Hiểu bốn trụ cột của phép đo độ sáng LED

Khi chúng ta nói về độ "sáng" của đèn LED, chúng ta thường sử dụng một thuật ngữ thông thường có thể có nghĩa là những điều khác nhau trong các ngữ cảnh khác nhau. Đó có phải là tổng lượng ánh sáng tỏa ra từ bóng đèn? Đó có phải là cường độ của chùm tia tập trung vào một điểm cụ thể? Hay đó là mức độ chiếu sáng trên bàn làm việc của bạn hoặc trên sân bóng đá? Đối với các nhà thiết kế ánh sáng, kỹ sư và người chỉ định, những sự khác biệt này không phải là ngẫu nhiên; chúng là cơ bản. Để mô tả, so sánh và áp dụng ánh sáng LED một cách chính xác, chúng tôi dựa vào bốn đại lượng trắc quang riêng biệt nhưng có liên quan với nhau: quang thông, cường độ sáng, độ sáng (độ chói) và độ rọi. Mỗi số liệu này cung cấp một mảnh ghép khác nhau, trả lời một câu hỏi khác nhau về hiệu suất của ánh sáng. Quang thông cho chúng ta biết tổng công suất, cường độ sáng cho chúng ta biết công suất định hướng, độ rọi cho chúng ta biết những gì rơi trên bề mặt và độ sáng cho chúng ta biết bề mặt xuất hiện như thế nào. Nắm vững bốn khái niệm này là điều cần thiết cho bất kỳ ai tham gia thiết kế hệ thống chiếu sáng, từ đèn bàn đơn giản đến lắp đặt sân vận động phức tạp. Hướng dẫn này sẽ làm sáng tỏ từng phương pháp tính toán độ sáng LED trong số bốn phương pháp tính toán độ sáng LED, cung cấp các định nghĩa, công thức, đơn vị và ví dụ thực tế rõ ràng về ứng dụng của chúng.

Quang thông là gì và nó được tính như thế nào?

Thông lượng phát sáng là số liệu cơ bản của công suất ánh sáng. Nó định lượng tổng lượng ánh sáng nhìn thấy được phát ra bởi một nguồn trên một đơn vị thời gian. Hãy coi nó là tổng "chảy" ánh sáng từ một ngọn đèn, bất kể nó di chuyển theo hướng nào. Nó là thước đo của toàn bộ công suất ánh sáng, làm cho nó trở thành chỉ số trực tiếp nhất về công suất tổng thể của nguồn sáng để tạo ra ánh sáng. Đơn vị của quang thông là lumen (lm). Khi bạn mua một bóng đèn LED và thấy nó được dán nhãn là "800 lumen", đây là quang thông — tổng lượng ánh sáng mà bóng đèn phát ra theo mọi hướng. Tuy nhiên, việc tính toán quang thông phức tạp hơn bạn tưởng, bởi vì mắt người không cảm nhận tất cả các bước sóng của ánh sáng như nhau. Chúng ta nhạy cảm nhất với ánh sáng xanh-vàng khoảng 555 nm và ít nhạy cảm hơn nhiều với ánh sáng đỏ đậm hoặc xanh lam. Do đó, quang thông là một phép đo có trọng số. Nó được tính bằng cách lấy công suất bức xạ thực tế (năng lượng vật lý) của nguồn sáng ở mỗi bước sóng và nhân nó với một hệ số đại diện cho độ nhạy của mắt đối với bước sóng đó. Hệ số này được gọi là hiệu suất phát sáng quang phổ tương đối, được ký hiệu là V (λ). Công thức chính thức cho quang thông (Φ) là: Φ = Km ∫ Φ (λ) · V (λ) dλ, trong đó Φ (λ) là thông lượng bức xạ quang phổ, V (λ) là hiệu suất phát sáng quang phổ tương đối và Km là hằng số (683 lm / W) đại diện cho hiệu suất phát sáng tối đa có thể ở bước sóng độ nhạy cực đại là 555 nm. Về bản chất, công thức này về mặt toán học biến đổi sức mạnh vật lý thô thành phép đo độ sáng cảm nhận của hệ thống thị giác của con người.

