Понимание четырёх столпов измерения яркости светодиодов
Когда мы говорим о том, насколько «ярким» является светодиодный свет, мы часто используем неформальный термин, который может означать разные вещи в разных контекстах. Это связано с общим количеством света, исходящего из лампочки? Это интенсивность луча, сфокусированного на определённой точке? Или это уровень освещения на вашем столе или на футбольном поле? Для световых дизайнеров, инженеров и спецификаторов эти различия не являются случайными; Они фундаментальны. Для точного описания, сравнения и применения светодиодного освещения мы опираемся на четыре различные, но взаимосвязанные фотометрические величины: световой поток, яркость (яркость) и освещённость. Каждая из этих метрик даёт отдельный элемент головоломки, отвечая на разный вопрос о работе фонаря. Светящийся поток показывает нам общий выход, светящая интенсивность — направленную мощность, освещение — что попадает на поверхность, а яркость — как выглядит поверхность. Освоение этих четырёх концепций крайне важно для всех, кто занимается проектированием систем освещения — от простой настольной лампы до сложной установки стадиона. В этом руководстве развеят мифы каждого из этих четырёх методов расчёта яркости светодиодов, предоставив чёткие определения, формулы, единицы и практические примеры их применения.
Что такое световой поток и как он рассчитывается?
Световой поток — это базовая метрика светового выпуска. Он количественно определяет общее количество видимого света, излучаемого источником за единицу времени. Представьте это как полный «поток» света от лампы, независимо от направления её движения. Это мера всей световой мощности, что делает её самым прямым индикатором общей мощности источника света. Единицей светового потока является люмен (lm). Когда вы покупаете светодиодную лампочку и видите её с надписью «800 люмен», это и есть светящийся поток — общее количество света, которое лампочка излучает во всех направлениях. Однако расчёт светового потока сложнее, чем кажется, потому что человеческий глаз не воспринимает все длины волн света одинаково. Мы наиболее чувствительны к зелёно-жёлтому свету примерно на расстоянии 555 нм и гораздо менее чувствительны к глубокому красному или синему свету. Таким образом, световой поток является взвешенным измерением. Он рассчитывается путём умножения фактической излучающей мощности (физической энергии) источника света на каждой длине волны на множитель, отражающий чувствительность глаза к этой длине волны. Этот коэффициент называется относительной спектральной световой эффективностью, обозначаемой как V(λ). Формальная формула светового потока (Φ) выглядит так: Φ = км ∫ Φ(λ) · V(λ) dλ, где Φ(λ) — спектральный поток излучения, V(λ) — относительная спектральная световая эффективность, а Km — константа (683 лм/Вт), представляющая максимальную возможную световую эффективность при максимальной длине волны чувствительности 555 нм. По сути, эта формула математически преобразует сырую физическую мощь в измерение воспринимаемой яркости человеческой зрительной системой.
Что такое интенсивность света и чем она отличается от флюса?
Хотя световой поток показывает нам общий световой поток, он не показывает, как этот свет распределяется. Лампа на 1000 люмен может быть голой лампочкой, распыляющей свет повсюду, или плотно сфокусированным прожектором. Интенсивность света — это метрика, описывающая концентрацию света в определённом направлении. Он определяется как количество светового потока, излучаемого источником на единицу твёрдого угла в заданном направлении. Твердый угол — это трёхмерный угол, измеряемый в стерадианах (sr), который описывает «конус» света, распространяющийся из точки. Представьте себе фонарик: его светящийся поток может составлять 300 люмен, но интенсивность света вдоль центрального луча очень высока, потому что эти 300 люмен сосредоточены в узком конусе. Единицей световой интенсивности является кандела (cd). Одна кандела определяется как один люмен на стерадиан (1 cd = 1 lm/sr). Связь между потоком и интенсивностью геометрическая. Если у вас есть источник света, который равномерно излучает свой поток во всех направлениях (изотропный источник), вы можете вычислить его интенсивность, деля общий поток на общий твёрдый угол сферы, который равен 4π стерадианам. Например, изотропный источник с 1000 люменами будет иметь интенсивность 1000 лм / 4π sr ≈ 79,6 cd в любом направлении. На самом деле большинство светодиодных источников не изотропны. Интенсивность зависит от направления. Сумма интенсивности во всех направлениях, интегрированная по всей сфере, возвращает вас к общему световому потоку. Интенсивность света — ключевой показатель для понимания и проектирования углов луча, отражателей и линз.
Что такое яркость (яркость) и как она измеряется?
Яркость, в техническом смысле, называется яркостью. Хотя часто используется в разговоре, люминанс имеет точное научное определение. Это мера количества света, излучаемого, пропускаемого или отражаемого от поверхности в заданном направлении. Другими словами, он количественно определяет, насколько «яркой» кажется поверхность наблюдателю, смотрящему на неё под определённым углом. Это важное отличие от освещения, которая измеряет свет, падающий на поверхность. Яркость измеряет свет, покидающий эту поверхность (или сам источник света) и направляющийся к глазу. Единица яркости — кандела на квадратный метр (cd/m²), часто также называемая «нитом». Формальное определение включает световую интенсивность (I), излучаемую элементом поверхности (dS) в заданном направлении, делённую на площадь этого поверхностного элемента, проецируемую на плоскость, перпендикулярную этому направлению. Формула — L = dI / (dS · cos θ), где θ — угол между направлением обзора и нормалью (перпендикулярной) поверхности. Для плоской светоизлучающей поверхности, такой как светодиодный чип или светящийся знак, если смотреть прямо на (θ=0°), формула упрощается до L = I / dS. Яркость — это то, что наши глаза действительно воспринимают. Белый лист бумаги под ярким светом имеет высокую яркость; Та же бумага в тёмной комнате имеет низкую яркость. В светодиодных приложениях яркость имеет решающее значение для оценки бликов (источник очень высокой яркости в поле зрения) и для проектирования дисплеев и индикаторов. При тестировании микросхем и оценке безопасности светодиодного излучения часто применяются методы визуализации, при которых камера измеряет яркость поверхности чипа для выявления горячих точек и обеспечения равномерной работы.
