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 šviesos kiekis, išeinantis iš lemputės? Ar tai spindulio intensyvumas, sutelktas į konkretų tašką? O gal tai apšvietimo lygis ant jūsų stalo ar futbolo aikštės? Apšvietimo dizaineriams, inžinieriams ir specifikuotojams šie skirtumai nėra atsitiktiniai; jie yra esminiai. Norėdami tiksliai aprašyti, palyginti ir taikyti LED apšvietimą, remiamės keturiais skirtingais, tačiau tarpusavyje susijusiais fotometriniais dydžiais: šviesos srautu, šviesos intensyvumu, ryškumu (šviesumu) ir apšvietimu. Kiekvienas iš šių rodiklių pateikia skirtingą dėlionės dalį, atsakančią į skirtingą klausimą apie šviesos veikimą. Šviesos srautas parodo bendrą išėjimą, šviesos intensyvumas – kryptinę galią, apšvietimas – kas nusėda ant paviršiaus, o ryškumas – kaip paviršius atrodo. Šių keturių koncepcijų įvaldymas yra būtinas kiekvienam, kuris projektuoja apšvietimo sistemas – nuo paprastos stalinės lempos iki sudėtingos stadiono instaliacijos. Šis vadovas atskleis 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 išėjimo rodiklis. Ji kiekybiškai įvertina bendrą matomos šviesos kiekį, kurį šaltinis išspinduliuoja per laiko vienetą. Įsivaizduokite tai kaip bendrą šviesos "srautą" iš lempos, nepriklausomai nuo to, kuria kryptimi ji keliauja. Tai yra viso šviesos kiekio matas, todėl tai yra tiesiausias šviesos šaltinio bendros galios skleisti šviesą rodiklis. Šviesos srauto vienetas yra liumenas (lm). Kai perkate LED lemputę ir matote, kad ji pažymėta kaip "800 liumenų", tai yra šviesos srautas – bendras lemputės skleidžiamos šviesos kiekis visomis kryptimis. Tačiau šviesos srauto skaičiavimas yra sudėtingesnis, nei gali pasirodyti, nes žmogaus akis nesuvokia visų šviesos bangos ilgių vienodai. Mes esame jautriausi žaliai-geltonai šviesai apie 555 nm ir daug mažiau jautrūs tamsiai raudonai ar mėlynai šviesai. Todėl šviesos srautas yra svertinis matas. Jis apskaičiuojamas paėmus faktinę šviesos šaltinio spinduliavimo galią (fizinę energiją) kiekviename bangos ilgyje ir padauginus ją iš faktoriaus, atitinkančio akies jautrumą tam bangos ilgiui. Šis faktorius vadinamas santykiniu spektriniu šviesos efektyvumu, žymimu V(λ). Formali šviesos srauto (Φ) formulė yra: Φ = Km ∫ Φ(λ) · V(λ) dλ, kur Φ(λ) yra spektrinis spindulinis srautas, V(λ) – santykinis spektrinis šviesos efektyvumas, o Km yra konstanta (683 lm/W), kuri atitinka maksimalų galimą šviesos efektyvumą esant didžiausiam jautrumui bangos ilgiui 555 nm. Iš esmės ši formulė matematiškai paverčia gryną fizinę galią žmogaus regos sistemos suvokiamo ryškumo matavimu.

Kas yra šviesos intensyvumas ir kuo jis skiriasi nuo srauto?

Nors šviesos srautas parodo bendrą šviesos kiekį, jis neparodo, kaip ta šviesa pasiskirsto. 1000 liumenų šviesa gali būti plika lemputė, purškianti šviesą visur, arba tai gali būti labai fokusuotas prožektorius. Šviesos intensyvumas yra metrika, apibūdinanti šviesos koncentraciją tam tikra kryptimi. Jis apibrėžiamas kaip šviesos srauto kiekis, kurį šaltinis išskiria vienam kietojo kampo vienetui tam tikra kryptimi. Kietasis kampas yra trimatis kampas, matuojamas steradianais (sr), kuris apibūdina šviesos "kūgį", išsiskleidžiantį nuo taško. Įsivaizduokite žibintuvėlį: jo šviesos srautas gali būti 300 liumenų, tačiau šviesos intensyvumas centrinėje sijoje yra labai didelis, nes tie 300 liumenų koncentruojasi į siaurą kūgį. Šviesos intensyvumo vienetas yra kandela (cd). Viena kandela apibrėžiama kaip vienas liumenas kiekvienam steradianui (1 cd = 1 lm/sr). Ryšys tarp srauto ir intensyvumo yra geometrinis. Jei turite šviesos šaltinį, kuris skleidžia srautą tolygiai visomis kryptimis (izotropinis šaltinis), galite apskaičiuoti jo intensyvumą padalindami bendrą srautą iš bendro sferos kietojo kampo, kuris yra 4π steradianų. Pavyzdžiui, 1000 liumenų izotropinis šaltinis turėtų 1000 lm / 4π sr ≈ 79,6 cd bet kuria kryptimi. Iš tiesų 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, leidžiantis suprasti ir projektuoti spindulio kampus, reflektorius ir lęšius.