Cường độ sáng là gì và nó khác với thông lượng như thế nào?

Mặc dù quang thông cho chúng ta biết tổng công suất ánh sáng, nhưng nó không cho chúng ta biết ánh sáng đó được phân phối như thế nào. Ánh sáng 1000 lumen có thể là một bóng đèn trần phun ánh sáng khắp mọi nơi, hoặc nó có thể là một đèn sân khấu tập trung chặt chẽ. Cường độ sáng là số liệu mô tả nồng độ ánh sáng theo một hướng cụ thể. Nó được định nghĩa là lượng quang thông phát ra từ một nguồn trên một đơn vị góc rắn theo một hướng nhất định. Góc liền là một góc ba chiều, được đo bằng steradians (sr), mô tả "hình nón" của ánh sáng lan tỏa ra từ một điểm. Hãy tưởng tượng một chiếc đèn pin: quang thông của nó có thể là tổng cộng 300 lumen, nhưng cường độ sáng của nó dọc theo chùm tia trung tâm rất cao vì 300 lumen đó tập trung thành một hình nón hẹp. Đơn vị của cường độ sáng là candela (cd). Một candela được định nghĩa là một lumen trên mỗi steradian (1 cd = 1 lm / sr). Mối quan hệ giữa thông lượng và cường độ là hình học. Nếu bạn có một nguồn sáng phát ra thông lượng đồng đều theo mọi hướng (nguồn đẳng hướng), bạn có thể tính toán cường độ của nó bằng cách chia tổng thông lượng cho tổng góc rắn của một hình cầu, là 4π steradian. Ví dụ, một nguồn đẳng hướng 1000 lumen sẽ có cường độ 1000 lm / 4π sr ≈ 79.6 cd theo bất kỳ hướng nào. Trên thực tế, hầu hết các nguồn LED không đẳng hướng. Cường độ thay đổi theo hướng. Tổng cường độ theo mọi hướng, được tích hợp trên toàn bộ hình cầu, đưa bạn trở lại tổng quang thông. Cường độ sáng là số liệu quan trọng để hiểu và thiết kế góc chùm tia, gương phản xạ và thấu kính.

Độ sáng (độ chói) là gì và nó được đo như thế nào?

Độ sáng, theo thuật ngữ kỹ thuật, được gọi là độ chói. Mặc dù thường được sử dụng lỏng lẻo trong cuộc trò chuyện, nhưng độ chói có một định nghĩa khoa học chính xác. Nó là thước đo lượng ánh sáng được phát ra, truyền hoặc phản xạ từ một bề mặt theo một hướng nhất định. Nói cách khác, nó định lượng mức độ "sáng" của một bề mặt đối với người quan sát nhìn nó từ một góc độ cụ thể. Đây là một sự khác biệt quan trọng với độ rọi, đo ánh sáng chiếu vào bề mặt. Độ chói đo ánh sáng rời khỏi bề mặt đó (hoặc chính nguồn sáng) và truyền về phía mắt. Đơn vị độ chói là candela trên mét vuông (cd / m²), thường còn được gọi là "nit". Định nghĩa chính thức liên quan đến cường độ sáng (I) phát ra bởi một phần tử bề mặt (dS) theo một hướng nhất định, chia cho diện tích của phần tử bề mặt đó khi chiếu lên một mặt phẳng vuông góc với hướng đó. Công thức là L = dI / (dS · cos θ), trong đó θ là góc giữa hướng nhìn và hướng bình thường (vuông góc) với bề mặt. Đối với bề mặt phát sáng phẳng, như chip LED hoặc biển báo sáng, nhìn thẳng vào (θ = 0 °), công thức đơn giản hóa thành L = I / dS. Độ chói là những gì mắt chúng ta thực sự cảm nhận. Một mảnh giấy trắng dưới ánh sáng chói có độ chói cao; cùng một loại giấy trong phòng tối có độ chói thấp. Trong các ứng dụng LED, độ chói rất quan trọng để đánh giá độ chói (nguồn sáng rất cao trong trường nhìn) và để thiết kế màn hình và chỉ báo. Trong thử nghiệm chip và đánh giá độ an toàn của bức xạ LED, các phương pháp hình ảnh thường được sử dụng, trong đó hệ thống camera đo độ chói trên bề mặt chip để xác định các điểm nóng và đảm bảo hiệu suất đồng đều.

