В чем измеряется световой поток: Как измерить световой поток? -Светодиодное освещение

Содержание

Разоблачаем мировой заговор или как измерить световой поток светодиодов на коленке / Хабр

Все вы, наверное, слышали про мировой заговор. ~~Масоны, инопланетяне и евреи~~ Производители электрических лампочек вступили в него сто лет назад, чтобы лампочки не служили вечно, а перегорали каждый месяц и жрали уйму электричества. И только сейчас путы заговора разорваны и лампочковые магнаты раздавлены великой империей Китая, завалившей весь мир вечными и экономичными светодиодными лампами. Но не расслабляйтесь – мировой заговор не сдается. Теперь он явился в виде Великой Светодиодной ~~Ложи Лажи~~ Лжи. Короче, все врут (с).

Шутки шутками, а в той или иной степени врут, наверное, все производители LED-светотехники. Кто-то нагло и откровенно, кто-то так, слегка подвирает – но так или иначе, кажется, нет ни одной фирмы, которая не завышала бы параметров своих изделий. Разными способами – кто-то просто пишет красивые цифры от фонаря, порой запредельные с точки зрения здравого смысла. А кто-то – просто пишет характеристики вполне правдивые, но полученные в условиях, далеких от реальных условий эксплуатации. Например, световой поток, измеренный при температуре 25°С в импульсном режиме. Так или иначе, а 15-20% «припуска на вранье» давать придется.

Освещенность измерить просто, световой поток – сложно и дорого. Необходимо собрать весь свет, испущенный лампой и в равной степени учесть лучи по всем направлениям. То есть, нужен фотоприемник в виде полой сферы с одинаковой светочувствительностью каждого участка ее поверхности. Изготовление такой фотометрической сферы и ее последующая калибровка – задача весьма непростая.

Другой подход – по точкам промерить диаграмму направленности источника света и проинтегрировать по всей сфере. Но и это непросто: надо иметь солидных размеров темное помещение с темными стенами. И гониометрическая головка с двумя осями нужна, желательно с автоматическим приводом, чтобы не задолбаться вручную выставлять углы для каждой из нескольких сотен точек.

Впрочем, есть пара частных случаев, которые часто встречаются на практике и для которых можно ограничиться одним измерением. Об одном из них я и хочу поведать хабрасообществу.

Этот частный случай – плоский косинусный излучатель. Косинусным называется такой излучатель, яркость которого не зависит от угла между нормалью к его поверхности и направлением на наблюдателя. Диаграмма направленности такого излучателя определяется исключительно геометрией – а именно видимой площадью поверхности. И для плоского косинусного излучателя существует простое соотношение между световым потоком и силой света в направлении нормали к плоскости:

То есть достаточно измерить люксметром освещенность в метре от источника света и умножить ее на 3,14 – и мы уже имеем величину светового потока (либо, если расстояние не равно метру, его придется учесть по закону обратных квадратов). Разумеется, источник света должен быть много меньше расстояния до люксметра – иначе закон обратных квадратов работать не будет и результат измерения будет завышен.

Какие же источники света можно с достаточной для практики точностью считать плоскими косинусными излучателями? Это практически любые белые осветительные светодиоды без линзы и плоские сборки на их основе. Всевозможные китайские 5730, 2835, 5050, 3030 и прочие, что встречаются обычно в светодиодных лампах с алиэкспресса, а также продаются там же отдельно в катушках за копейки – это оно. А также матрицы. И китайские квадратные на 10 ватт, и Cree CXA и CXB. А вот для любых светодиодов с линзой, а также для светодиодов без люминофора (например, RGB) такой метод не годится — их диаграмма направленности существенно отличается от косинусной. Плоские светильники, встраиваемые в потолок и закрытые молочным стеклом, также неплохо соответствуют этой модели.

Итак, давайте уже что-нибудь измерим. В качестве подопытных кроликов у нас сегодня:

1. Сборка китайская на 90 ватт из 156 светодиодов 5730 (в каждом по два кристалла 13х30 mil) со встроенным драйвером на CYT3000B. По заверениям китайцев, должна давать 9200 лм.

Потребляемая мощность по приборам — 85 Вт, на ней и остаемся.

2. Матрица CXA2530, новая версия, 3000 кельвин, Ra>80. Световой поток при 800 мА и 85°С согласно даташиту — не менее 3440 лм, а при 25°С (такой температуры не бывает, если только не захолодить сам светодиод до температуры ниже нуля — тепловое сопротивление не даст) — не менее 4150 лм.

