Κατανόηση των τεσσάρων πυλώνων της μέτρησης φωτεινότητας LED

Όταν μιλάμε για το πόσο «φωτεινό» είναι ένα φως LED, χρησιμοποιούμε συχνά έναν απλό όρο που μπορεί να σημαίνει διαφορετικά πράγματα σε διαφορετικά περιβάλλοντα. Είναι η συνολική ποσότητα φωτός που ξεχύνεται από τη λάμπα; Είναι η ένταση της δέσμης που εστιάζεται σε ένα συγκεκριμένο σημείο; Ή μήπως είναι το επίπεδο φωτισμού στο γραφείο σας ή σε ένα γήπεδο ποδοσφαίρου; Για τους σχεδιαστές φωτισμού, τους μηχανικούς και τους προσδιοριστές, αυτές οι διακρίσεις δεν είναι περιστασιακές. είναι θεμελιώδεις. Για να περιγράψουμε, να συγκρίνουμε και να εφαρμόσουμε με ακρίβεια τον φωτισμό LED, βασιζόμαστε σε τέσσερα διακριτά, αλλά αλληλένδετα, φωτομετρικά μεγέθη: φωτεινή ροή, φωτεινή ένταση, φωτεινότητα (φωτεινότητα) και φωτεινότητα. Κάθε μία από αυτές τις μετρήσεις παρέχει ένα διαφορετικό κομμάτι του παζλ, απαντώντας σε διαφορετική ερώτηση σχετικά με την απόδοση του φωτός. Η φωτεινή ροή μας λέει τη συνολική έξοδο, η φωτεινή ένταση μας λέει την κατευθυντική ισχύ, η φωτεινότητα μας λέει τι προσγειώνεται σε μια επιφάνεια και η φωτεινότητα μας λέει πώς εμφανίζεται μια επιφάνεια. Η γνώση αυτών των τεσσάρων εννοιών είναι απαραίτητη για οποιονδήποτε ασχολείται με το σχεδιασμό συστημάτων φωτισμού, από ένα απλό φωτιστικό γραφείου έως μια πολύπλοκη εγκατάσταση σταδίου. Αυτός ο οδηγός θα απομυθοποιήσει καθεμία από αυτές τις τέσσερις μεθόδους υπολογισμού φωτεινότητας LED, παρέχοντας σαφείς ορισμούς, τύπους, μονάδες και πρακτικά παραδείγματα εφαρμογής τους.

Τι είναι η φωτεινή ροή και πώς υπολογίζεται;

Η φωτεινή ροή είναι η θεμελιώδης μέτρηση της απόδοσης φωτός. Ποσοτικοποιεί τη συνολική ποσότητα ορατού φωτός που εκπέμπεται από μια πηγή ανά μονάδα χρόνου. Σκεφτείτε το ως τη συνολική «ροή» φωτός από μια λάμπα, ανεξάρτητα από την κατεύθυνση που ταξιδεύει. Είναι ένα μέτρο ολόκληρης της απόδοσης φωτός, καθιστώντας το τον πιο άμεσο δείκτη της συνολικής ισχύος μιας πηγής φωτός για την παραγωγή φωτός. Η μονάδα φωτεινής ροής είναι ο αυλός (lm). Όταν αγοράζετε έναν λαμπτήρα LED και τον βλέπετε με την ένδειξη "800 lumens", αυτή είναι η φωτεινή ροή - η συνολική ποσότητα φωτός που εκπέμπει ο λαμπτήρας προς όλες τις κατευθύνσεις. Ωστόσο, ο υπολογισμός της φωτεινής ροής είναι πιο περίπλοκος από ό,τι φαίνεται, επειδή το ανθρώπινο μάτι δεν αντιλαμβάνεται όλα τα μήκη κύματος του φωτός εξίσου. Είμαστε πιο ευαίσθητοι στο πράσινο-κίτρινο φως γύρω στα 555 nm και πολύ λιγότερο ευαίσθητοι στο βαθύ κόκκινο ή μπλε φως. Η φωτεινή ροή, επομένως, είναι μια σταθμισμένη μέτρηση. Υπολογίζεται λαμβάνοντας την πραγματική ισχύ ακτινοβολίας (τη φυσική ενέργεια) της πηγής φωτός σε κάθε μήκος κύματος και πολλαπλασιάζοντάς την με έναν παράγοντα που αντιπροσωπεύει την ευαισθησία του ματιού σε αυτό το μήκος κύματος. Αυτός ο παράγοντας είναι γνωστός ως σχετική φασματική φωτεινή απόδοση, που συμβολίζεται ως V(λ). Ο τυπικός τύπος για τη φωτεινή ροή (Φ) είναι: Φ = Km ∫ Φ(λ) · V(λ) dλ, όπου Φ(λ) είναι η φασματική ροή ακτινοβολίας, V(λ) είναι η σχετική φασματική φωτεινή απόδοση και Km είναι μια σταθερά (683 lm/W) που αντιπροσωπεύει τη μέγιστη δυνατή φωτεινή απόδοση στο μέγιστο μήκος κύματος ευαισθησίας των 555 nm. Στην ουσία, αυτός ο τύπος μετατρέπει μαθηματικά την ακατέργαστη φυσική ισχύ σε μέτρηση της αντιληπτής φωτεινότητας από το ανθρώπινο οπτικό σύστημα.

