Pochopení čtyř pilířů měření jasu LED

Když mluvíme o tom, jak "jasné" LED světlo je, často používáme běžný termín, který může v různých kontextech znamenat různé věci. Je to celkové množství světla vycházejícího ze žárovky? Je to intenzita paprsku zaměřeného na konkrétní místo? Nebo je to úroveň osvětlení na vašem stole nebo na fotbalovém hřišti? Pro světelné designéry, inženýry a specifikátory nejsou tyto rozdíly běžné; Jsou zásadní. Pro přesné popis, porovnání a aplikaci LED osvětlení spoléháme na čtyři odlišné, ale vzájemně propojené fotometrické veličiny: světelný tok, intenzitu světla, jas (luminanci) a osvětlení. Každá z těchto metrik poskytuje jiný dílek skládačky a odpovídá na jinou otázku ohledně výkonu světla. Světelný tok nám říká celkový výkon, světelná intenzita směrový výkon, osvětlení nám říká, co dopadá na povrch, a jas nám říká, jak povrch vypadá. Zvládnutí těchto čtyř konceptů je nezbytné pro každého, kdo se zabývá návrhem světelných systémů, od jednoduché stolní lampy až po složitou stadionovou instalaci. Tento průvodce objasní každou ze čtyř metod výpočtu jasu LED a poskytne jasné definice, vzorce, jednotky a praktické příklady jejich použití.

Co je to světelný tok a jak se počítá?

Světelný tok je základní metrika světelného výstupu. Kvantifikuje celkové množství viditelného světla vyzařovaného zdrojem za jednotku času. Představte si to jako celkový "tok" světla z lampy, bez ohledu na směr, kterým se šíří. Je to měřítko celkového světelného výstupu, což z něj činí nejpřímější ukazatel celkové síly světelného zdroje pro produkci světla. Jednotkou světelného toku je lumen (lm). Když si koupíte LED žárovku a vidíte ji označenou jako "800 lumenů", jedná se o světelný tok – celkové množství světla, které žárovka vyzařuje ve všech směrech. Výpočet světelného toku je však složitější, než by se mohlo zdát, protože lidské oko nevnímá všechny vlnové délky světla stejně. Nejvíce jsme citliví na zelené a žluté světlo kolem 555 nm a mnohem méně na hluboké červené nebo modré světlo. Světelný tok je tedy vážené měření. Vypočítá se tak, že se vezme skutečný vyzařovací výkon (fyzikální energie) světelného zdroje na každé vlnové délce a vynásobí ho faktorem představujícím citlivost oka na tuto vlnovou délku. Tento faktor je známý jako relativní spektrální svítící účinnost, označovaná jako V(λ). Formální vzorec pro světelný tok (Φ) je: Φ = Km ∫ Φ(λ) · V(λ) dλ, kde Φ(λ) je spektrální vyzařovací tok, V(λ) je relativní spektrální světelná účinnost a Km je konstanta (683 lm/W), která představuje maximální možnou světelnou účinnost při maximální citlivé vlnové délce 555 nm. V podstatě tento vzorec matematicky přeměňuje surovou fyzickou sílu na měření vnímané jasnosti lidským zrakovým systémem.

Co je to luminiscenční intenzita a jak se liší od fluxu?

Zatímco světelný tok nám říká celkový světelný výstup, neříká nám, jak je toto světlo rozloženo. Světlo o výkonu 1000 lumenů může být holá žárovka, která rozstřikuje světlo všude kolem, nebo může být těsně zaostřený reflektor. Intenzita svítění je metrika, která popisuje koncentraci světla ve specifickém směru. Je definován jako množství světelného toku vyzařovaného zdrojem na jednotku pevného úhlu v daném směru. Pevný úhel je trojrozměrný úhel, měřený ve steradiánech (sr), který popisuje "kužel" světla rozptylujícího se z bodu. Představte si baterku: její světelný tok může mít celkem 300 lumenů, ale její světelná intenzita podél středového paprsku je velmi vysoká, protože těchto 300 lumenů je soustředěno do úzkého kužele. Jednotkou světelné intenzity je candela (cd). Jedna kandela je definována jako jeden lumen na steradián (1 cd = 1 lm/sr). Vztah mezi tokem a intenzitou je geometrický. Pokud máte světelný zdroj, který vyzařuje svůj tok rovnoměrně ve všech směrech (izotropní zdroj), můžete jeho intenzitu vypočítat vydělením celkového toku celkovým pevným úhlem koule, což je 4π steradiánů. Například izotropní zdroj o výkonu 1000 lumenů by měl intenzitu 1000 lm / 4π sr ≈ 79,6 cd v libovolném směru. Ve skutečnosti většina LED zdrojů není izotropní. Intenzita se liší podle směru. Součet intenzity ve všech směrech, integrovaný přes celou kouli, vás vrací zpět k celkovému světelnému toku. Intenzita svítění je klíčovým ukazatelem pro pochopení a navrhování úhlů paprsku, reflektorů a čoček.