Заводим на токе 800 мА, потребляемая мощность составила 28,64 Вт.

3. HPR20D-19K20 — древняя, как мамонт (покупалась году в 2010, если не раньше) матрица на 20 ватт фирмы HueyJann, похожая на нынешние 10-ваттные матрицы, отличается от них большим количеством кристаллов под люминофором — их 16 штук вместо девяти (4 штуки последовательно в каждой из четырех параллельно включенных цепочек). Заявлено 1830 лм при токе 1,7 А, реально на глаз не ярче, чем CXA2011 с подводимой мощностью 11 Вт.

Запускаем на паспортном токе 1,7 А, напряжение составило 12,2 В, мощность 20,74 Вт.

Освещенность измеряем люксметром UT382 (Uni-T), на «глазок» которого надеваем бленду из черной бумаги, чтобы не ловил отраженный от стен свет в неподготовленном помещении. Расстояние во всех случаях — метр. Результаты в таблице.

Выходит, что световой поток китайской сборки соответствует заявленному (в пределах погрешности люксметра), у Cree’шной матрицы тоже все в пределах даташита (учитывая, что температура ее неизвестна), а вот у HueyJann’овской матрицы обещанных люменов нет и близко.

Но что-то затерзали меня смутные сомнения: 9000 с хвостиком люмен при 85 ваттах, учитывая КПД драйвера 80% и при том, что светодиоды работают далеко не в облегченном режиме, по полватта на корпус, а пиковый ток вдвое больше среднего (никакого фильтрующего конденсатора у этих плат нет) — это очень даже круто. Вдобавок как-то не видно от этой сборки значительно большей освещенности в комнате по сравнению с люстрой, в которой пять лампочек по 950 лм (энергосберегайки).

Подозрение падает на люксметр — не все из них адекватно измеряют светодиодные источники. Те из них, что сделаны на базе фотодиода BPW21R, имеют очень приблизительное соответствие спектральной чувствительности стандартной кривой видности, и относительная чувствительность к излучению 450 нм (это длина волны, соответствующая синему пику, имеющемуся в спектре почти всех белых светодиодов) превышает относительную чувствительность глаза в этой области в несколько раз. В данном приборе фотоприемник другой, что и являлось одним из критериев при выборе прибора, но все же сходим в охрану труда и возьмем другой люксметр. Это оказался ТКА-Люкс. В его методике поверки содержится проверка спектральной характеристики, то есть она должна соответствовать кривой видности с нормируемой погрешностью. Повторяем измерения с ним. Вот результаты:

Ну что тут сказать? Врут не только производители светодиодных ламп, но и мой люксметр. Причем врет, как и ожидалось, по-разному для разных светодиодов. Для матрицы CXA2530 разница с профессиональным аппаратом минимальная, скорее в пределах погрешности обоих приборов. Но у этой матрицы провал в спектре почти незаметен, если смотреть через компакт-диск (реально он, конечно, есть). А вот остальные подопытные «провалились» прилично. И теперь прекрасно видно, что до заявленных люменов они не дотягивают более чем заметно: китайская 90-ваттная сборка — на 25%, а матрица HPR20D-19K20 — почти вдвое.

Отсюда можно сделать следующие выводы:

Да, описанным образом можно оценить световой поток, испускаемый светодиодами, матрицами и сборками (в пределах описанного частного случая).

С измерением освещенности от светодиодов люксметром надо быть осторожным и убедиться, что он имеет корректную кривую спектральной чувствительности. Ибо врут все (с).

Если измерения показывают, что китайским изделием достигнуты заявленные характеристики, значит, вполне вероятно, что прибор проградуирован в китайских люксах:).

Если вам захочется таким же образом оценить световой поток светодиодной лампочки с полусферическим рассеивателем, нужно снять рассеиватель. Под ним скорее всего будут вполне подходящие светодиоды. Но сам рассеиватель вносит потери 15-20 и более процентов светового потока.

Да, и последнее. Описанная методика ни в коей мере не является ни метрологически строгой, ни точной. Она оценочная и не более того. Именно поэтому я не привел здесь анализа погрешностей.

Единицы измерения светового излучения

Световой поток — мощность светового излучения, т. е. видимого излучения, оцениваемого по световому ощущению, которое оно производит на глаз человека. Световой поток измеряется в люменах.

