眼,视觉,保护视力,LED照度,亮度及其他

眼，视觉，保护视力，LED 照度，亮度
及其他
人眼所能见到的光频谱落在可见光围(约400~700nm波长)，眼睛能感知颜色主要凭借锥细胞，锥细胞含蓝绿红三种视光素。

为什么多看绿光能保护眼睛的原因在于绿光的波长同时落在蓝绿红三种视光素吸收光谱的波峰下缘(亦即三种视光素所受到的总和刺激感应较少)，所以也就到达"休息"的效果搂。

再来说到视力，这是个比拟笼统的字眼，
因为与视力相关联的因子包括：水晶体的曲率、视网膜的灵敏度、视神经的健全等等，
事实上绿光在这里的影响很小。

因为各种颜色对光的吸收和反射各不一样
红色对光线反射是67%
黄色是65%
绿色那么是47%
青色只反射36%
由于红色和黄色对光线反射较强因此容易产生耀光和刺眼
绿色和青色对光线的吸收和反射都比拟适中
所以对人体的神经系统大脑皮质及眼睛里的视网膜组织比拟适应
例如青草和绿树不仅能吸收强光中对眼睛有害的紫外线
同时还能减少因强光对眼睛所产生的耀眼
在你紧的学习或长时间工作之后
倚在窗口眺望远处的树木紧的神经就会顿时放松
眼睛的疲劳也很快就消失了
所以常看绿看远对眼睛是有保护作用的
需要注意的是:绿色对眼睛有好处，并不是指绿色本身对眼睛有什么好处，而是说远眺大自然的景物可缓解眼睛的疲劳状态。

如果看33厘米以的东西，即使是绿色的，对眼睛也没有益处。

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数百年来人类视觉系统的进化已经与天然光相适应。

天然光是人们最适应的光源，所以人们用于照明的灯光应尽量接近天然光，这样的照明人们才感到舒适，也是最卫生的。

眼卫生对人造照明灯光的要求有以下几个方面。

光通量
光源〔灯泡〕的光通量是它每秒钟发出可见光的能量。

灯光要有足够的光通量，使被照读物有足够的明亮为人眼感受。

光通量的物理单位是流明〔lm〕。

灯发出的光通量是灯的主要指标之一。

灯的功率越大，光通量就越大，通常它的光效也越高。

照度
当灯光照亮一物体时，该受照物体能使人感觉到的明亮或暗淡。

人感到物体很亮是因为受照物体得到的光通量很大，照度也越大。

照度是该受照物体单位面积上得到的光通量数，它的单位是勒克斯〔lx，lm/ m2〕。

各种照明工程，照明设施都要以受照物体的照度为一个重要指标。

这指标是随着社会的开展、人们生活水平的提高而变化的。

譬如对中小学教室的照明，是指教室里课桌上的照度，国际照明委员会有明确规定的指标。

我国对此也有指标，即要求到达一定的照度。

此标准是我国在1987 年发表的，比拟低。

目前一些兴旺国家和国际标准所规定的标准最低为300lx，正常的照度应为500 lx。

在一些特殊的教室和实验室里要求照度到达750 lx。

我国目前的照明标准明显低于这些标准。

人眼能看清一个字体或物体与“人眼对字体、图、线〞的角〔视角〕有关。

人眼在观察物体或阅读书籍时，眼睛在不断运动着，促使每个被观察的物体或字体成像在中央凹上，以便使对象看得最清楚。

因为通常在中央凹处，人眼的分辨本领最高。

在不同照度下，人眼能分辨看清字体的角变化很大，见表3 数据是在白光照射下，用同样的环境、人眼分别适应各个照度以后、观察时间不受限制的情况下测得的。

在低照度下分辨角很大，也就不容易看清楚细小字笔的字体。

在高照度下分辨角降低，细小的字体就能不太费力看清楚了。

在满月的照度〔照度约0. 1 lx〕下，人眼的分辨角是3'，而在灯光照度500 lx 下分辨角降低到0. 7'。

相比之下，人眼的分辨本领可提高4. 3倍。

可见，人们在灯光下阅读时，照度的提高看小字就不费力，人眼不易感到疲劳，也就不易对视觉损伤，不易近视。

大家知道，学生长时间和近距离的阅读和写字，用眼疲劳又得不到足够的休息，就会导致学生视力下降，晚上在家里读书、做功课，照明条件不好，照度不够，同样也会造成学生视力下降。

