Розуміння чотирьох стовпів вимірювання яскравості світлодіодів

Коли ми говоримо про те, наскільки «яскравим» є світлодіодне світло, ми часто використовуємо неформальний термін, який може означати різні речі в різних контекстах. Чи це загальна кількість світла, що виходить з лампочки? Чи це інтенсивність променя, сфокусованого на певній точці? Чи це рівень освітлення на вашому столі чи на футбольному полі? Для світлових дизайнерів, інженерів і спеціалістів ці відмінності не є випадковими; вони є фундаментальними. Для точного опису, порівняння та застосування світлодіодного освітлення ми використовуємо чотири різні, але взаємопов'язані фотометричні величини: світловий потік, яскравість яскравості, яскравість (яскравість) та освітність. Кожен із цих показників дає окрему частину пазлу, відповідаючи на інше питання про ефективність світла. Світловий потік показує нам загальний вихід, яскрава інтенсивність — напрямну потужність, освітлення — що падає на поверхню, а яскравість — як виглядає поверхня. Опанування цих чотирьох концепцій є необхідним для всіх, хто займається проєктуванням систем освітлення — від простої настільної лампи до складної інсталяції стадіону. Цей посібник розвіє містики кожного з цих чотирьох методів розрахунку яскравості світлодіодів, надаючи чіткі визначення, формули, одиниці та практичні приклади їх застосування.

Що таке світловий потік і як він розраховується?

Світловий потік є основною метрикою світлової віддачі. Вона кількісно визначає загальну кількість видимого світла, що випромінюється джерелом за одиницю часу. Уявіть це як повний «потік» світла від лампи, незалежно від напрямку, в якому вона рухається. Вона є мірою загальної світлової потужності, що робить її найпрямішим індикатором загальної потужності джерела світла для виробництва світла. Одиницею світлового потоку є люмен (lm). Коли ви купуєте світлодіодну лампу і бачите, що вона позначена як «800 люмен», це і є світловий потік — загальна кількість світла, яку лампочка випромінює у всіх напрямках. Однак розрахунок світлового потоку складніший, ніж здається, оскільки людське око не сприймає всі довжини хвиль світла однаково. Ми найбільш чутливі до зелено-жовтого світла на відстані близько 555 нм і значно менш чутливі до глибокого червоного або синього. Світловий потік, отже, є зваженим виміром. Він розраховується шляхом множення фактичної випромінюваної потужності (фізичної енергії) джерела світла на кожній довжині хвилі на коефіцієнт, що відображає чутливість ока до цієї довжини хвилі. Цей коефіцієнт відомий як відносна спектральна світлова ефективність, позначається як V(λ). Формальна формула світлового потоку (Φ) має вигляд: Φ = км ∫ φ(λ) · V(λ) dλ, де Φ(λ) — спектральний потік випромінювання, V(λ) — відносна спектральна світлова ефективність, а Km — константа (683 лм/Вт), що представляє максимальну можливу світлову ефективність при піковій довжині хвилі чутливості 555 нм. По суті, ця формула математично перетворює сиру фізичну силу на вимірювання сприйнятої яскравості людською зоровою системою.

Що таке яскрава інтенсивність і чим вона відрізняється від потоку?