Например лампа накаливания (100 Вт) излучает световой поток, равный 1350 лм, а люминесцентная лампа ЛБ40 — 3200.

Один люмен равен световому потоку, испускаемому точечным изотропным источником, c силой света равной одной канделе, в телесный угол, величиной в один стерадиан (1 лм = 1 кд·ср).

Полный световой поток, создаваемый изотропным источником, с силой света одна кандела, равен 4π люменам.

Существует и другое определение: единицей светового потока является люмен (лм), равный потоку, излучаемому абсолютно черным телом с площади 0,5305 мм 2 при температуре затвердевания платины (1773° С), или 1 свеча·1 стерадиан.

Сила света — пространственная плотность светового потока, равная отношению светового потока к величине телесного угла, в котором равномерно распределено излучение. Единицей силы света является кандела.

Освещенность — поверхностная плотность светового потока, падающего на поверхность, равная отношению светового потока к величине освещаемой поверхности, по которой он равномерно распределен.

Единицей освещенности является люкс (лк), равный освещенности, создаваемой световым потоком в 1 лм, равномерно распределенным на площади в 1 м 2 , т. е. равный 1 лм/1 м 2 .

Яркость — поверхностная плотность силы света в заданном направлении, равная отношению силы света к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную тому же направлению.

Единица яркости — кандела на квадратный метр (кд/м 2 ).

Светимость (светность) — поверхностная плотность светового потока, испускаемого поверхностью, равная отношению светового потока к площади светящейся поверхности.

Единицей светимости является 1 лм/м 2 .

Единицы световых величин в международной системе единиц СИ (SI)

Наименование величины	Наименование единицы	Выражение через единицы СИ (SI)	Обозначение единицы
Наименование величины	Наименование единицы	Выражение через единицы СИ (SI)	русское	между- народное
Сила света	кандела	кд	кд	cd
Световой поток	люмен	кд·ср	лм	lm
Световая энергия	люмен-секунда	кд·ср·с	лм·с	lm·s
Освещенность	люкс	кд·ср/м 2	лк	lx
Светимость	люмен на квадратный метр	кд·ср/м 2	лм·м 2	lm/m 2
Яркость	кандела на квадратный метр	кд/м 2	кд/м 2	cd/m 2
Световая экспозиция	люкс-секунда	кд·ср·с/м 2	лк·с	lx·s
Энергия излучения	джоуль	кг·м 2 /с 2	Дж	J
Поток излучения, мощность излучения	ватт	кг·м 2 /с 3	Вт	W
Световой эквивалент потока излучения	люмен на ватт

кд·ср·с 3

кг·м 2

лм/Втlm/WПоверхностная плотность потока излученияватт на квадратный метркг/с 3Вт/м 2W/m 2Энергетическая сила света (сила излучения)ватт на стерадианкг·м2/(с 3 ·ср)Вт/срW/srЭнергетическая яркостьватт на стерадиан-квадратный метркг/(с 3 ·ср)Вт/(ср·м 2 )W/(sr·m 2 )Энергетическая освещенность (облученность)ватт на квадратный метркг/с 3Вт/м 2W/m 2Энергетическая светимость (излучаемость)ватт на квадратный метркг/с 3Вт/м 2W/m 2

Примеры:

Тип лампы	Мощность, Вт	Световой поток, лм	Примерная сила света, кд
Свеча	1
Лампа накаливания Б235-245-100	100	1380	100
Лампа люминесцентная ЛБ 40	40	2800
Ртутная лампа высокого давления ДРЛ 250	250	13000
Обычный светодиод	0,015	0,001
Сверхяркий светодиод	5	3

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ СПРАВОЧНИК»
Под общей ред. профессоров МЭИ В.Г. Герасимова и др.
М.: Издательство МЭИ, 1998

Вопрос, в чем измеряется световой поток, стал иметь значение для пользователей осветительных приборов только тогда, когда появились виды ламп, яркость которых не равнялась потребляемой мощности, измеряемой в ваттах.

Разберемся, как связано понятие яркости с понятием освещенности, а также как можно представить распределение потока света по помещению и правильно выбрать подходящий осветительный прибор.

Что такое световой поток?

