立體角與光束角轉換器|LED 光束角、立體角 Ω 與光通量計算工具

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立體角與光束角轉換器

立體角與光束角轉換器

在光束角(度)、立體角 Ω(sr)、軸向光強度 I₀(cd)與總光通量 Φ(lm)之間即時換算。

光強分佈模型
計算方向

半功率角 θ½(半角):從光軸量起,光強降到軸向值 50% 的單側角度。

光束角/全角 FWHM(2θ½):光強降到 50% 的兩側方向之夾角,等於 2 × θ½。LED 規格書的「光束角 120°」通常指全角。

不同廠商對「半角」「半功率角」「半值角」的用法並不一致(有的指單側、有的指全寬),輸入前請在下方明確選擇是全角或半角。

常見全角

換算結果

半功率角 θ½(單側)

—°

全角 FWHM(2θ½)

—°

幾何圓錐立體角 Ω = 2π(1 − cos θ½)

—sr

模型等效立體角 Ωeff = Φ / I₀

—sr

模型參數

—

Ωeff 佔半球(2π sr)

—%

視場角(10% 光強)全角

—°

光強降到 I₀ 的 10% 的兩側夾角

光束示意與光強度分佈

左圖為光束截面示意,角度依實際比例繪製:深藍扇形是光強 ≥ 50% 的範圍(光束角),淺色虛線是光強 ≥ 10% 的範圍(視場角)。右圖為光強隨離軸角的變化。

光強度 I₀(cd)與光通量 Φ(lm)近似換算

兩欄擇一輸入即可,另一欄自動換算;以最後編輯的欄位為準,角度或模型改變時另一欄會跟著更新。

若誤用均勻圓錐 Φ = I₀·Ω

—lm

公式與說明

Ω = 2π (1 − cos(α/2)) = 4π sin²(α/4) (α 為全角,圓錐立體角)
Φ = I₀ × Ωeff (Ωeff 由光強分佈積分而得:Ωeff = ∫ I(θ)/I₀ dΩ)
Lambertian(廣義 cosm 模型)
  • I(θ) = I₀ cosmθ,由半功率角反推冪次:m = −ln 2 / ln(cos θ½)。
  • 前半球積分:Φ = 2π I₀ / (m + 1),即 Ωeff = 2π / (m + 1)。
  • m = 1 為理想 Lambertian:θ½ = 60°(全角 120°),Φ = π × I₀,此時 Ωeff 恰等於 120° 圓錐的 Ω = π sr。
  • 光束角比 120° 窄 → m 變大、光更集中;比 120° 寬 → m < 1。
高斯近似
  • I(θ) = I₀ exp[−ln 2 · (θ/θ½)²],在 θ = θ½ 時剛好為 50%;等效標準差 σ = θ½ / √(2 ln 2) ≈ 0.849 θ½。
  • 小角度(sin θ ≈ θ、積分延伸到無限遠)近似:Ωeff ≈ π θ½² / ln 2 ≈ 4.53 θ½²(θ½ 以弧度計),即以全角 α 表示為 Ωeff ≈ 1.133 α²。
  • 本工具實際以數值積分(含 sin θ,積分範圍限於前半球 0~90°)計算;寬角度時與小角近似的差異會明顯變大。
  • 高斯曲線有「尾巴」,因此同樣的 FWHM 下,Ωeff 比均勻圓錐約大 1.44 倍(小角度時)。
使用限制
  • 兩種模型都假設光強分佈對光軸旋轉對稱,且只向前半球發光;非對稱配光(例如路燈、長條透鏡)請改用實測 IES/LDT 檔積分。
  • 實際 LED 與二次光學的配光不會是理想的 cosm 或高斯曲線,換算結果為估計值,誤差常在數 % 到 10% 以上。
  • 另有「視場角(field angle)」,指光強降到 10% 的全角,通常大於光束角(50%),兩者不可互換。
  • 1 sr ≈ 3282.8 deg²;整個球面為 4π sr,前半球為 2π sr。

常用光束角速查(全角)

OPTICAL ENGINEERING · LED LIGHTING

立體角與光束角轉換器

從光束角到立體角 Ω,從半功率角 FWHM 到總光通量 lm。 透過專業 LED 光學計算工具,快速掌握光束分布與光學參數之間的關係。

BEAM ANGLE LED LIGHT SOURCE
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什麼是立體角與光束角?

