Forståelse av de fire søylene for LED-lysstyrkemåling

Når vi snakker om hvor «sterk» en LED-lampe er, bruker vi ofte et uformelt begrep som kan bety forskjellige ting i ulike sammenhenger. Er det den totale mengden lys som strømmer ut av pæren? Er det intensiteten til strålen som er fokusert på et bestemt punkt? Eller er det belysningsnivået på pulten din eller på en fotballbane? For lysdesignere, ingeniører og spesifiserere er disse skillene ikke tilfeldige; De er grunnleggende. For å nøyaktig beskrive, sammenligne og anvende LED-belysning, stoler vi på fire distinkte, men likevel sammenhengende, fotometriske størrelser: lysstrøm, lysstyrkeintensitet, lysstyrke (luminans) og illuminans. Hver av disse målingene gir en forskjellig brikke i puslespillet, og svarer på et annet spørsmål om lysets ytelse. Luminøst fluks forteller oss total utgang, lysintensitet forteller retningskraft, belysning forteller oss hva som lander på en overflate, og lysstyrke forteller hvordan en overflate ser ut. Å mestre disse fire konseptene er essensielt for alle som er involvert i design av belysningssystemer, fra en enkel skrivebordslampe til en kompleks stadioninstallasjon. Denne guiden vil avmystifisere hver av disse fire LED-lysstyrkeberegningsmetodene, og gi klare definisjoner, formler, enheter og praktiske eksempler på deres anvendelse.

Hva er lysstrøm, og hvordan beregnes den?

Luminøst fluks er den grunnleggende måleparameteren for lysutgang. Den kvantifiserer den totale mengden synlig lys som sendes ut av en kilde per tidsenhet. Tenk på det som den totale «strømmen» av lys fra en lampe, uansett hvilken retning den beveger seg. Det er et mål på hele lysutgangen, noe som gjør det til den mest direkte indikatoren på en lyskildes totale evne til å produsere lys. Enheten for lysstrømmen er lumen (lm). Når du kjøper en LED-pære og ser den merket som «800 lumen», er dette lysstrømmen—den totale mengden lys pæren sender ut i alle retninger. Beregningen av lysstrøm er imidlertid mer kompleks enn det kan virke, fordi det menneskelige øyet ikke oppfatter alle lysbølgelengder likt. Vi er mest følsomme for grønn-gult lys rundt 555 nm og mye mindre følsomme for dyp rødt eller blått lys. Luminøs fluks er derfor en vektet måling. Den beregnes ved å ta den faktiske strålingskraften (den fysiske energien) til lyskilden ved hver bølgelengde og multiplisere den med en faktor som representerer øyets følsomhet for den bølgelengden. Denne faktoren er kjent som den relative spektrale lyseffektiviteten, betegnet som V(λ). Den formelle formelen for lysstrøm (Φ) er: Φ = Km ∫ Φ(λ) · V(λ) dλ, hvor Φ(λ) er den spektrale strålingsfluksen, V(λ) er den relative spektrale lyseffektiviteten, og Km er en konstant (683 lm/W) som representerer maksimal mulig lyseffektivitet ved toppfølsomhetsbølgelengden på 555 nm. I bunn og grunn omdanner denne formelen matematisk rå fysisk kraft til en måling av oppfattet lysstyrke av det menneskelige synssystemet.

Hva er lysintensitet, og hvordan skiller den seg fra fluks?