Поток света – это мощность светового излучения, видимого глазом человека; световая энергия, излучаемая поверхностью (светящейся или отражающей лучи). Энергия светового потока измеряется в люмен-секундах и соответствует потоку 1 люмен, излучаемому или воспринимаемому за 1 секунду. Этот показатель описывает полный поток, не учитывая сосредоточивающую эффективность всего прибора. Такая оценка включает также рассеянный, бесполезный свет, поэтому одно и то же количество люменов может оказаться у разных по конструкции источников.

Следует различать световую величину и энергетическую – последняя характеризует свет независимо от его свойства вызывать зрительные ощущения. Каждая фотометрическая световая величина имеет аналог, который можно выразить количественно в единицах энергии или мощности. Для световой энергии таким аналогом является энергия излучения (лучистая энергия), измеряемая в джоулях.

Единица измерения светового потока

1 люмен – это свет, излучаемый источником с силой света в 1 канделу в пределах телесного угла в 1 стерадиан. 100-ваттная лампа накаливания создает поток света, примерно равный 1000 люменов. Чем ярче источник света, тем больше люменов он излучает.

Кроме люменов есть другие единицы измерения, позволяющие охарактеризовать свет. Можно измерить пространственную и поверхностную плотность потока – так мы узнаем силу света и освещенность. Сила света измеряется в канделах, освещенность – в люксах. Но для потребителя важнее разобраться, в каких единицах указывают яркость лампочек и прочих осветительных приборов при продаже. Некоторые производители сообщают количество люменов, деленных на ватт. Так измеряется световая эффективность (светоотдача): сколько света лампа выдает, затратив 1 ватт.

Определяющие формулы

Поскольку любой источник света излучает его неравномерно, число люменов не дает полной характеристики осветительного прибора. Вычислить силу света в канделах можно, разделив его поток, выраженный в люменах, на телесный угол, измеряемый в стерадианах. Используя эту формулу, удастся учесть совокупность лучей, идущих от источника, когда они пересекают поверхность воображаемой сферы, образуя на ней круг.

Но возникает вопрос, что дает на практике число кандел, которое мы найдем; найти подходящий светодиод или фонарь только по параметру силы света невозможно, нужно учитывать еще соотношение угла рассеивания, зависящего от конструкции прибора. Выбирая лампы, равномерно светящие во все стороны, важно понять, подходят ли они для целей покупателя.

Если раньше лампочки в разные помещения подбирали, ориентируясь на количество ватт, то перед покупкой светодиодных ламп придется посчитать их суммарную яркость в люменах, а потом разделить эту цифру на площадь комнаты. Так вычисляется освещенность, которая измеряется в люксах: 1 люкс – это 1 люмен на 1 м². Существуют нормы освещенности для помещений разного назначения.

Измерение светового потока

Перед тем как выпустить продукцию на рынок, производитель делает в лабораторных условиях определение и измерение характеристик осветительного прибора. В домашних условиях, не имея специальных приборов, это сделать нереально. Но проверить цифры, указанные производителем, можно с помощью вышеприведенных формул, воспользовавшись компактным люксметром.

Сложность точного измерения параметров света заключается в том, что он исходит во всех возможных направлениях распространения. Поэтому лаборатории используют сферы с внутренней поверхностью, которая имеет высокий коэффициент отражения – сферические фотометры; применяют их и для измерения динамического диапазона фотоаппаратов, т.е. светочувствительности их матриц.

В быту больше смысла имеет измерять такие важные параметры света, как освещенность помещений и коэффициент пульсации. Высокий коэффициент пульсации и тусклое освещение заставляют людей чрезмерно напрягать глаза, что быстрее вызывает усталость.

Коэффициент пульсации потока света – это показатель, характеризующий степень его неравномерности. Допустимые уровни этих коэффициентов регулируются СанПиН.

Не всегда можно заметить невооруженным глазом, что лампочка мерцает. Тем не менее даже незначительное превышение коэффициента пульсации влияет на центральную нервную систему человека негативно, а также уменьшает работоспособность. Свет, который может неравномерно пульсировать, излучают все экраны: мониторы компьютеров и ноутбуков, дисплеи планшетов и мобильных телефонов, экран телевизора. Пульсацию измеряют люксметром-пульсметром.

Что такое кандела?

Еще одной важной характеристикой источника света является кандела, входящая в 7 величин Международной системы единиц (СИ), принятых Генеральной конференцией по мерам и весам. Изначально 1 кандела равнялась излучению 1 свечи, принятой за эталон. Отсюда и возникло название этой единицы измерения. Сейчас ее определяют по специальной формуле.

