led燈設計 led照明設計
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產品知識  Product Knowledge

在五種感官裡,視覺包含「光」與「色」,都是可以量化來表示的,這是因為視覺反應具有加成性與較少的個人差,色彩的量化屬於色度學的領域,光的量化屬於光度學的領域。

我們如何看到顏色
https://www.youtube.com/watch?v=l8_fZPHasdo

眼睛的視覺行為

人的眼睛能夠看到五光十射的世界,是因為眼球具備能感知明暗的「桿狀細胞(Rod)」,和在明亮環境下能感知顏色的「錐狀細胞(Cone)」所組成,這兩種細胞是因為它們的形狀如此,依其形狀來命名。錐狀細胞又有分別對紅、綠、藍光有反應的三種細胞組成,其數量大約為32:16:1。因此,可以說人眼是由高感度黑白底片及中感度彩色底片所形成的

日常生活中使用的所有光源,明亮度是在相當寬廣的範圍內變化,人眼在太陽光底下約100,000 lux和沒有月光的黑夜間約0.0003 lux都能看到物體。為了適應如此寬廣的照度範圍,人眼可利用相當於照相機光圈的瞳孔來調節進入眼睛的光量,瞳孔的直徑變化範圍為2~7mm,由瞳孔進行的光量調節能力可達12倍。但是,單靠瞳孔孔徑的變化還是不夠,再加上桿狀細胞錐狀細胞一起分擔工作,能夠大幅提高網膜感度的變化能力。

在較亮環境下只有錐狀細胞作用,這種視覺狀態我們定義為「明視覺(Photopic Vision)」;在較暗環境下只有桿狀細胞作用,這種視覺狀態我們定義為「暗視覺(Scotopic Vision)」;在明視覺和暗視覺之間的狀態下,錐狀細胞和桿狀細胞都起作用,我們定義為「中間視覺(Mesopic Vision)」。當人眼從暗處往明亮處移動時,視覺經由暗視覺、中間視覺再到明視覺,整個變化過程約1分鐘才能完成,反之,當人眼從明亮處往暗處移動時,整個變化過程到完全適應約需要30分鐘,所以人眼需要花較多時間去習慣黑暗處。

在明視覺狀態下,桿狀細胞的光反應在達到上限後,對光不再反應就會出現刺眼(或目眩)的情形,此時會轉由錐狀細胞在運作;錐狀細胞的光反應也有上限,超過上限也會產生刺眼的不適感。對白光而言,在暗視覺的初期約10分鐘內是錐狀細胞在作用,之後會轉由感度較高的桿狀細胞進行作用。但在紅光下,明視覺轉到暗視覺的階段,桿狀細胞不會起作用,這可以解釋錐狀細胞和桿狀細胞對不同光色有不同的反應,桿狀細胞對紅光沒有反應。

光視效率Luminous Efficacy

目視光線所能感受到的程度稱為「感度(Sensitivity)」,少量光線就能感受到明亮則代表高感度。對不同波長的定量光獲得的感度稱為「光譜感度(Spectral Sensitivity)」,即使具有相同輻射能量的光,隨著光的波長朝紅外光或紫外光方向偏移,得到的感度也會不同,因此,人眼感受光的明暗和光的波長有關。另外,從明視覺移向暗視覺,對白光和紅光的反應也會不同,這可以用來解釋錐狀細胞和桿狀細胞的光譜感度是不同的。為了得知人眼對各別波長的感度關係,1924年,國際照明委員會(Commission International de I’Eclairage;簡稱「CIE」)首先採用7組251名具正常色覺者測定其平均值,做為明視覺之光譜光視效率;1951年使用同樣方式,確定了暗視覺的光譜光視效率 。如下圖,黑色曲線為「明視覺」光視效率的函數曲線,綠色曲線為「暗視覺」光視效率的函數曲線,這些值是採用許多人測試的平均值,並非每個人都具有一樣的結果。實線為「CIE 1931」(註)標準,斷續線為1978年修正數據,點線為2005年修正數據。明亮環境中,對波長555nm的黃綠光特別敏感;黑暗環境中,對波長505nm的藍綠光最敏感。

光度量單位

宇宙中所有的物體,能自行發光的稱為「光源」,分為「自然光源」及「人工光源」兩種;而這些光源發出的光之顏色稱為「光源色」,如太陽光、燈泡、螢光燈等。為了讓所有的可見光頻譜範圍內,有一套專屬的國際通用單位,如同我們用來計算長度、重量、時間所使用的單位,因此,國際間制定了「光通量」、「光強度」、「照度」、「輝度」等用來衡量光的度量單位。光度學可說是研究「人眼感知光強弱的學問」。

光通量Luminous flux: 1個基本光源所放射出光能量的速率或光的流動速率,用來定義光源發光能力的基本量,單位為:流明(lm)。
物理表達式為:
K:光敏度、感光度、人眼對於彩色的感知能力。K是波長555.016nm的光功當量,亦稱做最大光功當量,值為683.002 lm/W;K值使光通量的單位與輻射量的單位得到統一。
λ:光的波長。事實上,人眼只對波長介於380nm~780nm的光有反應。
V(λ):光譜光視效率或光度函數(Luminosity Function)。定義為人眼相對光譜敏感度曲線,亦稱視見函數(Visual Sensitivity Function),是總結了眾多針對人眼的測試經驗而得到的,它描述了人眼對不同波長的光的反應強弱。

發光強度Luminous intensity:用來表示光源在給定方向上的立體角度內的發光強弱程度的物理量,單位為:燭光(cd)。物理表達式為:
Φ:光通量
Ω:立體角

照度Illuminance:在一個單位面積內所接收到的光通量,單位為:勒克斯(lux或lx)
計算式:

輝度(亮度)Luminance:一個單位表面在某一方向上的光強密度,可解釋為一個固定方向的發光強度,單位為:每平方米燭光(cd/㎡)
計算式:

光度量單位只考慮光的強度,並不考慮光的顏色;光色的評量屬於「色度學」範籌,詳細請參考「色度學」。

各種單位裡,發光強度(luminous intensity)亮度(luminance)容易混淆。我們假設一發光體為"S",它向四周各角度所發出的光"L"是相等的,將"S"安置在一空心球體內,當半徑增加時,表面積也同時增加;但照射到球外殼的總光通量是不變的,所以導致在球殼觀察到的亮度"B"會下降,如下圖所示:

因此,又衍生出照度(illuminance)這個單位。勒克斯(lux/lx)定義為1流明的光通量,均勻分布在1平方公尺的表面積上所產生的照度。
lux與距離成平方反比:

勒克斯(lux)與距離成平方反比

實際應用上,利用照度計在一個單位距離所測得的單點照度為100lux,若將距離拉至兩個單位距離,將會得到100除以2的平方,單點照度即得到25 lux;若將距離拉至三個單位距離,將會得到100除以3的平方,單點照度即為11.1 lux。

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