Keturių LED ryškumo matavimo ramsčių supratimas
Kai kalbame apie tai, kokia "ryški" yra LED lemputė, dažnai vartojame atsitiktinį terminą, kuris skirtinguose kontekstuose gali reikšti skirtingus dalykus. Ar tai bendras iš lemputės sklindančios šviesos kiekis? Ar tai spindulio, sufokusuoto į konkrečią vietą, intensyvumas? O gal apšvietimo lygis ant jūsų stalo ar futbolo aikštės? Apšvietimo dizaineriams, inžinieriams ir specifikatoriams šie skirtumai nėra atsitiktiniai; jie yra esminiai. Norėdami tiksliai apibūdinti, palyginti ir pritaikyti LED apšvietimą, remiamės keturiais skirtingais, tačiau tarpusavyje susijusiais fotometriniais dydžiais: šviesos srautu, šviesos intensyvumu, ryškumu (skaisčiu) ir apšvietimu. Kiekvienas iš šių rodiklių pateikia skirtingą dėlionės dalį, atsakant į skirtingą klausimą apie šviesos veikimą. Šviesos srautas nurodo bendrą galią, šviesos intensyvumas nurodo kryptinę galią, apšvietimas nurodo, kas patenka ant paviršiaus, o ryškumas nurodo, kaip paviršius atrodo. Įsisavinti šias keturias sąvokas būtina visiems, dalyvaujantiems projektuojant apšvietimo sistemas – nuo paprastos stalinės lempos iki sudėtingo stadiono įrengimo. Šis vadovas demistifikuos kiekvieną iš šių keturių LED ryškumo skaičiavimo metodų, pateikdamas aiškius apibrėžimus, formules, vienetus ir praktinius jų taikymo pavyzdžius.
Kas yra šviesos srautas ir kaip jis apskaičiuojamas?
Šviesos srautas yra pagrindinis šviesos srauto rodiklis. Jis kiekybiškai įvertina bendrą matomos šviesos kiekį, kurį skleidžia šaltinis per laiko vienetą. Pagalvokite apie tai kaip apie bendrą šviesos "srautą" iš lempos, nepriklausomai nuo to, kuria kryptimi ji juda. Tai yra viso šviesos srauto matas, todėl jis yra tiesioginis bendros šviesos šaltinio galios šviesai gaminti rodiklis. Šviesos srauto vienetas yra liumenas (lm). Kai perkate LED lemputę ir matote, kad ji pažymėta "800 liumenų", tai yra šviesos srautas – bendras šviesos kiekis, kurį lemputė skleidžia visomis kryptimis. Tačiau šviesos srauto apskaičiavimas yra sudėtingesnis, nei gali atrodyti, nes žmogaus akis nevienodai suvokia visus šviesos bangos ilgius. Mes esame jautriausi žaliai geltonai šviesai apie 555 nm ir daug mažiau jautrūs giliai raudonai ar mėlynai šviesai. Todėl šviesos srautas yra svertinis matavimas. Jis apskaičiuojamas paimant faktinę šviesos šaltinio spinduliuotės galią (fizinę energiją) kiekviename bangos ilgyje ir padauginus ją iš koeficiento, atspindinčio akies jautrumą tam bangos ilgiui. Šis koeficientas žinomas kaip santykinis spektrinis šviesos efektyvumas, žymimas V(λ). Formali šviesos srauto (Φ) formulė yra: Φ = Km ∫ Φ(λ) · V(λ) dλ, kur Φ(λ) yra spektrinis spinduliuotės srautas, V(λ) yra santykinis spektrinis šviesos efektyvumas, o Km yra konstanta (683 lm/W), atspindinti didžiausią įmanomą šviesos efektyvumą esant didžiausiam jautrumo bangos ilgiui 555 nm. Iš esmės ši formulė matematiškai paverčia neapdorotą fizinę galią žmogaus regėjimo sistemos suvokiamo ryškumo matavimu.
Kas yra šviesos intensyvumas ir kuo jis skiriasi nuo srauto?
Nors šviesos srautas nurodo bendrą šviesos srautą, jis nepasako, kaip ta šviesa pasiskirsto. 1000 liumenų šviesa gali būti plika lemputė, visur purškianti šviesą, arba griežtai sufokusuotas prožektorius. Šviesos intensyvumas yra metrika, apibūdinanti šviesos koncentraciją tam tikra kryptimi. Jis apibrėžiamas kaip šaltinio skleidžiamo šviesos srauto kiekis vientisojo kampo vienetui tam tikra kryptimi. Vientisas kampas yra trimatis kampas, matuojamas steradianais (sr), apibūdinantis šviesos "kūgį", sklindantį iš taško. Įsivaizduokite žibintuvėlį: jo šviesos srautas gali būti 300 liumenų, tačiau šviesos intensyvumas išilgai centrinio pluošto yra labai didelis, nes tie 300 liumenų yra sutelkti į siaurą kūgį. Šviesos intensyvumo vienetas yra kandela (cd). Viena kandela apibrėžiama kaip vienas liumenas steradianui (1 cd = 1 lm/sr). Srauto ir intensyvumo santykis yra geometrinis. Jei turite šviesos šaltinį, kuris tolygiai skleidžia srautą visomis kryptimis (izotropinis šaltinis), galite apskaičiuoti jo intensyvumą padaliję bendrą srautą iš bendro sferos kietojo kampo, kuris yra 4π steradianai. Pavyzdžiui, 1000 liumenų izotropinio šaltinio intensyvumas būtų 1000 lm / 4π sr ≈ 79,6 cd bet kuria kryptimi. Iš tikrųjų dauguma LED šaltinių nėra izotropiniai. Intensyvumas kinta priklausomai nuo krypties. Intensyvumo suma visomis kryptimis, integruota per visą sferą, grąžina jus prie bendro šviesos srauto. Šviesos intensyvumas yra pagrindinis rodiklis norint suprasti ir projektuoti pluošto kampus, atšvaitus ir lęšius.