Кандела – это сила света, измеряемая исключительно в заданном направлении. Распространение лучей на часть сферы, очерченную телесным углом, позволяет вычислить величину, равную отношению светового потока к этому углу. В отличие от люменов эта величина используется для определения интенсивности лучей. При этом не учитывается бесполезный, рассеянный свет.

У карманного фонаря и потолочного светильника световой конус будет разным, так как лучи падают под разным углом. Канделы (точнее, милликанделы) используют для обозначения силы света источников с направленным свечением: индикаторных светодиодов, карманных фонариков.

Люмены и люксы

В люменах измеряется величина потока света, это характеристика его источника. То количество лучей, которое добралось до какой-либо поверхности (отражающей или поглощающей), уже будет зависеть от расстояния между источником и этой поверхностью.

Уровень освещенности измеряется в люксах (лк) специальным прибором – люксметром. Самый простой люксметр состоит из селенового фотоэлемента, преобразующего свет в энергию электрического тока, и стрелочного микроамперметра, измеряющего этот ток.

Спектральная чувствительность селенового фотоэлемента отличается от чувствительности человеческого глаза, поэтому в разных условиях приходится использовать поправочные коэффициенты. Самые простые люксметры предназначены для измерения какого-то одного типа освещенности, например, дневного света. Без использования коэффициентов погрешность может составлять более 10%.

Люксметры высокого класса оснащаются светофильтрами, специальными насадками сферической или цилиндрической формы (для измерения пространственной освещенности), приспособлениями для измерения яркости и контрольной проверки чувствительности прибора. Их уровень погрешности – около 1%.

Плохая освещенность помещений способствует развитию близорукости, плохо сказывается на работоспособности, вызывает усталость, снижение настроения.

Минимальная освещенность поверхности компьютерного стола по СанПиН – 400 люкс. Школьные парты должны иметь освещенность не менее 500 люкс.

Люмен и ватт

Энергосберегающие лампы при той же светоотдаче потребляют в 5-6 раз меньше электрической энергии, чем лампы накаливания. Светодиодные – в 10-12 раз меньше. Мощность светового потока уже не зависит от количества ватт. Но производители всегда указывают ватты, так как использование слишком мощных лампочек в не предназначенных для такой нагрузки патронах приводит к порче электроприборов или короткому замыканию.

Если расположить самые распространенные виды лампочек в порядке возрастания светоотдачи, можно получить такой список:

Лампа накаливания – 10 люмен/ватт.
Галогенная – 20 люмен/ватт.
Ртутная – 60 люмен/ватт.
Энергосберегающая – 65 люмен/ватт.
Компактная люминесцентная лампа – 80 люмен/ватт.
Металлогалогенная – 90 люмен/ватт.
Светодиодная (LED) – 120 люмен/ватт.

Но большинство людей привыкли при покупке лампочек смотреть на количество ватт, указанное производителем. Чтобы подсчитать, сколько нужно ватт на квадратный метр, сначала стоит определиться, насколько ярким должен быть свет в помещении. 20 ватт лампы накаливания на 1 м² – такое освещение подойдет для рабочего места или гостиной; для спальни будет достаточно 10-12 ватт на 1 м². При покупке энергосберегающих ламп эти цифры делят на 5. Важно учесть и высоту потолка: если он выше 3 м, общее количество ватт следует умножить на 1,5.

Световой поток — физическая величина, характеризующая количество «световой» мощности в соответствующем потоке излучения, где под световой мощностью понимается световая энергия, переносимая излучением через некоторую поверхность за единицу времени. Иными словами, «световой поток является величиной, пропорциональной потоку излучения, оценённому в соответствии с относительной спектральной чувствительностью среднего человеческого глаза» [1] . В свою очередь величина «поток излучения» определяется как мощность, переносимая излучением через какую-либо поверхность [2] .

Более формально световой поток можно определить, как световую величину, оценивающую поток излучения по его действию на селективный приёмник света, спектральная чувствительность которого определяется функцией относительной спектральной световой эффективности излучения [3] .

Обозначение: Φ v <displaystyle Phi _>
Единица измерения в Международной системе единиц (СИ): люмен (русское обозначение: лм; международное: lm).

