01 · 定義
流明是發光強度為一燭光的光源在一球面度立體角內發出的光通量。這個量描述光源向外給出的全部光,與它朝哪個方向照無關。
正是流明在燈的包裝上取代了瓦,因為發光二極體讓功率變成了毫無意義的亮度尺度:六十瓦的白熾燈和八瓦的發光二極體給出同樣的八百流明。要完整地量出通量,必須把各個方向的光都收集起來——向各方向均勻發光的光源發射在四π球面度之內,也就是說,它的流明數是其發光強度燭光數的 12.57 倍。發光強度相同但光束很窄的投光燈,通量要小上幾十倍,而單憑包裝上的一個數字,你無法把它和普通燈泡區分開。
瓦說的是設備吃掉多少,流明說的是它給出多少光。蘇聯時代八十瓦的燈比今天十瓦的還暗:功率在長,發光效率卻原地踏步。
白熾燈每瓦約給十三流明,鹵素燈二十,日光燈六十,今天的發光二極體一百二十到兩百。顯色可接受的白光,理論上限在三百左右;而絕對上限,對單色綠光而言,是 683 流明每瓦——這已經不是技術限制,而是燭光的定義。白熾燈與發光二極體的差別解釋起來很簡單:熾熱的燈絲幾乎把全部能量輻射到紅外去了,而眼睛根本看不見紅外。
標度的上端是太陽:3.6·10²⁸ 流明。其中正午能到達地面的約十萬勒克斯,沒有哪盞燈敢與之爭。
02 · 換算
輸入磁通——檔案會把它按單位拆開
換算成燭光只有在對立體角作出說明後才可能,因此表格按各方向均勻發光計算。最後一行的瓦不是燈的功率,而是視效函數極大值波長處的輻射通量。
只看流明還不足以挑燈:通量相同的兩個光源,色溫和演色性指數可以完全不同。兩千七百 K 給出白熾燈那種溫暖的黃光,六千 K 給出冷的日光;演色性指數低於八十,意味著房間裡的顏色會失真,食物和皮膚看上去都不自然。歐洲的能效標籤要求包裝上三個數字齊全,但人們通常只看得見通量。
| 單位 | 名稱 | 數值 | 常見於何處 |
|---|---|---|---|
| lm | 流明,國際單位制單位 | 800 | 流明,國際單位制單位 |
| klm | 千流明 | 0.8 | 千流明 |
| Mlm | 兆流明 | 0 | 兆流明 |
| mlm | 毫流明 | 800000 | 毫流明 |
| cd·sr | 燭光每球面度——完全一樣 | 800 | 燭光每球面度——完全一樣 |
| lm·h | 流明小時:光量,通量乘以燃點時間 | 800 | 流明小時:光量,通量乘以燃點時間 |
| W(LED) | 發光二極體的瓦:為這些通量要吃掉多少 | 5.71 | 發光二極體的瓦:為這些通量要吃掉多少 |
| W(inc) | 白熾燈的瓦——上個世紀留下的習慣 | 61.5 | 白熾燈的瓦——上個世紀留下的習慣 |
| HK | 赫夫納燭:德國的乙酸戊酯標準 | 88.9 | 赫夫納燭:德國的乙酸戊酯標準 |
四π這個因子只對各方向均勻發光成立。
03 · 數量級
從指示燈到燈塔幾百到幾千:房間燈、檯燈、汽車頭燈
04 · 測量儀器
用什麼量光通量
內壁塗成白色漫反射層的空心球:裡面燈的光被反射上千次,球壁上的照度便與總通量成正比,而與燈原本朝哪兒照無關。這是燈具認證的標準儀器,直徑從二十公分到三公尺。
偵測器沿著球面緩慢繞光源一周,記錄每個方向上的發光強度;通量由積分得出。量測要花上幾個小時,換來的是完整的配光曲線——沒有它就沒法設計燈具。
它把光分解成光譜,再用視效函數為每個波長加權。對譜線很窄的光源——發光二極體和氣體放電燈,普通光度計的濾光片與視效函數吻合得不夠準——這是唯一能不帶系統誤差量出通量的辦法。
流明的定義本身就藏著一條視效函數——眼睛的平均靈敏度,是 1920 年代在幾十位觀察者身上量出來的。所以包裝上寫著同一個數字的兩盞燈,看起來可能並不一樣:通量相等,光譜不同。
