درک چهار ستون اندازه گیری روشنایی LED

وقتی درباره «روشنایی» یک چراغ LED صحبت می کنیم، اغلب از اصطلاحی ساده استفاده می کنیم که در زمینه های مختلف می تواند معانی متفاوتی داشته باشد. آیا میزان کل نوری است که از لامپ خارج می شود؟ آیا شدت پرتو متمرکز روی یک نقطه خاص است؟ یا سطح نور روی میز یا زمین فوتبال است؟ برای طراحان، مهندسان و مشخص کنندگان نورپردازی، این تمایزات غیررسمی نیستند؛ آن ها بنیادی هستند. برای توصیف دقیق، مقایسه و اعمال نورپردازی LED، ما به چهار کمیت فوتومتری متمایز اما مرتبط تکیه می کنیم: شار نور، شدت نور، روشنایی (درخشش) و روشنایی. هر یک از این معیارها بخش متفاوتی از پازل را ارائه می دهند و به سؤال متفاوتی درباره عملکرد نور پاسخ می دهند. شار نور خروجی کل را نشان می دهد، شدت نور قدرت جهت دار را مشخص می کند، روشنایی نشان می دهد چه چیزی روی سطح قرار می گیرد و روشنایی نشان می دهد سطح چگونه به نظر می رسد. تسلط بر این چهار مفهوم برای هر کسی که در طراحی سیستم های نورپردازی دخیل است، از یک چراغ رومیزی ساده گرفته تا نصب پیچیده استادیوم، ضروری است. این راهنما هر یک از این چهار روش محاسبه روشنایی LED را رمزگشایی می کند و تعاریف، فرمول ها، واحدها و مثال های عملی واضحی از کاربرد آن ها ارائه می دهد.

شار نوری چیست و چگونه محاسبه می شود؟

شار نوری معیار پایه ای خروجی نور است. این روش مقدار کل نور مرئی منتشرشده توسط یک منبع در واحد زمان را کمی سازی می کند. آن را به عنوان «جریان» کامل نور از یک چراغ در نظر بگیرید، فارغ از جهت حرکت آن. این دستگاه معیاری برای کل خروجی نور است و مستقیم ترین شاخص قدرت کلی منبع نور برای تولید نور است. واحد شار نور، لومن (lm) است. وقتی یک لامپ LED می خرید و می بینید که برچسب «۸۰۰ لومن» دارد، این همان شار نوری است — مجموع نوری که لامپ در همه جهات ساطع می کند. با این حال، محاسبه شار نوری پیچیده تر از آن چیزی است که به نظر می رسد، زیرا چشم انسان همه طول موج های نور را به طور مساوی درک نمی کند. ما نسبت به نور سبز-زرد در حدود ۵۵۵ نانومتر حساس تر هستیم و نسبت به نور قرمز عمیق یا آبی بسیار کمتر حساس هستیم. بنابراین شار نوری یک اندازه گیری وزنی است. این مقدار با گرفتن توان تابشی واقعی (انرژی فیزیکی) منبع نور در هر طول موج و ضرب آن در ضریبی که نشان دهنده حساسیت چشم به آن طول موج است، محاسبه می شود. این ضریب به عنوان بازده نوری طیفی نسبی شناخته می شود که با V(λ) نمایش داده می شود. فرمول رسمی شار نوری (Φ) به صورت زیر است: Φ = کیلومتر ∫ Φ(λ) · V(λ) dλ، که در آن Φ(λ) شار تابشی طیفی است، V(λ) بازده نوری طیفی نسبی و Km یک ثابت (۶۸۳ lm/W) است که نشان دهنده حداکثر کارایی نوری ممکن در طول موج حساسیت اوج ۵۵۵ نانومتر است. در اصل، این فرمول به طور ریاضی قدرت فیزیکی خام را به اندازه گیری روشنایی ادراک شده توسط سیستم بینایی انسان تبدیل می کند.