Содержание

Определяющие формулы [ править | править код ]

Если имеется монохроматическое излучение с длиной волны λ <displaystyle lambda > , поток излучения которого равен Φ e ( λ ) <displaystyle Phi _(lambda )> , то в соответствии с определением световой поток такого излучения Φ v ( λ ) <displaystyle Phi _(lambda )> выражается равенством [1] :

Φ v ( λ ) = K m ⋅ V ( λ ) ⋅ Φ e ( λ ) . V(lambda _)cdot Phi _(lambda _),>

где λ i <displaystyle lambda _> — длина волны линии с номером «i», а N — общее количество линий.

В случае немонохроматического излучения с непрерывным (сплошным) спектром малую часть всего излучения, занимающую узкий спектральный диапазон d ( λ ) <displaystyle d(lambda )> , можно рассматривать как монохроматическое с потоком излучения d Φ e ( λ ) <displaystyle dPhi _(lambda )> и световым потоком d Φ v ( λ ) <displaystyle dPhi _(lambda )> . Тогда для связи между ними будет выполняться

d Φ v ( λ ) = K m ⋅ V ( λ ) ⋅ d Φ e ( λ ) . <displaystyle dPhi _(lambda )=K_cdot V(lambda )cdot dPhi _(lambda ).>

Интегрируя данное равенство в пределах видимого диапазона длин волн (то есть от 380 до 780 нм), получаем выражение для светового потока всего рассматриваемого излучения:

nm>V(lambda )cdot dPhi _(lambda ).>

Если использовать спектральную плотность потока излучения Φ e , λ <displaystyle Phi _> , характеризующую распределение энергии излучения по спектру и определяемую как d Φ e ( λ ) d λ <displaystyle <frac (lambda )>>> , то выражение для светового потока приобретает вид [1] :

Φ v = K m ⋅ ∫ 380 n m 780 n m V ( λ ) ⋅ Φ e , λ ⋅ d λ . <displaystyle Phi _=K_cdot int limits _<380

nm>V(lambda )cdot Phi _cdot dlambda .>

Измерение [ править | править код ]

Измерение светового потока от источника света производится при помощи специальных приборов — сферических фотометров, либо фотометрических гониометров [4] . Трудность измерения заключается в том, что необходимо измерить поток, который испускается во всех направлениях — в телесный угол 4 π .

Для этого можно использовать сферический фотометр — прибор, представляющий собой сферу с внутренним покрытием, имеющим коэффициент отражения, близкий к 1. Исследуемый источник света помещается в центр сферы и при помощи фотоэлемента, вмонтированного в стенку сферы и покрытого фильтром с кривой пропускания, равной кривой спектральной чувствительности глаза, измеряется сигнал, пропорциональный освещенности фотоэлемента, которая, в свою очередь, в данном устройстве пропорциональна световому потоку от источника света (фотоэлемент измеряет только рассеянный свет, так как заслонён от прямого излучения источника специальным экраном). Путём сравнения полученного сигнала с сигналом от эталонного источника света можно измерить абсолютный световой поток источника света.

Другая возможность состоит в применении фотометрических гониометров. В этом случае производится измерение освещённости, создаваемой исследуемым источником, на воображаемой сферической поверхности. Для этого люксметр проходит последовательно при помощи гониометра все позиции на сфере. Интегрируя измеренные освещённости (измеряются в люксах: 1 люкс = 1 люмен/м²) по площади сферы (м²), получим абсолютный световой поток источника света (в люменах). Условием получения абсолютных значений является калиброванный в абсолютных величинах люксметр.

Пояснения [ править | править код ]

Значение фотометрического эквивалента излучения K_m однозначно задаётся определением единицы силы света канделы, являющейся одной из семи основных единиц системы СИ. По определению одна кандела — это «сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540⋅10 12 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср» [5] . Частоте 540⋅10 12 Гц соответствует в воздухе длина волны 555 нм [Комм 2] , на которой располагается максимум спектральной чувствительности человеческого глаза для дневного зрения. Поэтому коэффициент K_m находится из равенства

1 кд = K_m·V_λ(555)·1/683 Вт/ср, откуда следует K_m = 683 (кд·ср)/Вт = 683 лм/Вт.

Для случая ночного зрения значение фотометрического эквивалента излучения изменяется.

Человеческий глаз считается светлоадаптированным при яркостях более 100 кд/м². Ночное зрение наступает при яркостях менее 10 −3 кд/м². В промежутке между этими величинами человеческий глаз функционирует в режиме сумеречного зрения.

