Разбиране на четирите стълба на измерването на яркостта на LED светлините

Когато говорим за това колко "ярка" е LED лампата, често използваме неформален термин, който може да означава различни неща в различни контексти. Дали е общото количество светлина, излизаща от крушката? Интензитетът на лъча фокусиран ли е върху конкретна точка? Или е нивото на осветление на бюрото ти или на футболното игрище? За осветителите, инженерите и спецификаторите тези различия не са случайни; Те са фундаментални. За да опишем, сравним и приложим точно LED осветление, разчитаме на четири различни, но взаимосвързани фотометрични величини: светлинен поток, светлинна интензивност, яркост (яркост) и осветеност. Всяка от тези метрики предоставя различна част от пъзела, отговаряйки на различен въпрос относно представянето на светлината. Светлинният поток ни показва общия изход, светлинната интензивност ни казва насочената мощност, осветеността ни казва какво пада на повърхността, а яркостта ни казва как изглежда дадена повърхност. Овладяването на тези четири концепции е от съществено значение за всеки, който се занимава с проектирането на осветителни системи – от проста настолна лампа до сложна инсталация на стадион. Това ръководство ще разкрие мистификацията на всеки от тези четири метода за изчисляване на яркостта на LED диодите, предоставяйки ясни дефиниции, формули, единици и практически примери за тяхното приложение.

Какво е светлинен поток и как се изчислява?

Светлинният поток е основният показател за светлинен поток. Той количествено определя общото количество видима светлина, излъчвано от даден източник за единица време. Мислете за това като за общия "поток" на светлина от лампа, независимо от посоката, в която се движи. Това е мярка за целия светлинен поток, което я прави най-прекия показател за общата мощност на светлинния източник да произвежда светлина. Единицата на светлинния поток е лумен (lm). Когато купите LED крушка и я видите като "800 лумена", това е светлинният поток — общото количество светлина, която крушката излъчва във всички посоки. Въпреки това, изчисляването на светлинния поток е по-сложно, отколкото изглежда, защото човешкото око не възприема всички дължини на вълната еднакво еднакво. Най-чувствителни сме към зелено-жълта светлина около 555 nm и много по-малко чувствителни към дълбока червена или синя светлина. Следователно луминозният поток е претеглена мярка. Тя се изчислява чрез умножаване на реалната радиационна мощност (физическата енергия) на светлинния източник при всяка дължина на вълната и умножаването ѝ по фактор, който представлява чувствителността на окото към тази дължина на вълната. Този фактор е известен като относителна спектрална светлинна ефективност, обозначена като V(λ). Формалната формула за светлинен поток (Φ) е: Φ = Km ∫ Φ(λ) · V(λ) dλ, където Φ(λ) е спектралният радиационен поток, V(λ) е относителната спектрална светлинна ефективност, а Km е константа (683 lm/W), която представлява максималната възможна светлинна ефективност при пиковата чувствителна дължина на вълната от 555 nm. По същество тази формула математически превръща суровата физическа сила в измерване на възприеманата яркост от човешката зрителна система.

Какво е светлинна интензивност и как се различава от флукса?

Докато светлинният поток ни показва общия светлинен поток, той не ни казва как се разпределя тази светлина. Лампа с диаметър 1000 лумена може да бъде гола крушка, която пръска светлина навсякъде, или да е плътно фокусиран прожектор. Интензитетът на светлината е метриката, която описва концентрацията на светлина в определена посока. Тя се дефинира като количеството светлинен поток, излъчвано от източник на единица твърд ъгъл в дадена посока. Твърд ъгъл е триизмерен ъгъл, измерен в стерадии (sr), който описва "конуса" на светлината, разпространяваща се от точка. Представете си фенерче: неговият светлинен поток може да е общо 300 лумена, но яркостта му по централния лъч е много висока, защото тези 300 лумена са концентрирани в тесен конус. Единицата за светлинна интензивност е канделата (cd). Една кандела се определя като един лумен на стерадиан (1 cd = 1 lm/sr). Връзката между потока и интензивността е геометрична. Ако имате източник на светлина, който излъчва потока си равномерно във всички посоки (изотропен източник), можете да изчислите интензитета му, като разделите общия поток на общия твърд ъгъл на сфера, който е 4π стерадиана. Например, изотропен източник с 1000 лумена би имал интензивност 1000 lm / 4π sr ≈ 79.6 cd във всяка посока. В действителност повечето LED източници не са изотропни. Интензитетът варира според посоката. Сумата от интензитета във всички посоки, интегрирана върху цялата сфера, ви връща обратно към общия светлинен поток. Светлинната интензивност е ключовият показател за разбиране и проектиране на ъглите на лъча, рефлекторите и лещите.