闪烁
对灯光要求稳定。

灯光的不稳定有二个概念，一个是一般的灯光不稳定——灯光忽亮忽暗。

在这种环境下，人们会感觉很难过。

这里讲的是另一个概念，就是目前社会上正在讨论的，由于电源工作频率引起灯的光通量的波动问题——闪烁问题。

闪烁效应是指由于光通量周期变化时人眼的主观感觉效应。

我们常用的普通钨丝灯泡是用50 Hz 220V 电源把灯丝通电烧亮而发光的。

普通直管或环形荧光灯是用50 Hz 电源串联了电感镇流器点燃的放电灯。

而紧凑型节能灯是用30 kHz 电子镇流器点燃的放电灯。

这些灯是否会发射50 Hz 或30 kHz 变化的光通量，出现50 Hz 和30 kHz 的闪烁现象？社会上流行的保健灯就是针对这个问题，提出要用直流电源或20 kHz 以上的高频电源点灯，可以防止灯的闪烁。

认为用直流电源或高频电源点灯时，光通量不会波动，对人眼没有影响。

我们说天然光是理想、无闪烁的照明光。

照明灯光也应稳定、无闪烁。

如果人们长期在不稳定或受一定频率调制的灯光下工作、读书，眼睛当然会感到疲劳。

人的视觉系统由眼睛、视觉神经以及人脑所组成。

闪烁首先会造成眼睛疲劳、酸痛，如果长期遭遇严重时，也会造成头痛、心烦、紧、甚至心动过速。

问题是这种感觉是在人们不知不觉的情况下发生，而且会长期累积起来的。

因此，闪烁效应要引起人们的警觉。

要研究在怎样的频率、什么条件下，这种效应会引起影响，使人染上灯光疲劳综合症。

首先要问用频率为50 Hz 或30 kHz 的电源点灯，灯发出的光通量是否也是以50 Hz 和30 kHz 波动呢？
我们知道，普通钨丝灯发光是通过用电源对钨丝通电，把它烧热到2000 ℃以上而炽热发光的，这种光是稳定的。

荧光灯有二个电极，在电极上加上50 Hz 变化的交变电压，激发灯气体放电而直接发的光，其中主要是汞发的紫外光〔254 nm〕和蓝、绿、黄色等的可见光，而紫外光又激发了灯管壁上的荧光粉而发射了蓝、绿、红色光，这些光合并起来成为我们看到的白光。

当用30 kHz 电子镇流器点燃荧光灯时，同样也会看到白光的。

那么荧光灯直接发的紫外光、蓝、绿、黄色光是在50 Hz 和30 kHz 交变电场作用下发的光，这些光通量是否也是按50 Hz 和30 kHz 变化呢？荧光粉发的光是受50 Hz 和30 kHz 变化的紫外光去激发的，这种光是否也是按50 Hz 或30 kHz 变化呢？答复是肯定的。