Световой поток
Φ v <displaystyle Phi _>
Размерность	J
Единицы измерения
СИ	люмен
СГС	люмен
Примечания

Измерение светодиодов — LED professional

Введение

Разрабатываются и внедряются различные новые типы светоизлучающих диодов (СИД) для общего освещения и других применений, и растет потребность в точных измерениях различных оптических параметров светодиодов. . Традиционные стандартные лампы не отвечают требованиям калибровки для измерений светодиодов, поскольку светодиоды существенно отличаются от традиционных ламп с точки зрения физических размеров, уровней потока, спектров и пространственного распределения интенсивности. Температурно-зависимые характеристики и большая изменчивость оптических конструкций светодиодов еще больше усложняют воспроизведение измерений. Для обеспечения высокой точности светодиодных измерений большой спрос на эталонные стандартные светодиоды и услуги по калибровке [1]. Национальный институт стандартов и технологий (NIST) недавно разработал и расширил возможности калибровки светодиодов для фотометрических, радиометрических и колориметрических величин и предоставляет различные услуги по калибровке светодиодов. В этой статье обсуждается измерение силы света, общего светового потока, полного спектрального лучистого потока и количества цветов светодиодов, а также средства измерения NIST и услуги по калибровке светодиодов.

Сила света

Сила света (единица измерения: кандела) светодиодов может быть измерена с помощью обычного фотометрического стенда и стандартных фотометров [2] в условиях дальнего поля на расстоянии, достаточном для того, чтобы испытательный светодиод мог следует рассматривать как точечный источник (обычно 2 м или более). Однако общепринятой практикой в светодиодной промышленности является измерение светодиодов на гораздо более коротких расстояниях, например, от 10 см до 50 см. Предположительно, эта традиция пришла из тех времен, когда светодиоды были очень тусклыми, а фотометры не очень чувствительными. Эта практика все еще преобладает, хотя светодиоды намного ярче. Измерение силы света светодиодов на коротких расстояниях проблематично, потому что многие светодиоды имеют линзы из эпоксидной смолы, и они не ведут себя как точечные источники, а закон обратных квадратов не соблюдается. Эффективный центр излучения светодиода может смещаться от физического центра светодиода. Это вызывает различия в измеренной силе света при измерении на разных расстояниях, особенно на коротких расстояниях. Было установлено, что это является одной из основных причин отклонений в измерении силы света.

Для решения этой проблемы Международная комиссия по освещению (CIE) стандартизировала расстояния измерения (100 мм и 316 мм) для измерений интенсивности светодиодов, как это было первоначально опубликовано в CIE 127 (1997) и в последней редакции CIE 127:2007 [ 3]. В этой публикации также стандартизировано, что апертура фотометра должна быть круглой с площадью 1 см2, расстояние должно измеряться от кончика корпуса светодиода, а направление измерения должно совпадать с механической осью светодиода. Эта геометрия CIE показана на рисунке 1.9.0005

Сила света, измеренная в этих стандартизированных условиях, называется усредненной силой света светодиода CIE, поскольку это значение может немного отличаться от реальной (дальней зоны) силы света светодиода. Два расстояния различаются условиями A и условиями B для 316 мм и 100 мм соответственно. Эту рекомендацию CIE следует использовать для спецификации интенсивности отдельных светодиодов. Эта рекомендация не распространяется на светодиодные кластеры, массивы и светильники, изготовленные из светодиодов. Тестовые светодиоды измеряются в сравнении с калиброванными стандартными светодиодами или калиброванной стандартной головкой фотометра, при необходимости применяется коррекция спектрального несоответствия.

NIST разработал стандартные фотометры в соответствии с этой рекомендацией CIE и создал службу калибровки для усредненной силы света светодиодов в условиях A и B. Погрешность (расширенная неопределенность, k = 2) для этих калибровок обычно составляет от 1 % до 3. % в зависимости от тестовых светодиодов. Подробности см. в ссылках [4-7].