Kas yra ryškumas (luminance) ir kaip jis matuojamas?

Technine prasme ryškumas vadinamas šviesumu. Nors dažnai pokalbiuose vartojamas laisvai, luminancija turi tikslią mokslinę apibrėžtį. Tai matas, kiek šviesos yra išspinduliuojama, perduodama ar atspindėta nuo paviršiaus tam tikra kryptimi. Kitaip tariant, jis kiekybiškai įvertina, kiek "ryškus" paviršius atrodo stebėtojui, žiūrinčiam iš tam tikro kampo. Tai esminis skirtumas nuo apšvietimo, kuris matuoja šviesą, krentančią ant paviršiaus. Šviesumas matuoja šviesą, išeinančią iš to paviršiaus (ar paties šviesos šaltinio) ir keliaujančią link akies. Šviesumo vienetas yra kandelos kvadratiniam metrui (cd/m²), dažnai vadinamas "nitu". Formalus apibrėžimas apima šviesos intensyvumą (I), kurį skleidžia paviršiaus elementas (dS) tam tikra kryptimi, padalintą iš to paviršiaus elemento ploto, projektuojamo į plokštumą, statmeną ta kryptimi. Formulė yra L = dI / (dS · cos θ), kur θ yra kampas tarp žiūrėjimo krypties ir normalės (statmenos) paviršiui. Plokščiam šviesą skleidžiančiam paviršiui, pavyzdžiui, LED lustui ar apšviestam ženklui, žiūrint tiesiai (θ=0°), formulė supaprastinama iki L = I / dS. Šviesumas yra tai, ką mūsų akys iš tikrųjų suvokia. Baltas popieriaus lapas po ryškia šviesa turi didelį šviesumą; Tas pats popierius tamsiame kambaryje turi mažą šviesumą. LED taikymuose šviesumas yra labai svarbus vertinant akinimą (labai stiprų šviesos šaltinį matymo lauke) ir kuriant ekranus bei indikatorius. Lustų testavimui ir LED spinduliuotės saugumo vertinimui dažnai naudojami vaizdavimo metodai, kai kameros sistema matuoja luminanciją lusto paviršiuje, kad identifikuotų karštąsias zonas ir užtikrintų vienodą veikimą.

Kas yra apšvietimas ir kaip jis apskaičiuojamas?

Apšvietimas yra galbūt praktiškiausias ir dažniausiai minimas apšvietimo dizaino rodiklis. Jis matuoja, kiek šviesos srauto krenta ant tam tikro paviršiaus ploto. Paprastai tariant, jis parodo, kiek šviesos krenta ant jūsų stalo, sandėlio grindų ar futbolo aikštės. Tai yra apšvietimo sistemos "galutinis rezultatas" iš apšviesto objekto ar užduoties perspektyvos. 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, krentantis ant mažo paviršiaus elemento, kurio plotas dS. Apšvietimas priklauso nuo kelių veiksnių: šviesos šaltinio intensyvumo, atstumo nuo šaltinio iki paviršiaus ir kampo, kuriuo šviesa krenta ant paviršiaus. Jis laikosi atvirkštinio kvadrato dėsnio, reiškiančio, kad jei padvigubinsite atstumą nuo šviesos šaltinio, apšvietimas sumažėja iki ketvirtadalio pradinės vertės. Jį taip pat veikia kritimo kampo kosinusas; šviesa, pataikanti į paviršių 45 laipsnių kampu, suteikia mažiau apšvietimo nei šviesa, pataikanti tiesiai statmenai. Pavyzdžiui, skaitymo lempa gali suteikti 500 liuksų knygai, o gerai apšviestas biuras – 300–500 liuksų ant stalų. Saugumo prožektorius gali reikalauti 50 liuksų ant žemės, o profesionalus futbolo stadionas – 1500–2000 liuksų transliacijai. Apšvietimas yra pagrindinis rodiklis, naudojamas apšvietimo standartuose ir taisyklėse, siekiant užtikrinti pakankamą apšvietimą saugumui ir užduočių atlikimui. Praktiškai jis matuojamas šviesos matuokliu, kuris turi kosinuso koreguotą jutiklį, tiksliai fiksuojantį ant lėktuvo krentančią šviesą.