Τι είναι η φωτεινή ένταση και σε τι διαφέρει από τη ροή;

Ενώ η φωτεινή ροή μας λέει τη συνολική απόδοση φωτός, δεν μας λέει πώς κατανέμεται αυτό το φως. Ένα φως 1000 lumen θα μπορούσε να είναι ένας γυμνός λαμπτήρας που ψεκάζει φως παντού ή θα μπορούσε να είναι ένας σφιχτά εστιασμένος προβολέας. Η φωτεινή ένταση είναι η μέτρηση που περιγράφει τη συγκέντρωση του φωτός σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Ορίζεται ως η ποσότητα φωτεινής ροής που εκπέμπεται από μια πηγή ανά μονάδα στερεάς γωνίας σε μια δεδομένη κατεύθυνση. Μια συμπαγής γωνία είναι μια τρισδιάστατη γωνία, μετρημένη σε στεράδες (sr), η οποία περιγράφει τον «κώνο» του φωτός που απλώνεται από ένα σημείο. Φανταστείτε έναν φακό: η φωτεινή του ροή μπορεί να είναι συνολικά 300 lumens, αλλά η φωτεινή του ένταση κατά μήκος της κεντρικής δέσμης είναι πολύ υψηλή επειδή αυτά τα 300 lumens συγκεντρώνονται σε έναν στενό κώνο. Η μονάδα φωτεινής έντασης είναι η candela (cd). Ένα candela ορίζεται ως ένας αυλός ανά steradian (1 cd = 1 lm/sr). Η σχέση μεταξύ ροής και έντασης είναι γεωμετρική. Εάν έχετε μια πηγή φωτός που εκπέμπει τη ροή της ομοιόμορφα προς όλες τις κατευθύνσεις (μια ισότροπη πηγή), μπορείτε να υπολογίσετε την έντασή της διαιρώντας τη συνολική ροή με τη συνολική στερεά γωνία μιας σφαίρας, η οποία είναι 4π στεράδες. Για παράδειγμα, μια ισότροπη πηγή 1000 lumen θα είχε ένταση 1000 lm / 4π sr ≈ 79,6 cd προς οποιαδήποτε κατεύθυνση. Στην πραγματικότητα, οι περισσότερες πηγές LED δεν είναι ισότροπες. Η ένταση ποικίλλει ανάλογα με την κατεύθυνση. Το άθροισμα της έντασης προς όλες τις κατευθύνσεις, ενσωματωμένο σε ολόκληρη τη σφαίρα, σας φέρνει πίσω στη συνολική φωτεινή ροή. Η φωτεινή ένταση είναι η βασική μέτρηση για την κατανόηση και το σχεδιασμό γωνιών δέσμης, ανακλαστήρων και φακών.