Хоча світловий потік показує нам загальний вихід світла, він не показує, як це світло розподіляється. Лампа на 1000 люменів може бути голою лампочкою, що розпилює світло всюди, або чітко сфокусованим прожектором. Яскрава інтенсивність — це метрика, яка описує концентрацію світла в певному напрямку. Вона визначається як кількість світлового потоку, що випромінюється джерелом на одиницю суцільного кута в заданому напрямку. Суцільний кут — це тривимірний кут, виміряний у стерадіанах (sr), який описує «конус» світла, що поширюється з точки. Уявіть ліхтарик: його світний потік може становити 300 люмен, але інтенсивність світла вздовж центрального променя дуже висока, оскільки ці 300 люмен концентруються у вузькому конусі. Одиницею яскравої інтенсивності є кандела (cd). Одна кандела визначається як один люмен на стерадіан (1 cd = 1 lm/sr). Взаємозв'язок між потоком і інтенсивністю є геометричним. Якщо у вас є джерело світла, яке випромінює свій потік рівномірно у всіх напрямках (ізотропне джерело), ви можете обчислити його інтенсивність, поділивши загальний потік на загальний твердий кут сфери, який дорівнює 4π стерадіан. Наприклад, ізотропне джерело з 1000 люменами матиме інтенсивність 1000 lm / 4π sr ≈ 79,6 cd у будь-якому напрямку. Насправді більшість світлодіодних джерел не є ізотропними. Інтенсивність залежить від напрямку. Сума інтенсивності у всіх напрямках, інтегрована по всій сфері, повертає вас до загального світлового потоку. Інтенсивність світла є ключовим показником для розуміння та проєктування кутів променя, відбивачів і лінз.

Що таке яскравість (яскравість) і як її вимірюють?

Яскравість, у технічному сенсі, називається яскравістю. Хоча люмінанс часто використовується вільно в розмовах, він має чітке наукове визначення. Це міра кількості світла, що випромінюється, передається або відбивається від поверхні в певному напрямку. Іншими словами, вона кількісно оцінює, наскільки «яскравою» здається поверхня для спостерігача, який дивиться на неї під певним кутом. Це критична відмінність від освітливості, яка вимірює світло, що падає на поверхню. Яскравість вимірює світло, що виходить із цієї поверхні (або з самого джерела світла) і рухається до ока. Одиницею яскравості є кандела на квадратний метр (cd/m²), яку часто також називають «нітом». Формальне визначення включає яскраву інтенсивність (I), яку випромінює поверхневий елемент (dS) у заданому напрямку, поділену на площу цього поверхневого елемента, проєктовану на площину, перпендикулярну цьому напрямку. Формула має вигляд L = dI / (dS · cos θ), де θ — кут між напрямком спостереження та нормальною (перпендикулярною) поверхні. Для плоскої поверхні, що випромінює світло, такої як світлодіодний чіп або освітлений знак, якщо дивитися прямо на (θ=0°), формула спрощується до L = I / dS. Яскравість — це те, що наші очі насправді сприймають. Білий аркуш паперу під яскравим світлом має високу яскравість; Той самий папір у темній кімнаті має низьку яскравість. У застосуваннях світлодіодів яскравість є ключовою для оцінки відблисків (джерела дуже високої яскравості в полі зору) та для проєктування дисплеїв і індикаторів. Під час тестування чипів і оцінки безпеки світлодіодного випромінювання часто використовують методи візуалізації, коли камера вимірює яскравість поверхнею чіпа для виявлення гарячих точок і забезпечення рівномірної роботи.

Що таке освітлення і як її розраховують?

Освітлення, мабуть, є найпрактичнішим і найпоширенішим показником у дизайні освітлення. Він вимірює кількість світлового потоку, що падає на задану площу поверхні. Простими словами, він показує, скільки світла падає на ваш стіл, на підлогу складу або на футбольне поле. Це «кінцевий результат» системи освітлення з точки зору освітленого об'єкта або завдання. Одиницею освітлення є люкс (lx). Один люкс визначається як один люмен на квадратний метр (1 lx = 1 lm/m²). Формула яскравості (E) має значення E = dΦ / dS, де dΦ — це потік світла, що падає на малий поверхневий елемент площі dS. Освітлення залежить від кількох факторів: інтенсивності джерела світла, відстані від джерела до поверхні та кута, під яким світло падає на поверхню. Він відповідає закону оберненого квадрата, тобто якщо подвоїти відстань від джерела світла, освітність зменшується до чверті початкового значення. На нього також впливає косинус кута падіння; світло, що потрапляє на поверхню під кутом 45 градусів, дає менше освітлення, ніж світло, що потрапляє на неї прямо перпендикулярно. Наприклад, лампа для читання може дати 500 люксів на книгу, а добре освітлений офіс — 300-500 люксів на столах. Захисний прожектор може мати 50 люксів на полі, тоді як професійний футбольний стадіон потребує 1500-2000 люксів для трансляції. Освітлення є ключовим показником, який використовується у стандартах і регулюваннях освітлення для забезпечення достатнього освітлення з точки зору безпеки та виконання завдань. На практиці його вимірюють за допомогою світлометра, який має косинусально-коригований сенсор для точного фіксування світла, що падає на площину.