Co je jas (luminance) a jak se měří?

Jas se technicky označuje jako jas. Ačkoliv se v rozhovoru často používá volně, luminance má přesnou vědeckou definici. Je to míra množství světla, které je vyzařováno, propuštěno nebo odraženo od povrchu v daném směru. Jinými slovy, kvantifikuje, jak "jasný" se povrch jeví pozorovateli z určitého úhlu. To je zásadní rozdíl oproti osvětlení, které měří světlo dopadající na povrch. Jas měří světlo, které opouští daný povrch (nebo samotný zdroj světla) a putuje směrem k oku. Jednotkou jasu je kandela na metr čtvereční (cd/m²), často nazývaná také "nit". Formální definice zahrnuje světelnou intenzitu (I) vyzařovanou povrchovým prvkem (dS) v daném směru, dělenou plochou tohoto povrchového prvku projekčované na rovinu kolmou na tento směr. Vzorec je L = dI / (dS · cos θ), kde θ je úhel mezi směrem pozorování a normálou (kolmou) k povrchu. Pro plochý světelný povrch, jako je LED čip nebo svítící cedule, pozorovaný přímo (θ=0°), se vzorec zjednodušuje na L = I / dS. Jas je to, co naše oči skutečně vnímají. Bílý kus papíru pod jasným světlem má vysokou jas; Stejný papír v tmavé místnosti má nízkou jas. V LED aplikacích je luminance klíčová pro hodnocení oslnění (zdroj velmi vysokého jasu v zorném poli) a pro návrh displejů a indikátorů. Při testování čipů a hodnocení bezpečnosti LED záření se často používají zobrazovací metody, kdy kamerový systém měří jas na povrchu čipu, aby identifikoval hotspoty a zajistil jednotný výkon.

Co je to iluminace a jak se počítá?

Osvětlení je pravděpodobně nejpraktičtější a nejčastěji uváděnou metrikou v návrhu osvětlení. Měří množství světelného toku dopadajícího na danou plochu. Jednoduše řečeno, říká vám, kolik světla dopadá na váš stůl, na podlahu skladu nebo na fotbalové hřiště. Je to "konečný výsledek" osvětlovacího systému z pohledu osvětleného objektu nebo úkolu. Jednotkou osvětlení je lux (lx). Jeden lux je definován jako jeden lumen na metr čtvereční (1 lx = 1 lm/m²). Vzorec pro osvětlení (E) je E = dΦ / dS, kde dΦ je světelný tok dopadající na malý povrchový prvek o ploše dS. Osvětlení závisí na několika faktorech: intenzitě zdroje světla, vzdálenosti od zdroje k povrchu a úhlu, pod kterým světlo dopadá na povrch. Řídí se zákonem inverzní čtverců, což znamená, že pokud zdvojnásobíte vzdálenost od zdroje světla, osvětlení klesne na čtvrtinu původní hodnoty. Je také ovlivněna kosinusem úhlu dopadu; světlo dopadající na povrch pod úhlem 45 stupňů poskytuje menší osvětlení než světlo dopadající přímo kolmo. Například čtecí světlo může poskytnout 500 luxů na knihu, zatímco dobře osvětlená kancelář může mít 300–500 luxů na stolech. Bezpečnostní reflektor může potřebovat 50 luxů na hřišti, zatímco profesionální fotbalový stadion vyžaduje 1500–2000 luxů pro vysílání. Osvětlení je klíčovým ukazatelem používaným v osvětlovacích standardech a předpisech pro zajištění dostatečného osvětlení pro bezpečnost a plnění úkolů. V praxi se měří pomocí expozimetru, který má kosinusově korigovaný senzor pro přesné zachycení světla padajícího na letadlo.