شدت نور چیست و چه تفاوتی با شار دارد؟

در حالی که شار نوری خروجی کل نور را به ما می گوید، نمی گوید آن نور چگونه توزیع می شود. یک چراغ ۱۰۰۰ لومن می تواند یک لامپ بدون پوشش باشد که همه جا را پخش می کند، یا یک نورافکن بسیار متمرکز باشد. شدت نور معیاری است که غلظت نور را در یک جهت خاص توصیف می کند. این مقدار شار نوری است که توسط یک منبع به ازای هر واحد زاویه جامد در یک جهت مشخص منتشر می شود. زاویه جامد زاویه ای سه بعدی است که بر حسب استرادیان (sr) اندازه گیری می شود و به «مخروط» نور که از یک نقطه پخش می شود اشاره دارد. یک چراغ قوه را تصور کنید: شار نوری آن ممکن است مجموعا ۳۰۰ لومن باشد، اما شدت نور آن در طول پرتو مرکزی بسیار بالاست چون آن ۳۰۰ لومن در یک مخروط باریک متمرکز شده اند. واحد شدت نور، شمعدان (cd) است. یک شمعدان به عنوان یک لومن به ازای هر استرادین تعریف می شود (۱ cd = ۱ lm/sr). رابطه بین شار و شدت هندسی است. اگر منبع نوری داشته باشید که شار خود را به طور یکنواخت در همه جهات منتشر کند (منبع ایزوتروپیک)، می توانید شدت آن را با تقسیم شار کل بر زاویه جامد کل یک کره که برابر با 4π استرادیان است، محاسبه کنید. برای مثال، یک منبع ایزوتروپیک ۱۰۰۰ لومنی شدت ۱۰۰۰ lm / ۴π sr ≈ ۷۹.۶ cd در هر جهت خواهد داشت. در واقعیت، بیشتر منابع LED ایزوتروپیک نیستند. شدت آن با جهت تغییر می کند. مجموع شدت در همه جهات، که در کل کره یکپارچه شده است، شما را به شار نوری کل بازمی گرداند. شدت نور معیار کلیدی برای درک و طراحی زاویه های پرتو، بازتابنده ها و عدسی ها است.

روشنایی (روشنایی) چیست و چگونه اندازه گیری می شود؟

درخشندگی در اصطلاحات فنی به عنوان روشنایی شناخته می شود. اگرچه اغلب در مکالمات به طور آزاد استفاده می شود، روشنایی تعریف علمی دقیقی دارد. این معیار اندازه گیری مقدار نوری است که از یک سطح در یک جهت مشخص ساطع، منتقل یا بازتاب می شود. به عبارت دیگر، میزان «روشنایی» سطح را برای ناظری که از زاویه خاصی نگاه می کند کمی می کند. این تمایز حیاتی با روشنایی است که نور تابیده به سطح را اندازه گیری می کند. روشنایی نوری را که از آن سطح (یا خود منبع نور) خارج شده و به سمت چشم حرکت می کند، اندازه گیری می کند. واحد روشنایی آن شمعدان بر متر مربع (cd/m²) است که اغلب به آن «نیت» نیز گفته می شود. تعریف رسمی شامل شدت درخشانی (I) است که توسط یک عنصر سطحی (dS) در یک جهت مشخص منتشر می شود، تقسیم بر مساحت آن عنصر سطحی که روی صفحه ای عمود بر آن جهت تابیده می شود. فرمول L = dI / (dS · cos θ) است، که در آن θ زاویه بین جهت دید و عمود (عمود) بر سطح است. برای سطحی صاف با نور ساطع کننده، مانند تراشه LED یا تابلو روشن، که مستقیم روی (θ=0°) دیده می شود، فرمول به L = I / dS ساده می شود. روشنایی همان چیزی است که چشم های ما واقعا درک می کنند. یک تکه کاغذ سفید زیر نور شدید روشنایی بالایی دارد؛ همان کاغذ در اتاق تاریک روشنایی کمی دارد. در کاربردهای LED، روشنایی برای ارزیابی خیرگی (که منبع روشنایی بسیار بالایی در میدان دید) و طراحی نمایشگرها و نشانگرها بسیار مهم است. در آزمایش تراشه و ارزیابی ایمنی تابش LED، اغلب از روش های تصویربرداری استفاده می شود که در آن سیستم دوربین روشنایی سطح تراشه را اندازه گیری می کند تا نقاط داغ را شناسایی کرده و عملکرد یکنواخت را تضمین کند.