在 LED 照明設計、光學工程與光源分析中, 立體角與光束角轉換器 是協助工程師快速理解光束分布的重要工具。

光束角(Beam Angle)與立體角(Solid Angle, Ω) 是描述光源發光範圍的兩個重要參數,廣泛應用於 LED 元件、照明燈具、光學透鏡、投射光源及光學模組設計。

光束角通常以度(°)表示,而立體角則以球面度(sr)表示。 透過兩者的換算,可以進一步了解光源在三維空間中的發光範圍, 並作為光通量與軸向光強度估算的基礎。

專業 LED 光學計算功能

整合常用光學參數,讓複雜的光學換算變得簡單直覺。

◉

光束角計算 Beam Angle

輸入光束全角或半功率半角,即時計算對應的圓錐幾何立體角。

◎

立體角計算 Solid Angle

輸入立體角 Ω(sr),反向推算對應的等效光束全角。

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Lambertian 朗伯體模式

依照朗伯體光強度分布,估算軸向光強度與總光通量。

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Gaussian 高斯近似模式

利用半功率角 FWHM 與高斯光束模型,估算有效立體角及光通量。

半功率角 FWHM 與全角的差異

LED 規格書中常見的光束角,通常是指光強度下降到軸向最大光強度 50% 時,左右兩個半功率點之間的完整夾角,也就是 FWHM。

重要觀念: 半功率半角是光軸到單側半功率點的角度; 全角則是左右兩側半功率點之間的角度。 例如半功率半角 30°,對應的全角就是 60°。

立體角與光束角的核心計算公式

1. 圓錐幾何立體角

Ω = 2π × [1 − cos(α / 2)]

其中 α 為光束全角。計算時需將角度轉換為弧度, 即可得到圓錐所涵蓋的幾何立體角,單位為 sr。

2. Lambertian 朗伯體光通量

Φ = π × I₀

I₀ 為軸向光強度(cd),Φ 為總光通量(lm)。 朗伯體假設光強度依照 cosθ 分布,適用於理想朗伯型光源。

3. Gaussian 高斯光束近似

Ωeff ≈ π × αFWHM² / (4 ln 2)

Φ ≈ I₀ × Ωeff

高斯模式將輸入全角視為 FWHM,並使用小角度近似估算有效立體角。 當光束角較大時,計算結果可能與實際球面積分存在差異。

立即使用立體角與光束角轉換器

不必手動查表或反覆計算!輸入光束角、立體角、 軸向光強度或總光通量,即可快速取得估算結果。

開啟互動式計算器 →

提示:請將按鈕網址替換成你實際上傳的 HTML 工具網址。

哪些專業人士適合使用?

LED 封裝工程師

分析 LED 光束角、光強度及發光分布,協助光學參數評估。

照明設計師

了解不同光束角對照明範圍與光通量的影響。

光學研發人員

進行透鏡、反射罩與光源模組的初步光學分析。

光學與照明學生

透過即時計算理解立體角、半功率角與光通量的關係。

常見問題 FAQ

Q1:光束角 60° 代表什麼意思?

一般代表光軸左右兩側半功率點之間的完整夾角為 60°,單側半功率半角為 30°。

Q2:立體角 sr 與光束角有什麼關係?

立體角描述三維空間中的角度範圍;光束角則以平面角度描述光束的張開程度。對軸對稱圓錐光束,可透過圓錐立體角公式進行換算。

Q3:Lambertian 與 Gaussian 模式有什麼不同?

Lambertian 假設光強度依 cosθ 衰減;Gaussian 則以高斯函數描述光強度隨角度的衰減。兩者代表不同的光束模型,不能任意互換。

Q4:光強度 cd 可以換算成光通量 lm 嗎?

可以,但需要知道光源的角度分布模型或有效立體角。不同光束分布會得到不同的光通量估算結果。

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