Τι είναι η φωτεινότητα (φωτεινότητα) και πώς μετράται;

Η φωτεινότητα, με τεχνικούς όρους, αναφέρεται ως φωτεινότητα. Αν και συχνά χρησιμοποιείται χαλαρά στη συνομιλία, η φωτεινότητα έχει έναν ακριβή επιστημονικό ορισμό. Είναι το μέτρο της ποσότητας φωτός που εκπέμπεται, μεταδίδεται ή ανακλάται από μια επιφάνεια προς μια δεδομένη κατεύθυνση. Με άλλα λόγια, ποσοτικοποιεί πόσο «φωτεινή» φαίνεται μια επιφάνεια σε έναν παρατηρητή που την κοιτάζει από μια συγκεκριμένη γωνία. Αυτή είναι μια κρίσιμη διάκριση από τη φωτεινότητα, η οποία μετρά το φως που πέφτει σε μια επιφάνεια. Η φωτεινότητα μετρά το φως που φεύγει από αυτήν την επιφάνεια (ή την ίδια την πηγή φωτός) και ταξιδεύει προς το μάτι. Η μονάδα φωτεινότητας είναι candela ανά τετραγωνικό μέτρο (cd/m²), που συχνά ονομάζεται επίσης "nit". Ο τυπικός ορισμός περιλαμβάνει τη φωτεινή ένταση (I) που εκπέμπεται από ένα επιφανειακό στοιχείο (dS) σε μια δεδομένη κατεύθυνση, διαιρούμενη με το εμβαδόν αυτού του επιφανειακού στοιχείου όπως προβάλλεται σε ένα επίπεδο κάθετο προς αυτήν την κατεύθυνση. Ο τύπος είναι L = dI / (dS · cos θ), όπου θ είναι η γωνία μεταξύ της κατεύθυνσης θέασης και της κανονικής (κάθετης) στην επιφάνεια. Για μια επίπεδη επιφάνεια εκπομπής φωτός, όπως ένα τσιπ LED ή μια αναμμένη πινακίδα, που φαίνεται ευθεία (θ=0°), ο τύπος απλοποιείται σε L = I / dS. Η φωτεινότητα είναι αυτό που πραγματικά αντιλαμβάνονται τα μάτια μας. Ένα λευκό κομμάτι χαρτί κάτω από έντονο φως έχει υψηλή φωτεινότητα. Το ίδιο χαρτί σε σκοτεινό δωμάτιο έχει χαμηλή φωτεινότητα. Σε εφαρμογές LED, η φωτεινότητα είναι ζωτικής σημασίας για την αξιολόγηση της αντανάκλασης (μια πηγή πολύ υψηλής φωτεινότητας στο οπτικό πεδίο) και για το σχεδιασμό οθονών και δεικτών. Στη δοκιμή τσιπ και στην αξιολόγηση της ασφάλειας της ακτινοβολίας LED, χρησιμοποιούνται συχνά μέθοδοι απεικόνισης, όπου ένα σύστημα κάμερας μετρά τη φωτεινότητα σε όλη την επιφάνεια του τσιπ για να εντοπίσει τα hotspot και να εξασφαλίσει ομοιόμορφη απόδοση.

Τι είναι η φωτεινότητα και πώς υπολογίζεται;