Kas yra ryškumas (skaistis) ir kaip jis matuojamas?
Ryškumas techniškai vadinamas skaisčiu. Nors dažnai naudojamas laisvai pokalbiuose, skaisčiai turi tikslų mokslinį apibrėžimą. Tai šviesos kiekio, kuris skleidžiamas, perduodamas arba atsispindi nuo paviršiaus tam tikra kryptimi, matas. Kitaip tariant, jis kiekybiškai įvertina, kaip "ryškus" paviršius atrodo stebėtojui, žiūrinčiam į jį tam tikru kampu. Tai yra esminis skirtumas nuo apšvietimo, kuris matuoja ant paviršiaus krentančią šviesą. Šviesis matuoja šviesą, išeinančią iš to paviršiaus (arba paties šviesos šaltinio) ir keliaujančią link akies. Skaisčio vienetas yra kandela kvadratiniam metrui (cd/m²), dažnai dar vadinamas "nit". Formalus apibrėžimas apima šviesos intensyvumą (I), kurį tam tikra kryptimi skleidžia paviršiaus elementas (dS), padalytas iš to paviršiaus elemento ploto, projektuojamo ant tai krypčiai statmenos plokštumos. Formulė yra L = dI / (dS · cos θ), kur θ yra kampas tarp žiūrėjimo krypties ir normalios (statmenos) paviršiui. Plokščiam šviesą skleidžiančiam paviršiui, pavyzdžiui, LED lustui ar šviečiančiam ženklui, žiūrint tiesiai (θ=0°), formulė supaprastinama iki L = I / dS. Šviesis yra tai, ką iš tikrųjų suvokia mūsų akys. Baltas popieriaus lapas ryškioje šviesoje turi didelį ryškumą; tas pats popierius tamsioje patalpoje turi mažą skaisčio. LED programose skaisčiai yra labai svarbūs vertinant akinimą (labai didelį skaisčio šaltinį matymo lauke) ir projektuojant ekranus bei indikatorius. Testuojant lustus ir vertinant LED spinduliuotės saugumą, dažnai naudojami vaizdo gavimo metodai, kai kamerų sistema matuoja skaisčio dydį visame lusto paviršiuje, kad nustatytų karštuosius taškus ir užtikrintų vienodą veikimą.
Kas yra apšvietimas ir kaip jis apskaičiuojamas?
Apšvietimas yra bene praktiškiausias ir dažniausiai nurodomas apšvietimo projektavimo rodiklis. Jis matuoja šviesos srauto, patenkančio į tam tikrą paviršiaus plotą, kiekį. Paprasčiau tariant, jis parodo, kiek šviesos patenka ant jūsų stalo, sandėlio grindų ar futbolo aikštės. Tai yra apšvietimo sistemos "galutinis rezultatas" apšviesto objekto ar užduoties požiūriu. Apšvietimo vienetas yra liuksas (lx). Vienas liuksas apibrėžiamas kaip vienas liumenas kvadratiniam metrui (1 lx = 1 lm/m²). Apšvietimo formulė (E) yra E = dΦ / dS, kur dΦ yra šviesos srautas, patenkantis į mažą paviršiaus elementą, kurio plotas dS. Apšvietimas priklauso nuo kelių veiksnių: šviesos šaltinio intensyvumo, atstumo nuo šaltinio iki paviršiaus ir kampo, kuriuo šviesa patenka į paviršių. Jis atitinka atvirkštinio kvadrato dėsnį, o tai reiškia, kad padvigubinus atstumą nuo šviesos šaltinio, apšvietimas sumažėja iki ketvirtadalio pradinės vertės. Tam įtakos turi kritimo kampo kosinusas; šviesa, atsitrenkianti į paviršių 45 laipsnių kampu, suteikia mažiau apšvietimo nei šviesa, smogianti tiesiai statmenai. Pavyzdžiui, skaitymo lemputė gali suteikti 500 liuksų ant knygos, o gerai apšviestame biure ant stalų gali būti 300–500 liuksų. Apsauginiam prožektoriui gali reikėti užtikrinti 50 liuksų ant žemės, o profesionaliam futbolo stadionui transliacijai reikia 1500–2000 liuksų. Apšvietimas yra pagrindinis apšvietimo standartuose ir taisyklėse naudojamas rodiklis, siekiant užtikrinti pakankamą apšvietimą saugumui ir užduočių atlikimui. Praktiškai jis matuojamas naudojant šviesos matuoklį, kuris turi kosinuso pakoreguotą jutiklį, kuris tiksliai užfiksuoja lėktuve krentančią šviesą.