闪烁的光对人眼的视觉感受有一个视觉残留效应。

这个效应是关系到当光通量变化时，人眼视觉是否跟得上光通量变化的问题。

我们知道，人眼视觉是有惰性的。

当光通量变化慢的时候，人眼会看到它在变化。

而当光通量变化很快的时候，人眼就感受不出它在变化。

对一般通常的人来说，这个残留效应的时间0.04 s。

也就是只有当光通量变化时间大于这个时间时人才会感到光在变化的，即灯光有闪烁现象。

另外，光通量变化对人眼视觉的影响还与光通量变化的深度〔即明暗差度〕有关，与光通量的波峰和波谷值之差有关。

有一个系数叫“光通量波动深度FFD〞，可以用来定量测量光通量变化的深度。

当FFD 大于25%时，闪烁会对人的视觉产生损伤。

FFD 越大，损伤就越大。

研究发现，如果光线明暗变化频率很高，变化时间远远小于人眼视觉残留时间，即使明暗差再大，甚至到达100%，对人眼也不会有影响，因为人眼感觉不出光线明暗变化。

用现代的视觉调制传递函数〔MTF〕进展评价，根据时空信息和视觉特性可知，人眼的分辨本领有一个截止频率〔临界融合频率CMF〕。

因为光信息的调制在向神经信息转换和向大脑中枢传递有一个时间过程，其频率上限在50 Hz 左右。

当空间频率超过100 Hz 时，人眼已不能分辨，所以频率大于100 Hz的光通量变化不会对视觉器官产生明显影响。

对于荧光粉发的光，我们认为在荧光灯中常用荧光粉的余辉时间为几个毫秒，即千分之几秒。

如果荧光粉受激发光的余辉还没有衰减到一定深度前，第二次激发又发生了，那么荧光粉发的光就没有闪烁感觉了。

这就要求电源频率大于荧光粉发光的衰减频率，即电源频率应大于10 kHz。

这样荧光粉发的光通量将不会随着电源电压变化而变化，自然也就没有闪烁感觉了。

对于频率低的荧光灯，闪烁现象依旧存在。

综合起来，人眼感到灯光闪烁现象的频率最低约为100 Hz，光通量波动深度效应小于25%。

目前市场上，无闪烁光源有二种。

一种是直流灯，用直流电源点的灯；另一种是高频灯，用高频电子镇流器点的灯。

对于这些“无闪烁光源〞，我们仍要进一步分析其有效性。

因为直流灯加在灯上的是直流电压，如果工作电流是脉动的，纹波较大。

100Hz 的纹波也会造成灯光的闪烁，同时这种整灯的功率因数仅为0.5，其高次电流谐波是否符合国家标准和EMC 的要求还是个问题。

如果在电路中使用功率因数校正电路会出现电磁辐射问题、整灯光效下降、本钱提高。

况且对直流供电的荧光灯要有特殊的电极构造，否那么会出现电泳现象。

这也是直流灯长期不能实现的原因。

至于高频灯，这种灯的电流是被一种与滤波电压波形相似的包络波所调制的高频工作电流。

只有当镇流器直流电源的电压纹波很小时，灯电流的包络调制才很小，荧光灯发的光通量才稳定，否那么高频电子镇流器的灯光也仍会出现闪烁现象。

显色性
光源的显色性是物体受光源照明后物体颜色的复原性。

我们知道，在太照下，人们能看到五颜六色的物体，这是因为太包含了各种颜色〔不同波长〕的光，非常丰富，可以把物体的任何颜色都复原出来为人眼看到。

而各种灯发射的是不同颜色的光，因此它们复原物体颜色的本领就不同。

可以用显色指数Ra 来定量表示光源的颜色复原性。

光源的显色指数可以根据光源所发不同颜色的光通量进展计算。

通常是以太阳的显色指数为标准，取为100。

灯的显色指数越高，它能复原物体颜色的本领就越强。

高压汞灯主要发射蓝紫光，在高压汞灯下人脸青白很难看，这是因为人脸的粉红肉色不能被汞灯发的蓝紫光复原。

用显色指数差的灯光去照明看书，就很难看清彩色图片和线条了。

色温
一个光源能发射多种颜色的光，不同颜色光的通量也不同。

对于光源的这种性质，除可以用上述的显色指数表示以外，还可以用色温来表示。

如果一个光源发光的颜色和一定温度的黑体〔标准光源〕发光的颜色一样，那么该黑体的温度就为该光源的颜色温度〔简称色温Tc〕。

色温用绝对温标K 表示。

从视觉生理学来看，显色性好、色温较高的天然光是最理想的阅读光。