Selv om lysstrømmen forteller oss den totale lysutgangen, forteller den oss ikke hvordan lyset er fordelt. Et 1000-lumen lys kan være en bar pære som spruter lys overalt, eller det kan være en tett fokusert spotlight. Lysintensitet er metrikken som beskriver konsentrasjonen av lys i en bestemt retning. Det defineres som mengden lysfluks som sendes ut av en kilde per enhet solid vinkel i en gitt retning. En solid vinkel er en tredimensjonal vinkel, målt i steradier (sr), som beskriver "kjegle" av lys som sprer seg ut fra et punkt. Tenk deg en lommelykt: dens lysstrøm kan være totalt 300 lumen, men dens lysstyrke langs den sentrale strålen er veldig høy fordi disse 300 lumenene er konsentrert i en smal kjegle. Enheten for lysstyrke er candela (cd). En candela defineres som én lumen per steradian (1 cd = 1 lm/sr). Forholdet mellom fluks og intensitet er geometrisk. Hvis du har en lyskilde som sender ut sin fluks jevnt i alle retninger (en isotrop kilde), kan du beregne intensiteten ved å dele den totale fluksen på den totale faste vinkelen til en kule, som er 4π steradianer. For eksempel vil en isotrop kilde med 1000 lumen ha en intensitet på 1000 lm / 4π sr ≈ 79,6 cd i alle retninger. I virkeligheten er de fleste LED-kilder ikke isotrope. Intensiteten varierer med retningen. Summen av intensiteten i alle retninger, integrert over hele kulen, bringer deg tilbake til den totale lysstrømmen. Lysintensitet er nøkkelmålet for å forstå og designe strålevinkler, reflektorer og linser.

Hva er lysstyrke (luminans) og hvordan måles den?

Lysstyrke, teknisk sett, kalles luminans. Selv om den ofte brukes løst i samtaler, har luminans en presis vitenskapelig definisjon. Det er målet på mengden lys som sendes ut, transmitteres eller reflekteres fra en overflate i en gitt retning. Med andre ord kvantifiserer den hvor «lys» en overflate fremstår for en observatør som ser på den fra en bestemt vinkel. Dette er en viktig forskjell fra illuminans, som måler lyset som faller på en overflate. Luminans måler lyset som forlater den overflaten (eller en lyskilde selv) og beveger seg mot øyet. Luminansenheten er candela per kvadratmeter (cd/m²), ofte også kalt en «nit». Den formelle definisjonen involverer lysstyrken (I) som sendes ut av et overflateelement (dS) i en gitt retning, delt på arealet av det overflateelementet projisert på et plan vinkelrett på den retningen. Formelen er L = dI / (dS · cos θ), hvor θ er vinkelen mellom synsretningen og normalen (vinkelrett) på overflaten. For en flat lysutsendende flate, som en LED-brikke eller et opplyst skilt, sett rett på (θ=0°), forenkles formelen til L = I / dS. Luminans er det øynene våre faktisk oppfatter. Et hvitt papirark under sterkt lys har høy luminans; Det samme papiret i et mørkt rom har lav luminans. I LED-applikasjoner er luminans avgjørende for å vurdere gjenskinn (en kilde med svært høy luminans i synsfeltet) og for å designe skjermer og indikatorer. Ved brikktesting og evaluering av sikkerheten til LED-stråling brukes ofte bildebehandlingsmetoder, hvor et kamerasystem måler luminansen over brikkens overflate for å identifisere hotspots og sikre jevn ytelse.

Hva er belysning, og hvordan beregnes den?

Belysning er kanskje det mest praktiske og ofte refererte målet i lysdesign. Den måler mengden lysstrøm som faller på et gitt overflateareal. Enkelt sagt forteller den deg hvor mye lys som lander på pulten din, på gulvet i et lager, eller på en fotballbane. Det er «sluttresultatet» av belysningssystemet sett fra perspektivet til det opplyste objektet eller oppgaven. Enheten for illuminans er lux (lx). Én lux defineres som én lumen per kvadratmeter (1 lx = 1 lm/m²). Formelen for illuminans (E) er E = dΦ / dS, hvor dΦ er lysstrømmen som treffer et lite overflateelement med areal dS. Belysning avhenger av flere faktorer: intensiteten til lyskilden, avstanden fra kilden til overflaten, og vinkelen lyset treffer overflaten med. Den følger den inverse kvadratloven, som betyr at hvis du dobler avstanden fra lyskilden, reduseres belysningen til en fjerdedel av dens opprinnelige verdi. Den påvirkes også av cosinus til innfallsvinkelen; lys som treffer en overflate i en vinkel på 45 grader gir mindre belysning enn lys som treffer den rett på vinkel. For eksempel kan en leselampe gi 500 lux på en bok, mens et godt opplyst kontor kan ha 300-500 lux på pulter. Et sikkerhetsflomlys kan måtte levere 50 lux på bakken, mens et profesjonelt fotballstadion krever 1500–2000 lux for sending. Belysning er nøkkelmålet som brukes i belysningsstandarder og forskrifter for å sikre tilstrekkelig lys for sikkerhet og oppgaveutførelse. Den måles i praksis med en lysmåler, som har en cosinus-korrigert sensor for nøyaktig å fange lyset som faller på et fly.