Η φωτεινότητα είναι ίσως η πιο πρακτική και συχνά αναφερόμενη μέτρηση στο σχεδιασμό φωτισμού. Μετρά την ποσότητα της φωτεινής ροής που πέφτει σε μια δεδομένη επιφάνεια. Με απλά λόγια, σας λέει πόσο φως προσγειώνεται στο γραφείο σας, στο πάτωμα μιας αποθήκης ή σε ένα γήπεδο ποδοσφαίρου. Είναι το «τελικό αποτέλεσμα» του συστήματος φωτισμού από την οπτική γωνία του φωτιζόμενου αντικειμένου ή εργασίας. Η μονάδα φωτισμού είναι το lux (lx). Ένα lux ορίζεται ως ένας αυλός ανά τετραγωνικό μέτρο (1 lx = 1 lm/m²). Ο τύπος για τη φωτεινότητα (E) είναι E = dΦ / dS, όπου dΦ είναι η φωτεινή ροή που προσπίπτει σε ένα μικρό επιφανειακό στοιχείο της περιοχής dS. Ο φωτισμός εξαρτάται από διάφορους παράγοντες: την ένταση της πηγής φωτός, την απόσταση από την πηγή στην επιφάνεια και τη γωνία με την οποία το φως χτυπά την επιφάνεια. Ακολουθεί τον νόμο του αντίστροφου τετραγώνου, που σημαίνει ότι αν διπλασιάσετε την απόσταση από την πηγή φωτός, η φωτεινότητα μειώνεται στο ένα τέταρτο της αρχικής της τιμής. Επηρεάζεται επίσης από το συνημίτονο της γωνίας πρόσπτωσης. Το φως που χτυπά μια επιφάνεια σε γωνία 45 μοιρών παρέχει λιγότερη φωτεινότητα από το φως που την χτυπά απευθείας κάθετα. Για παράδειγμα, ένα φως ανάγνωσης μπορεί να παρέχει 500 lux σε ένα βιβλίο, ενώ ένα καλά φωτισμένο γραφείο μπορεί να έχει 300-500 lux στα γραφεία. Ένας προβολέας ασφαλείας μπορεί να χρειαστεί να παρέχει 50 lux στο έδαφος, ενώ ένα επαγγελματικό γήπεδο ποδοσφαίρου απαιτεί 1500-2000 lux για μετάδοση. Ο φωτισμός είναι η βασική μέτρηση που χρησιμοποιείται στα πρότυπα και τους κανονισμούς φωτισμού για τη διασφάλιση επαρκούς φωτός για ασφάλεια και απόδοση εργασιών. Μετριέται στην πράξη χρησιμοποιώντας ένα φωτόμετρο, το οποίο διαθέτει αισθητήρα διορθωμένο συνημίτονο για να συλλαμβάνει με ακρίβεια το φως που πέφτει σε ένα επίπεδο.

Πώς σχετίζονται αυτές οι τέσσερις μετρήσεις μεταξύ τους;

Η κατανόηση των σχέσεων μεταξύ της φωτεινής ροής, της φωτεινής έντασης, της φωτεινότητας και της φωτεινότητας είναι το κλειδί για τον έλεγχο του σχεδιασμού φωτισμού. Δεν είναι ανεξάρτητες έννοιες αλλά διαφορετικές προοπτικές για το ίδιο φαινόμενο του φωτός. Η φωτεινή ροή (lumens) είναι το συνολικό σημείο εκκίνησης - το συνολικό φως που εκπέμπεται από την πηγή. Αυτή η ροή στη συνέχεια κατανέμεται στο διάστημα. Η κατανομή περιγράφεται με φωτεινή ένταση (candela) προς κάθε κατεύθυνση. Ένα διάγραμμα πολικής έντασης είναι ένας γραφικός τρόπος εμφάνισης αυτής της κατανομής. Όταν αυτό το κατανεμημένο φως ταξιδεύει στο διάστημα και τελικά προσγειώνεται σε μια επιφάνεια, μετράμε το αποτέλεσμα ως φωτεινότητα (lux) σε αυτήν την επιφάνεια. Ένας μετρητής φωτός τοποθετημένος σε ένα γραφείο μετρά τον φωτισμό. Τέλος, όταν αυτή η φωτισμένη επιφάνεια αντανακλά μέρος αυτού του φωτός προς το μάτι ενός παρατηρητή, η αντιληπτή «φωτεινότητα» της επιφάνειας είναι η φωτεινότητά της (cd/m²). Το φωτόμετρο μιας κάμερας μετρά επίσης μια μορφή φωτεινότητας. Ένα απλό παράδειγμα τα συνδέει όλα μαζί: Ένας προβολέας LED 5000 lumen (ροή) μπορεί να έχει μέγιστη ένταση 10.000 candela στην κεντρική του δέσμη. Εάν αυτή η δέσμη στοχεύει σε έναν τοίχο 10 μέτρα μακριά, ο φωτισμός στο κέντρο αυτής της δέσμης στον τοίχο μπορεί να είναι 100 lux. Εάν αυτός ο τοίχος είναι βαμμένος λευκός και έχει υψηλή ανακλαστικότητα, η φωτεινότητά του μπορεί να είναι 30 cd/m², που φαίνεται φωτεινή σε έναν παρατηρητή. Εάν ο τοίχος είναι βαμμένος μαύρος, η φωτεινότητά του μπορεί να είναι μόνο 3 cd/m², να φαίνεται σκοτεινή, παρόλο που ο φωτισμός στον τοίχο είναι ο ίδιος 100 lux. Αυτές οι τέσσερις μετρήσεις λειτουργούν σε μια αλυσίδα, από την πηγή (ροή, ένταση) έως την επίδραση στις επιφάνειες (φωτισμός, φωτεινότητα), παρέχοντας μια πλήρη γλώσσα για την περιγραφή και τη μηχανική του φωτός.