天然光的色温较高。

在高色温灯光照明下工作读书，由于其中蓝光成分多，使人的“醒觉度〞高，人有“日出而作〞的感觉，比拟兴奋，不易感觉疲劳。

而普通照明灯的光显色性好，但灯的光色偏红，色温偏低，犹如日落时的天然光。

当人们用这种灯照明阅读时，会有“日落而息〞的感觉，这会使人意识因疲劳而应放松需要休息。

人眼的分辨本领也会下降，即不容易分辨出两条靠得很近的细线。

这时当不自觉地用劲去阅读时，人眼也容易疲劳而受伤害。

光源的光谱
光谱是光源发出不同颜色的光通量的综合表征。

光源的显色性、色温都是由它的光谱决定的。

天然光的光谱包含了各种颜色的光是连续光谱。

可是一般的人造光源中只有普通照明灯泡是属于这一类。

而荧光灯的光谱主要决定于荧光粉发的可见光，配有不同荧光粉的荧光灯会发出不同的光谱，它们具有不同的光效、显色性和色温。

对阅读照明有用的光谱主要是可见光谱，是从蓝紫光到红光，波长为380 ～ 780 nm。

这也是国际照明界公认的测量照明用灯的主要光谱围。

最近有人提出“保健灯〞的光谱围是400 ～ 650 nm，他们把
380 ～ 400 nm和650 ～ 780 nm 的光谱抑制了，这样不仅会使整灯的本钱提高、光效降低，而且可能会影响蓝紫色的显色性能。

**个别照明节能灯和无极灯会发射紫外光〔254nm〕，这是不允许的，因为这种UVC 紫外光是杀菌消毒的主要光线，受它长时间辐照会对人眼的角膜产生有害损伤。

这问题应引起有关方面的注意。

照明均匀度
现有光源都是有一定体积大小的发光体，而不是大面积的光源，这种光源容易产生眩光或阴影。

当用这种光源时，被照桌上的照度不均匀，人们会不知不觉地在不同照度下阅读工作，也会造成人眼的疲劳。

为此应靠灯具来改善整灯照度的均匀分布。

这样整灯的光通量会减少，光效会下降，桌面的照度也下降，所以理想的照明灯的发光面积大，发光均匀。

调光
人眼的视觉效应是由很多复杂的因素构成，而且因人而异。

灯光亮度是其中一个很重要的因素，即使对同一个人，在不同年龄、不同情绪、不同环境下，对灯光都有不同的要求和反响。

阅读灯光的最正确亮度就会因人而异。

灯光太亮、太暗都会使人眼肌肉疲劳。

而可调光亮度的灯能补偿这些差异，因此灯具最好具有调光机构。

这样才能使人们在舒适的光照下进展工作和学习，减轻疲劳、提高效率。

其他
环境光〔背景光〕、阅读工作时间和阅读距离以及姿态都会影响视觉安康。

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一些爱好者对光度学的一些根本概念比拟模糊，比方到底什么是亮度？衡量亮度的单位是什么？如何测量亮度？
我们将试图以不失严格性的情况下尽量通俗的答复这些问题，同时给出四个量之间的关系和转换算法。

光度学与光相关的常用量有4个：
发光强度、
光通量、
照度、
亮度。

这4个量尽管是相关的，但是不同的，不能相混。

正像压力、重力、压强、质量是不同的物理量一样。

1、发光强度〔I〕，单位坎德拉，即cd。

定义：光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量定义为光源在该方向的(发)光强(度)，
解释：发光强度是针对点光源而言的，或者发光体的大小与照射距离相比比拟小的场合。

这个量是说明发光体在空间发射的会聚能力的。

可以说，发光强度就是描述了光源到底有多“亮〞，因为它是光功率与会聚能力的一个共同
的描述。

发光强度越大，光源看起来就越亮，同时在一样条件下被该光源照射后的物体也就越亮，因此，早些时候描述手电都用这个参数。

现在LED也用这个单位来描述，比方某LED是15000的，单位是mcd，1000mcd=1cd，因此15000mcd就是15cd。

之所以LED用毫cd〔mcd〕而不直接用cd来表示，是因为以前最早LED比拟暗，比方1984年标准5mm的LED其发光强度才0.005cd，因此才用mcd表示，现在LED都很厉害了，但还是沿用原来的说法。