Độ rọi là gì và nó được tính như thế nào?

Độ rọi có lẽ là số liệu thực tế và thường được tham khảo nhất trong thiết kế chiếu sáng. Nó đo lượng quang thông rơi vào một diện tích bề mặt nhất định. Nói một cách đơn giản, nó cho bạn biết có bao nhiêu ánh sáng đang chiếu vào bàn làm việc của bạn, trên sàn nhà kho hoặc trên sân bóng đá. Đó là "kết quả cuối cùng" của hệ thống chiếu sáng từ góc nhìn của đối tượng hoặc nhiệm vụ được chiếu sáng. Đơn vị độ rọi là lux (lx). Một lux được định nghĩa là một lumen trên mét vuông (1 lx = 1 lm / m²). Công thức tính độ rọi (E) là E = dΦ / dS, trong đó dΦ là quang thông tới trên một phần tử bề mặt nhỏ của diện tích dS. Độ rọi phụ thuộc vào một số yếu tố: cường độ của nguồn sáng, khoảng cách từ nguồn đến bề mặt và góc mà ánh sáng chiếu vào bề mặt. Nó tuân theo định luật bình phương nghịch đảo, có nghĩa là nếu bạn tăng gấp đôi khoảng cách từ nguồn sáng, độ rọi sẽ giảm xuống còn một phần tư giá trị ban đầu của nó. Nó cũng bị ảnh hưởng bởi cosin của góc tới; ánh sáng chiếu vào bề mặt ở góc 45 độ cung cấp độ rọi ít hơn so với ánh sáng chiếu trực tiếp vào nó vuông góc. Ví dụ: đèn đọc sách có thể cung cấp 500 lux trên một cuốn sách, trong khi một văn phòng đủ ánh sáng có thể có 300-500 lux trên bàn làm việc. Đèn pha an ninh có thể cần cung cấp 50 lux trên mặt đất, trong khi sân vận động bóng đá chuyên nghiệp yêu cầu 1500-2000 lux để phát sóng. Độ rọi là số liệu chính được sử dụng trong các tiêu chuẩn và quy định chiếu sáng để đảm bảo đủ ánh sáng cho sự an toàn và thực hiện nhiệm vụ. Nó được đo trong thực tế bằng cách sử dụng đồng hồ đo ánh sáng, có cảm biến hiệu chỉnh cosin để chụp chính xác ánh sáng rơi trên máy bay.

Bốn phép đo này liên quan đến nhau như thế nào?

