01 · 定义
流明是发光强度为一坎德拉的光源在一球面度立体角内发出的光通量。这个量描述光源向外给出的全部光,与它朝哪个方向照无关。
正是流明在灯的包装上取代了瓦,因为发光二极管让功率变成了毫无意义的亮度尺度:六十瓦的白炽灯和八瓦的发光二极管给出同样的八百流明。要完整地测出通量,必须把各个方向的光都收集起来——向各方向均匀发光的光源发射在四π球面度之内,也就是说,它的流明数是其发光强度坎德拉数的 12.57 倍。发光强度相同但光束很窄的投光灯,通量要小上几十倍,而单凭包装上的一个数字,你无法把它和普通灯泡区分开。
瓦说的是设备吃掉多少,流明说的是它给出多少光。苏联时代八十瓦的灯比今天十瓦的还暗:功率在长,光效却原地踏步。
白炽灯每瓦约给十三流明,卤素灯二十,荧光灯六十,今天的发光二极管一百二十到两百。显色可接受的白光,理论上限在三百左右;而绝对上限,对单色绿光而言,是 683 流明每瓦——这已经不是技术限制,而是坎德拉的定义。白炽灯与发光二极管的差别解释起来很简单:炽热的灯丝几乎把全部能量辐射到红外去了,而眼睛根本看不见红外。
标度的上端是太阳:3.6·10²⁸ 流明。其中正午能到达地面的约十万勒克斯,没有哪盏灯敢与之争。
02 · 换算
输入磁通——档案会把它按单位拆开
换算成坎德拉只有在对立体角作出说明后才可能,因此表格按各方向均匀发光计算。最后一行的瓦不是灯的功率,而是视见函数极大值波长处的辐射通量。
只看流明还不足以挑灯:通量相同的两个光源,色温和显色指数可以完全不同。两千七百开给出白炽灯那种温暖的黄光,六千开给出冷的日光;显色指数低于八十,意味着房间里的颜色会失真,食物和皮肤看上去都不自然。欧洲的能效标签要求包装上三个数字齐全,但人们通常只看得见通量。
| 单位 | 名称 | 数值 | 常见于何处 |
|---|---|---|---|
| lm | 流明,国际单位制单位 | 800 | 流明,国际单位制单位 |
| 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 | 坎德拉每球面度——完全一样 | 800 | 坎德拉每球面度——完全一样 |
| lm·h | 流明小时:光量,通量乘以燃点时间 | 800 | 流明小时:光量,通量乘以燃点时间 |
| W(LED) | 发光二极管的瓦:为这些通量要吃掉多少 | 5.71 | 发光二极管的瓦:为这些通量要吃掉多少 |
| W(inc) | 白炽灯的瓦——上个世纪留下的习惯 | 61.5 | 白炽灯的瓦——上个世纪留下的习惯 |
| HK | 赫夫纳烛:德国的乙酸戊酯基准 | 88.9 | 赫夫纳烛:德国的乙酸戊酯基准 |
四π这个因子只对各方向均匀发光成立。
03 · 数量级
从指示灯到灯塔几百到几千:房间灯、台灯、汽车前照灯
04 · 测量仪器
用什么测光通量
内壁涂成白色漫反射层的空心球:里面灯的光被反射上千次,球壁上的照度便与总通量成正比,而与灯原本朝哪儿照无关。这是灯具认证的标准仪器,直径从二十厘米到三米。
探测器沿着球面缓慢绕光源一周,记录每个方向上的发光强度;通量由积分得出。测量要花上几个小时,换来的是完整的配光曲线——没有它就没法设计灯具。
它把光分解成光谱,再用视见函数为每个波长加权。对谱线很窄的光源——发光二极管和气体放电灯,普通光度计的滤光片与视见函数吻合得不够准——这是唯一能不带系统误差测出通量的办法。
流明的定义本身就藏着一条视见函数——眼睛的平均灵敏度,是 1920 年代在几十位观察者身上测出来的。所以包装上写着同一个数字的两盏灯,看起来可能并不一样:通量相等,光谱不同。
一只特意挑选、用稳定电流点亮的白炽灯,其通量由国家研究机构出具证书。人们用它校准积分球和光度计,而它自己也会老化:标称寿命以几十个燃点小时计,之后必须重新检定。