Kaip šie keturi matavimai susiję vienas su kitu?
Norint įsisavinti apšvietimo dizainą, labai svarbu suprasti šviesos srauto, šviesos intensyvumo, apšvietimo ir skaisčio ryšius. Tai nėra nepriklausomos sąvokos, o skirtingos to paties šviesos reiškinio perspektyvos. Šviesos srautas (liumenai) yra bendras atskaitos taškas – bendra šaltinio skleidžiama šviesa. Tada šis srautas pasiskirsto erdvėje. Pasiskirstymas apibūdinamas šviesos intensyvumu (kandela) visomis kryptimis. Poliarinio intensyvumo diagrama yra grafinis būdas parodyti šį pasiskirstymą. Kai ši paskirstyta šviesa keliauja per erdvę ir galiausiai nusileidžia ant paviršiaus, rezultatą matuojame kaip apšvietimą (liuksus) tame paviršiuje. Šviesos matuoklis, pastatytas ant stalo, matuoja apšvietimą. Galiausiai, kai tas apšviestas paviršius atspindi dalį tos šviesos į stebėtojo akį, suvokiamas paviršiaus "ryškumas" yra jo skaisčiai (cd/m²). Fotoaparato šviesos matuoklis taip pat matuoja skaisčio formą. Paprastas pavyzdys viską sieja: 5000 liumenų LED prožektoriaus (srauto) didžiausias intensyvumas centriniame spindulyje gali būti 10 000 kandelų. Jei tas spindulys nukreiptas į sieną už 10 metrų, apšvietimas to spindulio centre ant sienos gali būti 100 liuksų. Jei ta siena nudažyta baltai ir turi didelį atspindį, jos skaisčiai gali būti 30 cd/m², stebėtojui atrodo ryškūs. Jei siena nudažyta juodai, jos skaisčiai gali būti tik 3 cd/m² ir atrodyti tamsūs, nors sienos apšvietimas yra tas pats 100 liuksų. Šie keturi rodikliai veikia grandinėje, nuo šaltinio (srautas, intensyvumas) iki poveikio paviršiams (apšvietimas, skaistis), suteikdami išsamią kalbą šviesai apibūdinti ir inžinerijai.
Dažnai užduodami klausimai apie LED ryškumo skaičiavimus
Kuo skiriasi liumenai ir liuksai?
Tai dažnas painiavos taškas. Liumenai (lm) matuoja bendrą šaltinio skleidžiamos šviesos kiekį. Liuksas (lx) matuoja tos šviesos kiekį, kuris patenka į paviršių. Pagalvokite apie tai kaip apie lietų: liumenai yra bendras lietaus kiekis, krentantis iš debesies, o liuksas yra balos gylis jūsų važiuojamojoje dalyje. 1000 liumenų žibintuvėlis sukurs daug didesnį liuksų rodmenį ant netoliese esančios sienos nei 1000 liumenų lubų šviestuvas, nes žibintuvėlio šviesa sutelkta mažesniame plote.
Kaip apskaičiuoti LED lemputės apšvietimą tam tikru atstumu?
Taškiniam šaltiniui apytikslį įvertinimą galima atlikti naudojant atvirkštinio kvadrato dėsnį. Jums reikia šviesos intensyvumo (kandelomis) paviršiaus kryptimi. Apšvietimas (E) yra maždaug intensyvumas (I), padalytas iš atstumo (d) kvadratu: E = I / d². Tačiau tikriems LED šviestuvams su specifiniais spindulio kampais jis yra sudėtingesnis. Tiksliausias būdas yra naudoti apšvietimo projektavimo programinę įrangą, kuri naudoja fotometrinių duomenų failus apšvietimui apskaičiuoti plote, atsižvelgiant į pluošto formą ir kelis šviestuvus.
Kuris iš keturių rodiklių yra svarbiausias perkant stalinę lempą?
Stalinės lempos apšvietimas yra praktiškiausias rodiklis. Norite sužinoti, kiek šviesos (liuksais) pateks ant jūsų darbinio paviršiaus. Tačiau kadangi gamintojai ne visada pateikia apšvietimo duomenis tam tikrais atstumais, bendras šviesos srautas (liumenai) yra geras atspirties taškas. Stalui paprastai pakanka 400–800 liumenų lempos. Taip pat turėtumėte atsižvelgti į spindulio kampą, kad užtikrintumėte, jog jis sutelks šviesą į jūsų darbą, nesukeldamas akinimo (per didelio ryškumo) akyse.