Hiểu được mối quan hệ giữa quang thông, cường độ sáng, độ rọi và độ chói là chìa khóa để thành thạo thiết kế ánh sáng. Chúng không phải là những khái niệm độc lập mà là những quan điểm khác nhau về cùng một hiện tượng ánh sáng. Quang thông (lumen) là tổng điểm bắt đầu — tổng ánh sáng phát ra từ nguồn. Thông lượng này sau đó được phân phối trong không gian. Sự phân bố được mô tả bằng cường độ sáng (candela) theo mọi hướng. Sơ đồ cường độ cực là một cách đồ họa để hiển thị sự phân bố này. Khi ánh sáng phân tán này truyền qua không gian và cuối cùng hạ cánh trên một bề mặt, chúng ta đo kết quả dưới dạng độ rọi (lux) tại bề mặt đó. Một đồng hồ đo ánh sáng đặt trên bàn đo độ rọi. Cuối cùng, khi bề mặt được chiếu sáng đó phản chiếu một số ánh sáng đó về phía mắt người quan sát, "độ sáng" cảm nhận được của bề mặt là độ chói của nó (cd / m²). Máy đo ánh sáng của máy ảnh cũng đo một dạng độ chói. Một ví dụ đơn giản liên kết tất cả lại với nhau: Đèn pha LED 5000 lumen (thông lượng) có thể có cường độ cực đại là 10.000 candela trong chùm tia trung tâm của nó. Nếu chùm tia đó nhắm vào một bức tường cách đó 10 mét, độ rọi ở tâm của chùm tia đó trên tường có thể là 100 lux. Nếu bức tường đó được sơn màu trắng và có độ phản xạ cao, độ chói của nó có thể là 30 cd / m², có vẻ sáng đối với người quan sát. Nếu bức tường được sơn màu đen, độ chói của nó có thể chỉ là 3 cd / m², có vẻ tối, mặc dù độ rọi trên tường là 100 lux. Bốn số liệu này hoạt động theo một chuỗi, từ nguồn (thông lượng, cường độ) đến ảnh hưởng đến bề mặt (độ rọi, độ chói), cung cấp một ngôn ngữ hoàn chỉnh để mô tả và kỹ thuật ánh sáng.

Câu hỏi thường gặp về tính toán độ sáng LED

Sự khác biệt giữa lumen và lux là gì?

Đây là một điểm nhầm lẫn phổ biến. Lumens (lm) đo tổng lượng ánh sáng phát ra từ một nguồn. Lux (lx) đo lượng ánh sáng đó chiếu xuống bề mặt. Hãy nghĩ về nó giống như mưa: lumen là tổng lượng mưa rơi từ một đám mây, trong khi lux là độ sâu của vũng nước trên đường lái xe của bạn. Đèn pin 1000 lumen sẽ tạo ra chỉ số lux cao hơn nhiều trên bức tường gần đó so với đèn trần 1000 lumen, vì ánh sáng của đèn pin tập trung vào một khu vực nhỏ hơn.

Làm cách nào để tính toán độ rọi từ đèn LED ở một khoảng cách nhất định?

Đối với một nguồn điểm, một ước tính sơ bộ có thể được thực hiện bằng cách sử dụng định luật bình phương nghịch đảo. Bạn cần cường độ sáng (tính bằng candela) theo hướng của bề mặt. Độ rọi (E) xấp xỉ cường độ (I) chia cho khoảng cách (d) bình phương: E = I / d². Tuy nhiên, đối với các thiết bị LED thực với các góc chùm tia cụ thể, nó phức tạp hơn. Phương pháp chính xác nhất là sử dụng phần mềm thiết kế chiếu sáng sử dụng các tệp dữ liệu trắc quang để tính toán độ rọi trên một khu vực, tính đến hình dạng chùm tia và nhiều đồ đạc.

Chỉ số nào trong số bốn chỉ số là quan trọng nhất để mua đèn bàn?

Đối với đèn bàn, độ rọi là thước đo thiết thực nhất. Bạn muốn biết lượng ánh sáng (tính bằng lux) sẽ chiếu vào bề mặt làm việc của bạn. Tuy nhiên, vì không phải lúc nào các nhà sản xuất cũng cung cấp dữ liệu độ rọi cho các khoảng cách cụ thể, nên tổng quang thông (lumen) là một điểm khởi đầu tốt. Một chiếc đèn có 400-800 lumen thường là đủ cho một chiếc bàn làm việc. Bạn cũng nên xem xét góc chùm tia để đảm bảo nó tập trung ánh sáng vào công việc của bạn mà không gây chói (độ chói quá mức) vào mắt bạn.