روشنایی چیست و چگونه محاسبه می شود؟

روشنایی شاید عملی ترین و رایج ترین معیار در طراحی نورپردازی باشد. مقدار شار نوری که روی یک سطح مشخص می افتد را اندازه گیری می کند. به زبان ساده، به شما می گوید چقدر نور روی میز، کف انبار یا زمین فوتبال می تابد. این «نتیجه نهایی» سیستم نورپردازی از دیدگاه شیء یا وظیفه روشن شده است. واحد روشنایی لوکس (lx) است. یک لوکس به عنوان یک لومن در هر متر مربع تعریف می شود (۱ lx = ۱ lm/m²). فرمول روشنایی (E) برابر است با E = dΦ / dS، که در آن dΦ شار درخشانی است که بر یک عنصر سطحی کوچک با مساحت dS وارد می شود. روشنایی به چند عامل بستگی دارد: شدت منبع نور، فاصله منبع تا سطح و زاویه ای که نور به سطح برخورد می کند. این قانون از قانون معکوس مجذور پیروی می کند، به این معنی که اگر فاصله از منبع نور را دو برابر کنید، روشنایی به یک چهارم مقدار اولیه خود کاهش می یابد. همچنین تحت تأثیر کسینوس زاویه تابش قرار دارد؛ نوری که با زاویه ۴۵ درجه به سطحی برخورد می کند، روشنایی کمتری نسبت به نوری که مستقیما عمود بر آن می تابد، ایجاد می کند. برای مثال، یک چراغ مطالعه ممکن است ۵۰۰ لوکس روی یک کتاب داشته باشد، در حالی که یک دفتر با نور خوب ممکن است ۳۰۰ تا ۵۰۰ لوکس روی میزها داشته باشد. یک نورافکن امنیتی ممکن است نیاز داشته باشد ۵۰ لوکس روی زمین فراهم کند، در حالی که یک ورزشگاه حرفه ای فوتبال برای پخش به ۱۵۰۰ تا ۲۰۰۰ لوکس نیاز دارد. روشنایی معیار کلیدی است که در استانداردها و مقررات روشنایی برای تضمین نور کافی جهت ایمنی و عملکرد وظایف استفاده می شود. در عمل با استفاده از نورسنج اندازه گیری می شود که دارای حسگر اصلاح شده با کسینوس است تا نور تابیده شده روی صفحه را به دقت ثبت کند.