用发光强度来表示“亮度〞的缺点是，如果管芯完全一样的两个LED，会聚程度好的发光强度就高。

因此，购置LED的时候不要一味追求高I 值，还要看照射角度。

很多高I值的LED并非提高自身的发射效率来到达，而是把镜头加长照射角度变窄来实现的，这尽管对LED手电有用，但可观察角度也受限。

另外，同样的管芯LED，直径5mm的I值就比3mm的大一倍多，但只有直径10mm的1/4，因为透镜越大会聚特性就越好。

之所以用发光强度来表示手电或LED，是因为在一样距离下对被照射地的照度是与这个成正比的。

特别的说，距离1m的lx就是cd值。

但是，很多场合下我们需要照射面积大一些，所以只用发光强度这一特性还不能全面反响手电的能力。

比方，同样的筒身，换个大头〔大反光杯〕那么I值马上增大许多。

因此，很多情况下我们用光通量〔单位流明，见下〕来表示手电了。

以上我们说“亮〞和“亮度〞时带了引号，是因为这是我们常规说的亮度，并非光度学严格意义上的亮度，这一单位后面会展开。

常见光源发光强度〔cd〕：
----------------------------------
太阳，2.8E
高亮手电，10000
5mm超高亮LED，15
2、光通量〔F〕，单位流明，即lm。

定义：光源在单位时间发射出的光量称为光源的发光通量
解释：同样，这个量是对光源而言，是描述光源发光总量的大小的，与光功率等价。

光源的光通量越大，那么发出的光线越多
对于各向同性的光〔即光源的光线向四面八方以一样的密度发射〕，那么 F = 4πI。

也就是说，假设光源的I为1cd，那么总光通量为4π =12.56 lm。

与力学的单位比拟，光通量相当于压力，而发光强度相当于压强。

要想被照射点看起来更亮，我们不仅要提高光通量，而且要增大会聚的手段，实际上就是减少面积，这样才能得到更大的强度。

要知道，光通量也是人为量，对于其它动物可能就不一样的，更不是完全自然的东西，因为这种定义完全是根据人眼对光的响应而来的。

人眼对不同颜色的光的感觉是不同的，此感觉决定了光通量与光功率的换算关系。

对于人眼最敏感的555nm的黄绿光，1W = 683 lm，也就是说，1W的功率全部转换成波长为555nm的光，为683流明。

这个是最大的光转换效率，也是定标值，因为人眼对555nm的光最敏感。

对于其它颜色的光，比方650nm的红色，1W的光仅相当于73流明，这是因为人眼对红光不敏感的原因。

对于白色光，要看情况了，因为很多不同的光谱构造的光都是白色的。

例如LED的白光、电视上的白光以及日光就差异很大，光谱不同。

至于电光源的发光效率，是另外一个相关的话题，是说1W的电功率到底能转化成多少光通量。

如果全部转换成555nm的光，那就是每瓦683流明。

但如果有一半转换成555nm的光，另一半变成热量损失了，那效率就是每瓦341.5流明。

白炽灯能到达1W=20 lm就很不错了，其余的都成为热量或红外线了。

测量一个不规那么发光体的光通量，要用到积分球，比拟专业而复杂。

常见发光的大致效率〔流明/瓦〕
---------------------------------
白炽灯，15
白色LED，80-100
日光灯，80
太阳，94
钠灯，80-120
3、光照度〔E〕，单位勒克斯即lx〔以前叫lux〕。

定义：1流明的光通量均匀分布在1平方米外表上所产生的光照度
解释：光照度是对被照地点而言的，但又与被照射物体无关。

一个流明的光，均匀射到1平米的物体上，照度就是1 lx。

照度的测量，用照度表，或者叫勒克斯表、lux表。

事实上，照度是最容易测量的了〔相对其它三个量〕，照度表很廉价就可以买到〔几百元〕。

为了保护眼睛便于生活和工作，在不同场所下到底要多大的照度都有规定，例如机房不得低于200 lx。

下的照度是自然界里面很大的也很常见的了，为11万lx左右，房间桌面照度为100勒克司。

常见照度〔勒克司〕：
-----------------------------------
直射〔正午〕下，110,000
阴天室外，1000
商场，500
阴天有窗室，100
普通房间灯光下，100
满月照射下，0.2
4、亮度〔L〕，单位尼特，即nt。