一隻特意挑選、用穩定電流點亮的白熾燈,其通量由國家研究機構出具證書。人們用它校正積分球和光度計,而它自己也會老化:標稱壽命以幾十個燃點小時計,之後必須重新校驗。
05 · 書寫規則
兩個字母都小寫,別和勒克斯弄混
單位符號是兩個小寫拉丁字母 lm,用正體。名稱來自拉丁文 lumen——光,所以其中沒有大寫字母。漢語中數詞後不變形:八百流明。
這個量的符號是斜體希臘字母 Φ。流明描述光源,勒克斯描述被照面:給一盞燈標上勒克斯,就是不說距離,也就等於什麼都沒說。手電筒和投光燈的廠商喜歡標「ANSI 流明」——按美國方法、在規定預熱時間下量得的通量;流明還是那個流明,只是測試條件寫明了,正因如此數字才可比。另有一個陷阱:「二極體出光口的流明」與「燈具射出的流明」不是一回事——擴散罩和反射器要吃掉一成到三成。
投影機上寫的是「ANSI 流明」:還是同一個流明,只是按標準方法、在銀幕上取九點量出。沒有 ANSI 字樣的數字不值得互相比較——廠商愛怎麼量就怎麼量。
06 · 相鄰單位
流明站在燭光和勒克斯之間:燭光說光源朝一個方向照得多亮,流明說它一共給出多少光,勒克斯說其中有多少落到了面上。
在 Simetrium 的檔案中 與流明相鄰 燭光 和 立體弧度 出自定義的, 勒克斯 作為單位面積上的通量, 英尺燭光 在英美的做法裡,還有 瓦特,光通量正是靠視效函數繫在它上面的。
07 · 歷史部分
從蠟燭到盒子上的數字
德國的標準曾是赫夫納燈,它用直徑嚴格規定的燈芯燃燒乙酸戊酯。它給出的約為新燭光的十分之九,但受空氣濕度和氣壓影響之大,結果必須換算到標準條件。
國際電工大會把流明與勒克斯、輻透一同引入。名稱取自拉丁文 lumen——光;同一個詞根在光學裡也用,那裡的 lumen 指管子的內腔。
與它並存的還有一個光量單位——流明小時,即通量乘以燃點時間。煤氣燈和煤油燈的消耗就是這樣算的:不是亮度,而是一盞燈一晚上共給出了多少光。
理查·烏布利希提出了一個內壁漫反射的空心球,光在其中反覆反射,直到完全失去方向。原本需要沿球面繞光源一圈才能完成的通量量測,從此只剩下一次讀數。
歐洲標籤要求把光通量印得比功率還大:當發光二極體每瓦能給出六倍的光時,瓦數就再也說明不了亮度。買燈的人不得不記住一個新數字——八百流明,而不是習慣了的六十瓦。
683 這個數,是一支蠟燭留下的
燭光定義中的係數 683 流明每瓦看起來是隨手定的——它確實是隨手定的。1979 年這樣選,是為了讓新的燭光盡量精確地與舊燭光重合,而舊燭光是用鉑在凝固溫度下的輻射定義的,那個定義本身又是照著更早的蠟燭調出來的。每一步都保住了銜接,於是在國際單位制一個單位的基本定義裡,至今住著一根燈芯和乙酸戊酯的記憶。2019 年起流明與瓦精確相連:這個係數被宣布為常數,像光速或電子電荷一樣。但精確的只有與 540 太赫茲單色輻射之間的關係——對任何真實光源,通量都要把光譜按視效函數加權算出,而視效函數描述的是一個平均觀察者,自然界裡並不存在這樣的人。光度學的精度極限由此而來:最好的國家標準複現流明的不確定度約為千分之二——比電學單位差五個數量級。
這 683 是 555 奈米單色光的最大值,那正是眼睛最靈敏的地方。白光的上限要低些,約 350 流明每瓦:光譜中有一部分是白所必需的,眼睛卻幾乎看不見。
目錄 · 計量單位
每個量都有一份檔案
七個國際單位制基本單位、二十二個有專名的導出單位,以及工程和日常都離不開的非國際制單位。每個單位一頁:定義、換算、儀器、書寫規則。共 36 種語言。
有專名的 SI 導出單位
流明的名片已打開SI 基本單位
琥珀色的是燭光——流明由它構成光通量的其他寫法
檔案語言
36 種語言。符號 lm 是國際通用的,對色溫的習慣卻不是:北歐和美洲喜歡 2700 K 的暖光,亞洲喜歡冷的日光,譯文中的建議照顧了各地的習慣。