05 · 书写规则
两个字母都小写,别和勒克斯弄混
单位符号是两个小写拉丁字母 lm,用正体。名称来自拉丁文 lumen——光,所以其中没有大写字母。汉语中数词后不变形:八百流明。
这个量的符号是斜体希腊字母 Φ。流明描述光源,勒克斯描述被照面:给一盏灯标上勒克斯,就是不说距离,也就等于什么都没说。手电和投光灯的厂商喜欢标「ANSI 流明」——按美国方法、在规定预热时间下测得的通量;流明还是那个流明,只是测试条件写明了,正因如此数字才可比。另有一个陷阱:「二极管出光口的流明」与「灯具射出的流明」不是一回事——扩散罩和反射器要吃掉一成到三成。
投影机上写的是「ANSI 流明」:还是同一个流明,只是按标准方法、在幕布上取九点测出。没有 ANSI 字样的数字不值得互相比较——厂商爱怎么测就怎么测。
06 · 相邻单位
流明站在坎德拉和勒克斯之间:坎德拉说光源朝一个方向照得多亮,流明说它一共给出多少光,勒克斯说其中有多少落到了面上。
在 Simetrium 的档案中 与流明相邻 坎德拉 和 球面度 出自定义的, 勒克斯 作为单位面积上的通量, 英尺烛光 在英美的做法里,还有 瓦特,光通量正是靠视见函数系在它上面的。
07 · 历史部分
从蜡烛到盒子上的数字
德国的基准曾是赫夫纳灯,它用直径严格规定的灯芯燃烧乙酸戊酯。它给出的约为新坎德拉的十分之九,但受空气湿度和气压影响之大,结果必须换算到标准条件。
国际电工大会把流明与勒克斯、辐透一同引入。名称取自拉丁文 lumen——光;同一个词根在光学里也用,那里的 lumen 指管子的内腔。
与它并存的还有一个光量单位——流明小时,即通量乘以燃点时间。煤气灯和煤油灯的消耗就是这样算的:不是亮度,而是一盏灯一晚上共给出了多少光。
理查德·乌布利希提出了一个内壁漫反射的空心球,光在其中反复反射,直到完全失去方向。原本需要沿球面绕光源一圈才能完成的通量测量,从此只剩下一次读数。
欧洲标签要求把光通量印得比功率还大:当发光二极管每瓦能给出六倍的光时,瓦数就再也说明不了亮度。买灯的人不得不记住一个新数字——八百流明,而不是习惯了的六十瓦。
683 这个数,是一支蜡烛留下的
坎德拉定义中的系数 683 流明每瓦看起来是随意定的——它确实是随意的。1979 年选它,是为了让新的坎德拉尽可能精确地与旧坎德拉重合,而旧坎德拉是用铂在凝固温度下的辐射定义的,那个定义本身又是照着更早的蜡烛调出来的。每一步都保住了衔接,于是在国际单位制一个单位的基本定义里,至今住着一根灯芯和乙酸戊酯的记忆。2019 年起流明与瓦精确相连:这个系数被宣布为常数,像光速或电子电荷一样。但精确的只有与 540 太赫兹单色辐射之间的联系——对任何真实光源,通量都要把光谱按视见函数加权算出,而视见函数描述的是一个平均观察者,自然界里并不存在这样的人。光度学的精度极限由此而来:最好的国家基准复现流明的不确定度约为千分之二——比电学单位差五个数量级。
这 683 是 555 纳米单色光的最大值,那正是眼睛最灵敏的地方。白光的上限要低些,约 350 流明每瓦:光谱中有一部分是白所必需的,眼睛却几乎看不见。
目录 · 计量单位
每个量都有一份档案
七个国际单位制基本单位、二十二个有专名的导出单位,以及工程和日常都离不开的非国际制单位。每个单位一页:定义、换算、仪器、书写规则。共 36 种语言。
有专名的 SI 导出单位
流明的名片已打开SI 基本单位
琥珀色的是坎德拉——流明由它构成光通量的其他写法
档案语言
36 种语言。符号 lm 是国际通用的,对色温的习惯却不是:北欧和美洲喜欢 2700 K 的暖光,亚洲喜欢冷的日光,译文中的建议照顾了各地的习惯。