定义：单位光源面积在法线方向上，单位立体角所发出的光流
解释：这个是最容易被误解的概念了。

亮度是针对光源而言，而且不是对点光源，是对面光源而言的。

无论是主动发光的还是被动〔反射〕发光的。

亮度是一块比拟小的面积看起来到底有多“亮〞的意思。

这个多“亮〞，与取多少面积无关，但为了均匀，我们把面积取得比拟小，因此才会出现“这一点的亮度〞这样的说法。

事实上，点光源是没有亮度概念的。

另外，发光面的亮度与距离无关，但与观察者的方向有关。

说一个手电很“亮〞，并不是说该手电的亮度高〔因为手电是没有亮度概念的〕，而是说其发光强度大，或者是说被它照射的物体亮。

说一个星星〔点光源〕很亮，并非是说其亮度高，而是说其星等高而已。

亮度不仅取决于光源的光通量，更取决于等价发光面积和发射的会聚程度。

比方激光指示器，尽管其功率很小，但可会聚程度非常高，因此亮度非常高。

常见发光体的亮度〔尼特〕：
-----------------------------------------
红色激光指示器，20,000,000,000
太阳外表，2,000,000,000
白炽灯灯丝，10,000,000
下的白纸，30,000
人眼能习惯的亮度，3,000
满月外表，2,500
人眼能比拟好的分辨出颜色的亮度，1
满月下的白纸，0.07
无月夜空，0.0001
5、一个综合计算的例子。

一个普通40瓦的白炽灯泡，其发光效率大约是每瓦10流明，因此可以发出400流明的光。

我们可以认为灯泡在空间上发光是均匀的，那么距离该灯泡1米处，其照度为400/12.56=32勒克司。

其中12.56 = 4π，就是半径1米的球体的外表积〔已经假设400流明的光是均匀分布在这个球体上的〕。

再假设被照射物体是某种绿色漫反射的，反射率是15%，那么，这个绿色物体被照射后就成为被动发光的，其外表亮度是15% * 32 / π = 1.5尼特。

问1、如何把LED的光会聚到一点？
答，这是不可能的。

光学上有个定律，叫做像的亮度永远不大于光源的亮度。

LED是有发光面积的，因此有亮度，要是把全部或者大局部光会聚成很小的区域，其亮度就超过LED本身的亮度了，因此是不可能的。

为了尽可能的会聚，只能增大反光碗/聚光镜的尺度。

用组合透镜或者其它方法无济于事。

问2，照度和被照物体的亮度有什么关系？
答，亮度=反射率*照度/π
问3，如何测量手电或者LED的发光强度？
答，在黑暗中把照度表的探头放到地上，距离1米处的把手电或LED向下照射测得照度的勒克司值，就是其发光强度的cd值。

问4，如何用照度计测量亮度？
答，亮度计和照度计是两个东西，不能直接替代的。

亮度计是测量发光体的亮度的，而照度计是测量被照射地点的照度的。

但是，如果想知道比拟大一些面积的发光体比方灯箱的亮度，同时这个物体触手可得，那么可以用照度计的探头直接贴在发光体上，
读出勒克司值后再乘上一个系数，就是亮度的尼特值
问5，如何测量一个灯泡的发光效率？
答，可以用照度表，黑天在室外找一个相对较暗且空旷的地点，需要一个比拟稳定的电源和照度表。

空旷的目的是不要有反射光照射到照度表上，因此测试时身体尽量远离灯泡和照度表，照度表表头距离灯泡中心1m处测得照度值为E，那么效率 = 4 * π * E / N，结果单位是流明/瓦，其中N为灯泡功率
例如灯泡为N=40W，读数为E=35.0 lx，那么效率就是 12.56 * 35 / 40 = 11流明/瓦
物体的颜色
人们感知的物体颜色涉及到色彩学、光学、化学及生理学等不同学科。

色温的定义。