表征光源在特定方向上的聚光能力，揭示了光源本身 “发光有多强”。
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