Что такое освещённость и как она рассчитывается?
Освещённость, пожалуй, самая практичная и часто используемая метрика в проектировании освещения. Он измеряет количество светового потока, падающего на определённую поверхность. Проще говоря, он показывает, сколько света падает на ваш стол, на пол склада или на футбольное поле. Это «конечный результат» системы освещения с точки зрения освещённого объекта или задачи. Единица освещения — люкс (lx). Один люкс определяется как один люмен на квадратный метр (1 lx = 1 lm/m²). Формула для освещения (E) — E = dΦ / dS, где dΦ — это световой поток, падающий на небольшой поверхностный элемент площади dS. Освещение зависит от нескольких факторов: интенсивности источника света, расстояния от источника до поверхности и угла, под которым свет попадает на поверхность. Он следует закону обратного квадрата, то есть если удвоить расстояние от источника света, освещённость уменьшается до четверти исходного значения. На него также влияет косинус угла падения; свет, попадающий на поверхность под углом 45 градусов, даёт меньшую освещённость, чем свет, падающий прямо перпендикулярно. Например, светильник для чтения может давать 500 люксов на книгу, а хорошо освещённый офис — 300-500 люксов на столах. Прожектор безопасности может обеспечивать 50 люксов на стадионе, тогда как для профессионального футбольного стадиона требуется 1500–2000 люксов для трансляции. Освещённость — это ключевой показатель, используемый в стандартах и нормативах освещения для обеспечения достаточного освещения для обеспечения безопасности и выполнения задач. На практике это измеряется с помощью экспонометра, который оснащён косинус-корректированным датчиком для точного фиксирования света, падающего на плоскость.
Как эти четыре измерения связаны друг с другом?
Понимание взаимосвязи между световым потоком, интенсивностью света, осветленностью и яркостью — ключ к овладению дизайном света. Это не независимые понятия, а разные взгляды на одно и то же явление света. Световой поток (люмены) — это общая начальная точка — общий свет, излучаемый источником. Этот поток затем распределяется в пространстве. Распределение описывается световой интенсивностью (канделами) во всех направлениях. Диаграмма полярной интенсивности — это графический способ показать это распределение. Когда этот распределённый свет проходит через пространство и в конце концов попадает на поверхность, мы измеряем результат в виде освещённости (люкс) на этой поверхности. Светометр, установленный на столе, измеряет яркость. Наконец, когда эта освещённая поверхность отражает часть этого света к глазу наблюдателя, воспринимаемая «яркость» поверхности — это её яркость (cd/m²). Экспонометр камеры также измеряет определённую яркость. Простой пример связывает всё это: светодиодный прожектор (флюс) на 5000 люменов может иметь максимальную интенсивность в центральном луче 10 000 кандел. Если этот пучок направлен на стену в 10 метрах, то освещение в центре этого луча может составлять 100 люкс. Если эта стена окрашена в белый цвет и обладает высокой отражательной способностью, её яркость может составлять 30 кд/м², что для наблюдателя кажется яркой. Если стена покрашена в чёрный цвет, яркость может быть всего 3 CD/m², что выглядит тёмно, хотя освещение на стене такое же 100 люкс. Эти четыре метрики работают цепочкой — от источника (поток, интенсивность) до влияния на поверхности (яркость, яркость), обеспечивая полноценный язык для описания и инженерии света.
Часто задаваемые вопросы о расчёте яркости светодиодов
В чём разница между люменами и люксом?
Это часто вызывает путаницу. Люмены (lm) измеряют общее количество света, излучаемого источником. Lux (lx) измеряет количество света, попадающего на поверхность. Думайте об этом как о дожде: люмены — это общее количество дождя, падающего из облака, а люкс — это глубина лужи на вашей подъездной дорожке. Фонарик на 1000 люмен даст гораздо более высокий люкс на ближайшей стене, чем потолочный фонарь на 1000 люмен, потому что свет фонарика сосредоточен на меньшей площади.
Как рассчитать светимость светодиода на определённом расстоянии?
Для точечного источника можно сделать приблизительную оценку с помощью закона обратного квадрата. Вам нужна светящаяся интенсивность (в канделе) в направлении поверхности. Освещённость (E) примерно равна интенсивности (I), делённой на расстояние (d) в квадрате: E = I / d². Однако для настоящих светодиодных светильников с определёнными углами луча всё сложнее. Самый точный метод — использовать программное обеспечение для проектирования освещения, использующее фотометрические файлы данных для расчёта освещённости по площади, учитывая форму луча и несколько светильников.
Какой из четырёх показателей наиболее важен при покупке настольной лампы?
Для настольной лампы наиболее практичным показателем является освещение. Вам нужно знать, сколько света (в люкс) попадёт на вашу рабочую поверхность. Однако, поскольку производители не всегда предоставляют данные о освещении для определённых расстояний, общий световой поток (люмены) — хорошая отправная точка. Обычно для стола достаточно лампы с 400-800 люменами. Также стоит учитывать угол наклона луча, чтобы он концентрировал свет на вашей работе, не вызывая бликов (чрезмерной яркости) в глазах.
