当我们用日常用语描述光环境时，大家常常笼统地说“亮”，或者“不亮”、“太暗”了。根据测量的几何条件不同，光的“亮/暗”程度，对应了数个重要的（不同）测试项：每一项，对应的测试方法和设备都不一样！通常情况下不能通用！它们的单位也不一样！数值测试出来也不一样！（心好累……所以，学光学工程类的课，这几个概念几乎是必考题，一考一个不吱声 
首先，我们都知道，要买灯泡/灯管的时候，功率是个重要的参数：毫无疑问，14W的灯比8W的要亮，18W又比14W亮。但是，同样14W的LED灯管，跟14W的白炽灯相比，是不是一样亮呢？那不能。由于发光原理的不同，LED将电能转换为光能的效率比白炽灯高，所以同样的功率条件下，LED灯会亮不少。那么14W的LED灯和14W的荧光灯比，谁又比较亮呢？不一定。继续追问，都是14W的LED灯，是不是一样亮呢？也不一定。为了定量的讨论这个问题，我们需要知道一个14W的灯，到底能发出多少光。这个对应的概念就是“ 光通量 ”。
光通量（luminous flux）是指光源在单位时间内发出的、各个方向上的、可见光的总能量。关键点： 可见光：光通量只考虑可见光谱范围内的光，即大约在380到780纳米的波长范围内。 感知加权：由于人眼对不同颜色的光感知不同，光通量的计算会根据人眼的视觉灵敏度对不同波长的光进行加权（视见函数，luminosity function，V(λ)）。 总量：光通量是一个总量，即不考虑光源发出的光在空间中的分布情况。 单位时间：与光通量相关的是辐射功率，它表示光源发出的所有电磁辐射（包括可见光和不可见光）的功率（单位时间消耗的能量）。光通量是可见光波段、经过感知加权的辐射功率。
由于光通量不考虑光的方向性，测量的时候就需要把各个方向上的光都收集起来，所以一般要用积分球来测量：直观的说，积分球像一个完全封闭的兜子一样，把所有的光都兜进去，这样测出来的就是光源发出来的所有的光。原理就是这样。不过实际测起来，往往因为技术条件的限制，需要多拐几个弯，才能实现这个简单设想：光源放在积分球的中心位置（见右上图）。积分球内壁涂有高反射材料。光源点亮后，光线会在球内多次反射后呈均匀分布。这时，积分球的球壳上会留出一个开口，然后放上光度头，用来测量积分球上某一个点的光能大小。这样，就可以通过积分的方式计算出光通量啦。光通量的单位是流明（lumen），符号为 “lm”。左图为LED灯管，中图为荧光灯管，右图为白炽灯。可以看到，消耗同样14W电能的情况下，（这一款）LED灯和（这一款）荧光灯产生的光能几乎持平。对6500K白光而言，LED灯又略亮一些。白炽灯则没有找到14W的资料，按上图资料的630lm/55W来换算，14W大概有160lm，光通量会低很多，所以同样的功耗下，led或者荧光灯会比白炽灯亮很多。
当我们进行照明设计或者显示设计的时候，光通量的估算是非常重要的。用什么样的光源，设定多大的功率，就能知道这个光源能获得的光能的上限，直接影响到照明/显示设计的质量、效率和成本。但光通量的大小，还只是一个基础参数，并不能满足实际应用的全部需求：在灯珠、灯泡、灯管的基础上，我们往往会对灯具进一步设计：加上灯罩、反射镜、透镜等等，从而改善光线的分布特性，比如不希望灯珠直接进入视野范围晃到眼睛啦，比如想让光都集中在书桌上而不是浪费在天花板上啦，比如想让光束聚焦从而传得更远啦……这样一来，光源的光，在不同方向上就产生了强度的变化。为了描述光源在不同方向上的强度特性，就有了另一个描述光亮暗程度的概念： '光强度' 。
光强度（light intensity），也称为发光强度。将测量到的光通量除以测量时的空间角大小，就得到了特定方向上、单位立体角内的光通量，国际单位是坎德拉（candela，符号：cd）。立体角是一个在三维空间中的角度度量，类似于二维空间中的平面角。打个比方来说，光通量好比是自来水厂输出的所有水的流量，光强度就是只针对某一个管道的流量。有的光源具有较强的方向性，不同方向的强度差异较大。例如探照灯、汽车车灯等。 有时我们又希望能获得更均匀的照明效果，希望在不同方向上的光强度能大致相等，例如教室里的学习环境照明。 这时，用光强度来描述就比笼统的用光通量描述更准确。测量不同角度的光强度，就形成了光强分布曲线，可以帮助照明工程师进行更合理的光束角设计。 从上面的光强分布曲线图中可以看出，右边的光源比左边的空间分布更均匀。上图为一家中国公司的近场型光强曲线测量设备：GO-NR1000 Near-field Goniophotometer。由于LED的封装多种多样，不同型号的灯珠光强空间分布特性差异很大，所以对LED来说这个光强分布曲线的测试还蛮重要的。要测光强曲线，要么光源旋转光度计固定，要么光源固定光度计旋转，所以设备往往设计复杂，造价高，维护也比较麻烦。感兴趣的同学可以搜一下关键词“goniophotometers”。