Як ці чотири вимірювання пов'язані між собою?

Розуміння взаємозв'язку між світловим потоком, інтенсивністю світла, освітленістю та яскравістю є ключем до досконалості дизайну освітлення. Вони не є незалежними поняттями, а різними поглядами на одне й те саме явище світла. Світловий потік (люмен) — це загальна початкова точка — загальне світло, що випромінюється джерелом. Цей потік потім розподіляється у просторі. Розподіл описується яскравою інтенсивністю (кандели) у всіх напрямках. Діаграма полярної інтенсивності — це графічний спосіб показати цей розподіл. Коли це розподілене світло проходить через простір і нарешті потрапляє на поверхню, ми вимірюємо результат як освітленість (люкс) на цій поверхні. Світломір, розміщений на столі, вимірює освітленість. Нарешті, коли ця освітлена поверхня відбиває частину цього світла до ока спостерігача, сприймана «яскравість» поверхні — це її яскравість (cd/m²). Світломір камери також вимірює певну яскравість. Простий приклад пов'язує все це: світлодіодний прожектор (флюс) на 5000 люменів може мати максимальну інтенсивність 10 000 кандел у центральному промені. Якщо цей промінь спрямований на стіну за 10 метрів, освітлення в центрі цього променя на стіні може становити 100 люксів. Якщо ця стіна пофарбована в білий колір і має високу відбивну здатність, її яскравість може становити 30 cd/m², що здається яскравою для спостерігача. Якщо стіна пофарбована в чорний, її яскравість може бути лише 3 кд/м², що виглядає темно, хоча освітлення на стіні таке ж 100 люксів. Ці чотири метрики працюють ланцюгом — від джерела (потік, інтенсивність) до впливу на поверхні (освітність, яскравість), забезпечуючи повну мову для опису та інженерії світла.

Поширені запитання щодо розрахунку яскравості світлодіодів

У чому різниця між люменами та люксом?

Це поширена причина плутанини. Люмени (lm) вимірюють загальну кількість світла, що випромінюється джерелом. Lux (lx) вимірює кількість світла, що падає на поверхню. Уявіть це як дощ: люмени — це загальна кількість дощу, що падає з хмари, а люкс — це глибина калюжі на вашій під'їзній доріжці. Ліхтарик на 1000 люменів дає значно вищий показник люксу на сусідній стіні, ніж стельовий ліхтар на 1000 люменів, оскільки світло ліхтарика зосереджене на меншій площі.

Як розрахувати яскравість світлодіодного світла на певній відстані?

Для точкового джерела можна зробити приблизну оцінку за законом обернених квадратів. Вам потрібна яскрава інтенсивність (у канделе) у напрямку поверхні. Яскравість (E) приблизно дорівнює інтенсивності (I) на квадрат відстані (d): E = I / d². Однак для справжніх світлодіодних світильників із певними кутами світла це складніше. Найточнішим методом є використання програмного забезпечення для проєктування освітлення, яке використовує фотометричні файли даних для розрахунку яскравості по площі, враховуючи форму променя та кілька світильників.

Який із чотирьох показників є найважливішим для купівлі настільної лампи?

Для настільної лампи найпрактичнішим показником є освітлення. Вам потрібно знати, скільки світла (у люкс) потрапить на вашу робочу поверхню. Однак, оскільки виробники не завжди надають дані про освітлення для певних відстаней, загальний світловий потік (люмени) є хорошою відправною точкою. Лампа з об'ємом 400-800 люмен зазвичай достатня для столу. Також слід враховувати кут світла, щоб світло концентрувалося на роботі, не викликаючи надмірної яскравості (відблиску) в очах.