Συχνές ερωτήσεις σχετικά με τους υπολογισμούς φωτεινότητας LED

Ποια είναι η διαφορά μεταξύ lumens και lux;

Αυτό είναι ένα κοινό σημείο σύγχυσης. Οι αυλοί (lm) μετρούν τη συνολική ποσότητα φωτός που εκπέμπεται από μια πηγή. Το Lux (lx) μετρά την ποσότητα αυτού του φωτός που προσγειώνεται σε μια επιφάνεια. Σκεφτείτε το σαν βροχή: lumens είναι η συνολική ποσότητα βροχής που πέφτει από ένα σύννεφο, ενώ lux είναι το πόσο βαθιά είναι η λακκούβα στο δρόμο σας. Ένας φακός 1000 lumen θα παράγει πολύ υψηλότερη ένδειξη lux σε έναν κοντινό τοίχο από ένα φωτιστικό οροφής 1000 lumen, επειδή το φως του φακού συγκεντρώνεται σε μικρότερη περιοχή.

Πώς μπορώ να υπολογίσω τη φωτεινότητα από ένα φως LED σε μια συγκεκριμένη απόσταση;

Για μια σημειακή πηγή, μπορεί να γίνει μια πρόχειρη εκτίμηση χρησιμοποιώντας τον νόμο του αντίστροφου τετραγώνου. Χρειάζεστε τη φωτεινή ένταση (σε candela) προς την κατεύθυνση της επιφάνειας. Η φωτεινότητα (E) είναι περίπου η ένταση (I) διαιρούμενη με την απόσταση (d) στο τετράγωνο: E = I / d². Ωστόσο, για πραγματικά φωτιστικά LED με συγκεκριμένες γωνίες δέσμης, είναι πιο περίπλοκο. Η πιο ακριβής μέθοδος είναι η χρήση λογισμικού σχεδιασμού φωτισμού που χρησιμοποιεί αρχεία φωτομετρικών δεδομένων για τον υπολογισμό του φωτισμού σε μια περιοχή, λαμβάνοντας υπόψη το σχήμα της δέσμης και τα πολλαπλά φωτιστικά.

Ποια από τις τέσσερις μετρήσεις είναι πιο σημαντική για την αγορά ενός φωτιστικού γραφείου;

Για μια λάμπα γραφείου, ο φωτισμός είναι η πιο πρακτική μέτρηση. Θέλετε να μάθετε πόσο φως (σε lux) θα προσγειωθεί στην επιφάνεια εργασίας σας. Ωστόσο, δεδομένου ότι οι κατασκευαστές δεν παρέχουν πάντα δεδομένα φωτισμού για συγκεκριμένες αποστάσεις, η συνολική φωτεινή ροή (lumens) είναι ένα καλό σημείο εκκίνησης. Μια λάμπα με 400-800 lumens είναι συνήθως αρκετή για ένα γραφείο. Θα πρέπει επίσης να λάβετε υπόψη τη γωνία δέσμης για να διασφαλίσετε ότι συγκεντρώνει το φως στην εργασία σας χωρίς να προκαλεί λάμψη (υπερβολική φωτεινότητα) στα μάτια σας.