این چهار اندازه گیری چگونه به هم مرتبط هستند؟

درک روابط بین شار نور، شدت نور، روشنایی و روشنایی کلید تسلط بر طراحی نورپردازی است. این ها مفاهیم مستقل نیستند بلکه دیدگاه های متفاوتی نسبت به یک پدیده نور دارند. شار نوری (لومن) نقطه شروع کل است—کل نوری که از منبع ساطع می شود. این شار سپس در فضا توزیع می شود. توزیع با شدت درخشان (شمع) در همه جهات توصیف می شود. نمودار شدت قطبی روشی گرافیکی برای نمایش این توزیع است. وقتی این نور توزیع شده از فضا عبور می کند و در نهایت روی سطحی فرود می آید، نتیجه را به صورت روشنایی (لوکس) در آن سطح اندازه گیری می کنیم. یک نورسنج که روی میز قرار دارد، میزان روشنایی را اندازه گیری می کند. در نهایت، وقتی آن سطح روشن بخشی از آن نور را به سمت چشم ناظر بازتاب می دهد، «روشنایی» ادراک شده سطح، روشنایی آن (cd/m²) است. نورسنج دوربین همچنین نوعی روشنایی را اندازه گیری می کند. یک مثال ساده همه این ها را به هم پیوند می دهد: یک چراغ سیلابی LED با ظرفیت ۵۰۰۰ لومن (شار) ممکن است شدت اوج ۱۰٬۰۰۰ کندلا در پرتو مرکزی خود داشته باشد. اگر آن پرتو به دیواری در فاصله ۱۰ متری نشانه رفته باشد، روشنایی مرکز آن پرتو روی دیوار ممکن است ۱۰۰ لوکس باشد. اگر آن دیوار سفید رنگ شده و بازتاب بالایی داشته باشد، روشنایی آن ممکن است ۳۰ cd/m² باشد که برای ناظر روشن به نظر برسد. اگر دیوار سیاه رنگ شده باشد، روشنایی آن ممکن است فقط ۳ سی دی بر متر مربع باشد و تاریک به نظر برسد، حتی اگر روشنایی دیوار همان ۱۰۰ لوکس باشد. این چهار معیار در یک زنجیره عمل می کنند، از منبع (شار، شدت) تا تأثیر بر سطوح (روشنایی، روشنایی)، و زبان کاملی برای توصیف و مهندسی نور فراهم می کنند.

سؤالات متداول درباره محاسبات روشنایی LED

تفاوت بین لومن و لوکس چیست؟

این یک نکته رایج برای سردرگمی است. لومن ها (lm) مقدار کل نور ساطع شده توسط یک منبع را اندازه گیری می کنند. لوکس (lx) مقدار نوری که روی یک سطح می افتد را اندازه گیری می کند. آن را مثل باران تصور کنید: لومن مقدار کل بارانی است که از یک ابر می بارد، در حالی که لومن عمق گودال روی راه ورودی خانه شماست. یک چراغ قوه ۱۰۰۰ لومنی مقدار لوکس بسیار بالاتری روی دیوار نزدیک نسبت به چراغ سقفی ۱۰۰۰ لومن تولید می کند، زیرا نور چراغ قوه در ناحیه کوچکتری متمرکز می شود.

چطور می توانم روشنایی یک چراغ LED را در فاصله مشخصی محاسبه کنم؟

برای یک منبع نقطه ای، می توان با استفاده از قانون معکوس مجذور، یک برآورد تقریبی انجام داد. شما به شدت نور (در شمع) در جهت سطح نیاز دارید. روشنایی (E) تقریبا برابر با شدت (I) تقسیم بر فاصله (d) به توان دو است: E = I / d². اما برای چراغ های LED واقعی با زاویه پرتو خاص، موضوع پیچیده تر است. دقیق ترین روش استفاده از نرم افزار طراحی نور است که با استفاده از فایل های داده فوتومتریک، روشنایی را در سراسر یک ناحیه محاسبه می کند و شکل پرتو و چندین چراغ را در نظر می گیرد.

کدام یک از چهار معیار برای خرید چراغ رومیزی مهم تر است؟

برای یک چراغ رومیزی، روشنایی عملی ترین معیار است. شما می خواهید بدانید چقدر نور (به لوکس) روی سطح محل کارتان می تابد. با این حال، از آنجا که تولیدکنندگان همیشه داده های روشنایی برای فواصل مشخص ارائه نمی دهند، شار نوری کل (لومن) نقطه شروع خوبی است. یک لامپ با ۴۰۰ تا ۸۰۰ لومن معمولا برای یک میز کافی است. همچنین باید زاویه پرتو را در نظر بگیرید تا نور روی کار شما متمرکز شود بدون اینکه باعث تابش نور (نور بیش از حد) در چشم هایتان شود.