Jak spolu tyto čtyři měření souvisejí?

Pochopení vztahů mezi světelným tokem, intenzitou světla, osvětlením a jasem je klíčem k zvládnutí světelného designu. Nejsou to samostatné koncepty, ale různé pohledy na stejný jev světla. Světelný tok (lumeny) je celkový výchozí bod – celkové světlo vyzařované zdrojem. Tento tok je pak rozložen v prostoru. Rozložení je popsáno světelnou intenzitou (kandela) ve všech směrech. Polární intenzitní diagram je grafický způsob, jak zobrazit toto rozdělení. Když toto rozptýlené světlo cestuje prostorem a nakonec dopadne na povrch, měříme výsledek jako osvětlení (lux) na tomto povrchu. Na stole je umístěný expozimetr a měří osvětlení. Nakonec, když tento osvětlený povrch odráží část tohoto světla směrem k oku pozorovatele, vnímaná "jasnost" povrchu je jeho jas (cd/m²). Světloměr kamery také měří určitou formu jasu. Jednoduchý příklad vše spojuje: 5000 lumenové LED záplavové světlo (flux) může mít maximální intenzitu 10 000 kandel ve svém středovém paprsku. Pokud je paprsek namířen na zeď vzdálenou 10 metrů, může být osvětlení uprostřed tohoto paprsku na zdi 100 luxů. Pokud je tato stěna natřena na bílo a má vysokou odrazivost, její jas může být 30 cd/m² a pozorovatelovi může působit jasně. Pokud je stěna natřena na černo, její jas může být pouze 3 cd/m² a může působit tmavě, i když osvětlení stěny je stejných 100 luxů. Tyto čtyři metriky fungují v řetězci, od zdroje (tok, intenzita) až po vliv na povrchy (osvětlení, jas), čímž poskytují kompletní jazyk pro popis a inženýrství světla.

Často kladené otázky ohledně výpočtů jasu LED

Jaký je rozdíl mezi lumeny a luxem?

To je častý bod zmatku. Lumeny (lm) měří celkové množství světla vyzařovaného zdrojem. Lux (lx) měří množství tohoto světla, které dopadne na povrch. Představte si to jako déšť: lumeny jsou celkové množství deště padajícího z mraku, zatímco luxy jsou hloubka kaluže na příjezdové cestě. Svítilna s výkonem 1000 lumenů vyprodukuje na blízké zdi mnohem vyšší hodnotu luxů než stropní světlo o výkonu 1000 lumenů, protože světlo baterky je soustředěno do menší plochy.

Jak spočítám osvětlení LED světla na určité vzdálenosti?

Pro bodový zdroj lze hrubý odhad provést pomocí zákona inverzní čtverců. Potřebujete světelnou intenzitu (v kandelach) ve směru povrchu. Osvětlení (E) je přibližně intenzita (I) dělená vzdáleností (d) na druhou: E = I / d². U skutečných LED svítidel s určitými úhly paprsku je to však složitější. Nejpřesnější metodou je použití softwaru pro návrh osvětlení, který využívá fotometrické datové soubory k výpočtu osvětlení na dané ploše a zohledňuje tvar paprsku a více svítidel.

Která ze čtyř metrik je nejdůležitější při koupi stolní lampy?

U stolní lampy je nejpraktičtější měřítko osvětlení. Chcete vědět, kolik světla (v luxu) dopadne na vaši pracovní plochu. Nicméně, protože výrobci ne vždy poskytují data o osvětlení pro konkrétní vzdálenosti, celkový světelný tok (lumeny) je dobrým výchozím bodem. Lampa o výkonu 400–800 lumenů obvykle stačí na stůl. Měli byste také zvážit úhel paprsku, abyste zajistili, že soustředí světlo na vaši práci, aniž by způsobil oslnění (nadměrnou jas) v očích.