Kaip šie keturi matavimai susiję tarpusavyje?

Suprasti ryšius tarp šviesos srauto, šviesos intensyvumo, apšvietimo ir šviesumo yra raktas į apšvietimo dizaino įvaldymą. Tai nėra nepriklausomos sąvokos, o skirtingos perspektyvos į tą patį šviesos reiškinį. Šviesos srautas (liumenai) yra bendras pradinis taškas – bendra šviesa, kurią skleidžia šaltinis. Šis srautas tada paskirstomas erdvėje. Pasiskirstymas aprašomas šviesos intensyvumu (kandela) visomis kryptimis. Poliarinio intensyvumo diagrama yra grafiškas būdas parodyti šį pasiskirstymą. Kai ši paskirstyta šviesa keliauja per erdvę ir galiausiai nusileidžia ant paviršiaus, matuojame rezultatą kaip apšvietimą (lux) tame paviršiuje. Ant stalo pastatytas šviesos matuoklis matuoja apšvietimą. Galiausiai, kai apšviestas paviršius atspindi dalį tos šviesos stebėtojo akiai, suvokiamas paviršiaus "ryškumas" yra jo šviesumas (cd/m²). Fotoaparato šviesos matuoklis taip pat matuoja tam tikrą šviesumo formą. Paprastas pavyzdys viską sujungia: 5000 liumenų LED prožektorius (flux) gali turėti maksimalų intensyvumą – 10 000 kandelų savo centrinėje šviesoje. Jei tas spindulys nukreiptas į sieną, esančią už 10 metrų, šviesos lygis sijos centre gali būti 100 liuksų. Jei ta siena nudažyta baltai ir turi didelį atspindį, jos šviesumas gali būti 30 cd/m², kas stebėtojui atrodo šviesu. Jei siena nudažyta juodai, jos šviesumas gali būti tik 3 cd/m², atrodyti tamsi, nors apšvietimas ant sienos yra tas pats – 100 liuksų. Šios keturios metrikos veikia grandinėje – nuo šaltinio (srautas, intensyvumas) iki poveikio paviršiams (apšvietimas, šviesumas), suteikdamos pilną kalbą šviesos aprašymui ir inžinerijai.

Dažniausiai užduodami klausimai apie LED ryškumo skaičiavimus

Kuo skiriasi liumenai nuo lukso?

Tai dažnas painiavos taškas. Lumenai (lm) matuoja bendrą šviesos kiekį, kurį skleidžia šaltinis. Lux (lx) matuoja, kiek šviesos patenka ant paviršiaus. Galvokite apie tai kaip apie lietų: liumenai – bendras lietaus kiekis, krentantis iš debesies, o liuksas – balos gylis jūsų įvažiavime. 1000 liumenų žibintuvėlis ant netoliese esančios sienos parodys daug didesnį liuksų rodmenį nei 1000 liumenų lubų šviestuvas, nes žibintuvėlio šviesa sutelkta mažesnėje erdvėje.

Kaip apskaičiuoti LED šviesos apšvietimą tam tikru atstumu?

Taškiniam šaltiniui galima apytiksliai įvertinti naudojant atvirkštinio kvadrato dėsnį. Jums reikia šviesos intensyvumo (kandeloje) paviršiaus kryptimi. Apšvietimas (E) yra apytiksliai intensyvumas (I) padalintas iš atstumo (d) kvadratu: E = I / d². Tačiau tikriems LED šviestuvams su specifiniais šviesos kampais tai sudėtingiau. Tiksliausias metodas – naudoti apšvietimo projektavimo programinę įrangą, kuri naudoja fotometrinius duomenų failus apšvietimui plote apskaičiuoti, atsižvelgiant į spindulio formą ir kelis šviestuvus.

Kuris iš keturių rodiklių yra svarbiausias perkant stalinę lempą?

Stalinei lempai apšvietimas yra praktiškiausias rodiklis. Norite žinoti, kiek šviesos (lux) pateks ant jūsų darbo paviršiaus. Tačiau, kadangi gamintojai ne visada pateikia apšvietimo duomenis konkrečiam atstumui, bendras šviesos srautas (liumenai) yra geras pradžios taškas. Stalui paprastai pakanka lempos su 400–800 liumenų. Taip pat turėtumėte atsižvelgti į spindulio kampą, kad šviesa būtų sutelkta į jūsų darbą, nesukeliant akinimui (perteklinio šviesumo) akyse.