Какво е яркост (яркост) и как се измерва?

Яркостта, в технически термини, се нарича яркост. Въпреки че често се използва свободно в разговори, луминансът има точна научна дефиниция. Това е мярката за количеството светлина, която се излъчва, предава или отразява от дадена повърхност в дадена посока. С други думи, той количествено определя колко "ярка" изглежда една повърхност за наблюдателя, който я гледа от определен ъгъл. Това е критична разлика от осветеността, която измерва светлината, падаща върху повърхността. Яркостта измерва светлината, която напуска тази повърхност (или самия източник на светлина) и се движи към окото. Единицата за яркост е кандела на квадратен метър (cd/m²), често наричана още "нит". Формалната дефиниция включва светлинната интензивност (I), излъчвана от повърхностен елемент (dS) в дадена посока, разделена на площта на този повърхностен елемент, проектирана върху равнина, перпендикулярна на тази посока. Формулата е L = dI / (dS · cos θ), където θ е ъгълът между посоката на гледане и нормалата (перпендикулярна) на повърхността. За плоска повърхност, излъчваща светлина, като LED чип или светъл знак, гледана право върху (θ=0°), формулата се опростява до L = I / dS. Яркостта е това, което очите ни всъщност възприемат. Бял лист хартия под ярка светлина има висока яркост; Същата хартия в тъмна стая има ниска яркост. В LED приложенията яркостта е от решаващо значение за оценка на отблясъците (източник на много висока яркост в зрителното поле) и за проектиране на дисплеи и индикатори. При тестване на чипове и оценка на безопасността на LED излъчването често се използват методи за изобразяване, при които камера измерва яркостта по повърхността на чипа, за да идентифицира горещите точки и да осигури равномерна производителност.

Какво е осветеност и как се изчислява?

Осветеността е може би най-практичният и често използван показател в дизайна на осветление. Той измерва количеството светлинен поток, падащ върху дадена повърхност. С прости думи, тя ви показва колко светлина пада върху бюрото ви, на пода на склад или на футболно игрище. Това е "крайният резултат" на осветителната система от гледна точка на осветения обект или задача. Единицата за осветеност е lux (lx). Един лукс се определя като един лумен на квадратен метър (1 lx = 1 lm/m²). Формулата за осветеност (E) е E = dΦ / dS, където dΦ е светлинният поток, падащ върху малък повърхностен елемент с площ dS. Осветеността зависи от няколко фактора: интензивността на източника на светлина, разстоянието от източника до повърхността и ъгъла, под който светлината удря повърхността. Тя следва закона за обратния квадрат, което означава, че ако удвоите разстоянието от източника на светлина, осветеността намалява до една четвърт от първоначалната си стойност. Тя също се влияе от косинуса на ъгъла на падане; светлината, която удря повърхност под ъгъл от 45 градуса, осигурява по-малка осветеност от светлината, която я удря директно перпендикулярно. Например, лампа за четене може да даде 500 лукса на книга, докато добре осветен офис може да има 300-500 лукса на бюра. Защитният прожектор може да изисква 50 лукса на терена, докато професионален футболен стадион изисква 1500-2000 лукса за излъчване. Осветеността е ключовият показател, използван в стандартите и регулациите за осветление, за да се осигури адекватна светлина за безопасност и изпълнение на задачите. Тя се измерва на практика с светломер, който има косинусово коригиран сензор, за да улавя точно светлината, падаща върху равнина.