Hvordan henger disse fire målingene sammen?

Å forstå sammenhengene mellom lysstrøm, lysstyrkeintensitet, belysning og luminans er nøkkelen til å mestre lysdesign. De er ikke uavhengige konsepter, men forskjellige perspektiver på det samme fenomenet lys. Luminøs fluks (lumen) er det totale utgangspunktet—det totale lyset som sendes ut av kilden. Denne fluksen fordeles deretter i rommet. Fordelingen beskrives av lysstyrke (candela) i alle retninger. Et polarintensitetsdiagram er en grafisk måte å vise denne fordelingen på. Når dette distribuerte lyset beveger seg gjennom rommet og til slutt lander på en overflate, måler vi resultatet som belysning (lux) på den overflaten. En lysmåler plassert på et skrivebord måler belysning. Til slutt, når den opplyste overflaten reflekterer noe av lyset mot observatørens øye, er den oppfattede "lysstyrken" til overflaten dens luminans (cd/m²). Et kameras lysmåler måler også en form for luminans. Et enkelt eksempel binder det hele sammen: Et LED-flomlys (flux) med 5000 lumen kan ha en toppintensitet på 10 000 candela i sin sentrale stråle. Hvis den strålen rettes mot en vegg 10 meter unna, kan belysningen i midten av strålen på veggen være 100 lux. Hvis den veggen er malt hvit og har høy reflektivitet, kan luminansen være 30 cd/m², noe som virker lyst for en observatør. Hvis veggen er malt svart, kan luminansen bare være 3 cd/m², noe som ser mørkt ut, selv om belysningen på veggen er den samme på 100 lux. Disse fire metrikkene fungerer i en kjede, fra kilden (fluks, intensitet) til effekten på overflater (illuminans, luminans), og gir et komplett språk for å beskrive og konstruere lys.

Ofte stilte spørsmål om LED-lysstyrkeberegninger

Hva er forskjellen mellom lumen og lux?

Dette er et vanlig forvirringspunkt. Lumens (lm) måler den totale mengden lys som sendes ut av en kilde. Lux (lx) måler mengden av det lyset som lander på en overflate. Tenk på det som regn: lumens er den totale mengden regn som faller fra en sky, mens lux er hvor dyp dammen er på innkjørselen din. En 1000-lumen lommelykt vil gi en mye høyere lux-avlesning på en nærliggende vegg enn en 1000-lumen taklampe, fordi lommelyktens lys er konsentrert i et mindre område.

Hvordan beregner jeg belysningen fra et LED-lys på en viss avstand?

For en punktkilde kan et grovt estimat gjøres ved bruk av invers kvadrat-loven. Du trenger lysintensiteten (i candela) i retning av overflaten. Illuminansen (E) er omtrent intensiteten (I) delt på avstanden (d) i kvadrat: E = I / d². Men for ekte LED-armaturer med spesifikke strålevinkler er det mer komplekst. Den mest nøyaktige metoden er å bruke lysdesignprogramvare som bruker fotometriske datafiler for å beregne belysning over et område, med hensyn til stråleform og flere armaturer.

Hvilken av de fire målingene er viktigst for å kjøpe en skrivebordslampe?

For en skrivebordslampe er belysning det mest praktiske målet. Du vil vite hvor mye lys (i lux) som vil lande på arbeidsflaten din. Men siden produsenter ikke alltid oppgir belysningsdata for spesifikke avstander, er den totale luminøsfluksen (lumen) et godt utgangspunkt. En lampe med 400-800 lumen er vanligvis tilstrekkelig for et skrivebord. Du bør også vurdere strålevinkelen for å sikre at den konsentrerer lyset på arbeidet ditt uten å forårsake blending (for mye luminans) i øynene.