光亮度，则是在角度分布上进一步考虑了平面分布特性。啥意思呢？传统的光源，要么可以视作点光源（灯泡），要么可以视作线光源（灯管），我们一般不关心它们的平面特性。但面光源就不一定了，特别是面光源要用于显示场景的时候：一个显示器，显示一个纯白的画面时，就应该像白色纸张一样，每一个位置的白，都是同样的白。否则就会出现光带啦，光斑啦，暗角啦之类的缺陷。然后就连带其他所有的显示画面一起都出现这种缺陷，会引发客户投诉的好伐？！这台设备均匀性瞅着还行，但仔细看还是能看出来有点暗角。这个暗角可能目视情况下没有这么明显，是被照片把暗角情况放大了（图片来自网络要讨论均匀性，其实就是要讨论显示面板的“这个点”和“那个点”之间的亮度区别。于是就有了光亮度的概念：光亮度（Luminance）：用测量到的光强度除以测量的光源面积大小，就得到了光源的某个位置的单位面积上、某个方向的单位立体角内发出的光通量，单位为坎德拉每平方米（cd/m²）。这款前面有个凸透镜，让光路聚焦在光源平面上完成测量。它体积比较大是因为里面有光栅，可以测色度。所以也很重，需要个专门的架子或者桌子来放置。体积小的就不带光栅，只测光亮度或者用滤色片测色度，可以手持。上图报告里显示，这台显示器第一行的左右角（1区和3区）亮度最大，第三行的中间位置（8区）亮度最小，跟最亮的3区比，亮度掉了17% （刚想说它均匀性表现相当一般。定睛一看，是个5年前的曲面屏，哦那没事儿了）。
当一个人说某某“很亮”的时候，有可能指的是光源的光强度大，也可能是显示终端的光亮度高。另外，还有一种可能性，就是在说某一个地方“很亮”。这时就不是说光源亮不亮，而是这个地方照度高，所以显得很亮堂。一个很常见的例子：没有人造光源的室内环境，离窗边越远就越暗。正面对着窗户跟侧对着窗户，受到的照度也大有不同。安藤忠雄的光之教堂设计就利用了这一特点，用光在室内空间的强弱变化来强化空间感。咱们以点光源为例。同样的空间角条件下（θ），距离光源的距离d越大，这一束光覆盖的面积就越大，于是单位面积上分到的光就越少，因此照度越小。简单说就是离光源越远，接收到的光就越少。而且这个效应距离越远越明显（和d的平方呈反比）。例如，天气晴好时的光源基本可以视为一种平行光。上图的模特脸上有条明显的明暗交界线，说明夕阳光落在脸上的照度出现了跳变。如果稍微转一下角度，效果就大有不同。图片来自网络。所以，灯的瓦数越大，光通量就越高，光强度就越大，对应的被照射物体的照度就越大。但同时，同样的光源条件下，距离光源的距离和方向不同，照度还会进一步发生很大的变化。总之，照度（Illuminance）是一个描述光线在某一表面上分布的光能功率密度的概念，由光源的光强度以及受光表面和光源的方向、距离、反射环境等因素共同决定。单位是勒克斯（lux），定义为每平方米1流明（lumen）的光通量。测量原理就是把某个表面接收到的光都收集起来，再除以这个表面的面积，设备长这样：这种有个白色的圆圆的头的就是照度计。这个圆盖子（余弦校正器）下面就是传感器，会测量在这个位置上、单位面积接受的光的能量大小。摄影师测布光就要用到它。用它的时候不需要做对焦，想测哪里的照度就把测试头放哪里。一般来说，做光源制造和照明设计会比较关心光通量和光强度。但如果做展陈、摄影等布光工作，就更应该关心照度。因为它通常才是用户最后真正主观感受到的“亮度”，体现了被照明的物体接收到的光能大小。
上面讲的概念都是客观概念，对它们的测试都属于物理测试（光度测量）。接下来要讲的明度，则是一种心理物理量，是人基于光亮度物理信号的一种主观判断（色度测量）。这种主观判断的影响，首先体现在对亮度的“非线性响应”上。上图中有黑白灰三个色块。如果你的显示屏亮度为400（cd/m^2），那么中间的灰色就是200（cd/m^2）。但看起来它并不是一个中等明度的灰，而是一个浅灰色。这是因为，人眼对低亮度的变化更加敏感，对高亮度的变化则不怎么敏感。人的心理感受对物理刺激值的非线性响应的特点，在亮度感知、声音感知、重量感知等许多不同的领域都能观察到，这就是韦伯-费希纳定律（Weber-Fechner law）等心理物理学研究的探讨内容。上图的亮度增加是均匀的，每个上升的台阶都一样高。但从主观感受而言，你并不会觉得明度变化是均匀的，而是变亮得太快了，整个灰阶有点“发白”。 所以显示器的亮度要进行伽马调整，调整曲线要正好和人眼的响应曲线相反。这样负负得正，最后看在我们眼里就会正好是一个“正常”的、线性的画面（参见颜色管理 | 显示器校准③伽马是个什么马？）： 图由作者自绘，详细讨论见《大话色彩学》第六章《鬼神莫测的色差》。 此处应有广告 其次，什么是白，和视觉经验有关，也和视野中最亮的白有关。 如果你的手机亮度设置在80%的刻度上，显示一个白画面，可能你会觉得这就是白了。这时，另一个一模一样的手机放旁边，但亮度设置为100%，两者比较之下，你又会觉得100%这个才是白，刚才那个变灰了。白点定义了颜色空间的最高点，其他颜色也会顺理成章的受到它的影响。所以事实上所有视野范围内的颜色都会受到白色参考点的影响。在色度学测量中，如果要将光亮度转换为明度，必须先定义一个参考白：
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