Как тези четири измервания се свързват помежду си?

Разбирането на връзките между светлинния поток, интензитета на светлината, осветеността и яркостта е ключово за овладяване на дизайна на осветление. Те не са независими концепции, а различни гледни точки за едно и също явление светлина. Светлинният поток (лумени) е общата начална точка — общата светлина, излъчвана от източника. Този поток се разпределя в пространството. Разпределението се описва чрез светлинна интензивност (кандела) във всяка посока. Диаграмата на полярната интензивност е графичен начин за показване на това разпределение. Когато тази разпределена светлина преминава през пространството и накрая кацне на повърхност, измерваме резултата като осветеност (lux) на тази повърхност. Светломер, поставен на бюро, измерва осветеността. Накрая, когато тази осветена повърхност отразява част от тази светлина към окото на наблюдателя, възприеманата "яркост" на повърхността е нейната яркост (cd/m²). Светломерът на фотоапарата също измерва форма на яркост. Прост пример свързва всичко това: LED прожектор (флукс) с 5000 лумена може да има максимална интензивност от 10 000 кандели в централния си лъч. Ако този лъч е насочен към стена на 10 метра, осветеността в центъра на този лъч на стената може да е 100 лукса. Ако тази стена е боядисана в бяло и има висока отражателна способност, яркостта ѝ може да е 30 cd/m², което изглежда ярка за наблюдателя. Ако стената е боядисана в черно, яркостта ѝ може да е само 3 cd/m², изглеждайки тъмна, въпреки че осветеността на стената е същата 100 lux. Тези четири метрики работят във верига, от източника (поток, интензитет) до ефекта върху повърхностите (осветеност, яркост), предоставяйки пълен език за описание и инженеринг на светлината.

Често задавани въпроси относно изчисленията на яркостта на LED светлините

Каква е разликата между лумен и лукс?

Това е често срещана точка на объркване. Lumens (lm) измерват общото количество светлина, излъчвано от даден източник. Lux (lx) измерва количеството светлина, която пада върху дадена повърхност. Мислете за това като за дъжд: лумен е общото количество дъжд, което пада от облак, докато лукс е колко дълбоко е локвата на вашата алея. Фенерче с капацитет 1000 лумена ще даде много по-висок лъкс на светлината на близката стена в сравнение с таванна лампа с 1000 лумена, защото светлината на фенерчето е концентрирана в по-малка площ.

Как да изчисля осветеността от LED лампа на определено разстояние?

За точков източник може да се направи груба оценка с помощта на закона за обратен квадрат. Нужна е светлинната интензивност (в канделата) в посоката на повърхността. Осветеността (E) е приблизително интензитетът (I) разделен на разстоянието (d) на квадрат: E = I / d². Въпреки това, при истински LED тела с определени ъгли на лъча, нещата са по-сложни. Най-точният метод е използването на софтуер за осветление, който използва фотометрични файлове с данни за изчисляване на осветеността в дадена площ, като се отчита формата на лъча и множеството осветителни тела.

Кой от четирите показателя е най-важен за покупка на настолна лампа?

За настолна лампа осветеността е най-практичният показател. Искаш да знаеш колко светлина (в лукс) ще падне върху работната ти повърхност. Въпреки това, тъй като производителите не винаги предоставят данни за осветеността за конкретни разстояния, общият светлинен поток (лумени) е добра отправна точка. Лампа с 400-800 лумена обикновено е достатъчна за бюро. Трябва също да вземете предвид ъгъла на лъча, за да се уверите, че той концентрира светлината върху работата ви, без да причинява отблясъци (прекомерна яркост) в очите ви.