Общий световой поток

Суммарный световой поток (единица измерения: люмен), вероятно, является самой важной величиной для светодиодов, используемых для освещения. Световая отдача, люмен на ватт, имеет решающее значение для разрабатываемых белых светодиодов. По сравнению с измерениями традиционных ламп накаливания, погрешности измерений светодиодов, как правило, намного больше, в первую очередь из-за узкополосного спектрального распределения и разнообразия диаграмм направленности светодиодов. Общий световой поток светодиодов можно измерить либо с помощью системы интегрирующих сфер, либо с помощью гониофотометра. При использовании интегрирующих сфер в светодиодной промышленности принято монтировать светодиоды на стенке сферы. Этот метод во многих случаях неприемлем, так как исключается обратное излучение тестируемого светодиода и некорректно измеряется полный световой поток. В новой рекомендации CIE 127:2007 [3] рекомендуется геометрия интегрирующей сферы, как показано на рисунке 2. В тех случаях, когда важен только прямой поток, частичный поток светодиодов определяется также в новой публикации CIE.

Геометрия (а) на рисунке 2 рекомендуется для всех типов светодиодов, включая светодиоды с узким профилем луча или с широким и обратным излучением. Эта геометрия должна использоваться для большинства 5-миллиметровых светодиодов эпоксидного типа, которые имеют обратное излучение. Геометрия (b) приемлема для светодиодов, не имеющих обратного излучения. Например, мощный светодиод с большим радиатором и отсутствием обратного излучения можно измерить с помощью геометрии (b), в которой только головка светодиода вставлена в сферу, а большой радиатор остается снаружи сферы. Интегрирующие сферы с любой геометрией должны быть откалиброваны с помощью стандартного светодиода полного светового потока, имеющего такое же угловое распределение интенсивности и спектральное распределение, что и тестируемые светодиоды, с применением поправок на спектральное несоответствие, если это необходимо. Для светодиодов обычно используются интегрирующие сферы размером от 20 см до 50 см.

Общий световой поток светодиодов откалиброван в NIST с использованием системы 2,5-метровых интегрирующих сфер, которая также используется для определения светового потока и калибровки традиционных ламп. Даже при очень большом размере сферы система сфер имеет достаточную чувствительность для измерения светового потока светодиодов. В системе сфер диаметром 2,5 м используется метод абсолютной сферы, как показано на рис. 3. Спектральная пропускная способность сферы NIST была точно определена, и применена коррекция спектрального несоответствия. Ошибки из-за пространственной неравномерности чувствительности сферы, связанные с различиями в угловых распределениях интенсивности светодиодов, также были проанализированы для коррекции или определения неопределенности. Неопределенность (расширенная неопределенность, k=2) для калибровки светового потока светодиодов в NIST обычно составляет 0,7 % для белых светодиодов и от 1 % до 3 % для одноцветных светодиодов. Подробная информация о 2,5-метровой сфере NIST [8] и процедурах калибровки светодиодов для светового потока доступны в справочных материалах [4,9].]. Геометрия (а) рекомендуется для всех типов светодиодов, включая светодиоды с узким профилем луча или с широким и обратным излучением. Эта геометрия должна использоваться для большинства 5-миллиметровых светодиодов эпоксидного типа, которые имеют обратное излучение. Геометрия (b) приемлема для светодиодов, не имеющих обратного излучения. Например, мощный светодиод с большим радиатором и отсутствием обратного излучения можно измерить с помощью геометрии (b), в которой только головка светодиода вставлена в сферу, а большой радиатор остается снаружи сферы. Интегрирующие сферы с любой геометрией должны быть откалиброваны с помощью стандартного светодиода полного светового потока, имеющего такое же угловое распределение интенсивности и спектральное распределение, что и тестируемые светодиоды, с применением поправок на спектральное несоответствие, если это необходимо. Для светодиодов обычно используются интегрирующие сферы размером от 20 см до 50 см.

Полный спектральный лучистый поток

Интегрирующие сферы, оснащенные спектрорадиометром в качестве детектора сферы, как показано на рис. 4 (см. журнал LpR), называемые сферическими спектрорадиометрами, все чаще используются для измерения светодиодов. Это удобный способ одновременного измерения фотометрических и цветовых величин. Этот тип прибора измеряет общий спектральный лучистый поток (единица измерения: Вт/нм), из которого получают общий световой поток, общий лучистый поток и цветовые величины (интегрированные по пространству). Еще одним преимуществом является то, что общий световой поток может быть измерен теоретически без ошибки спектрального несоответствия. При использовании матричного спектрорадиометра измерение может быть таким же быстрым, как система сферический фотометр. Такие системы сфер-спектрорадиометров необходимо калибровать по эталону полного спектрального лучистого потока.

NIST недавно установил шкалу полного спектрального потока излучения для диапазона от 360 до 830 нм с использованием системы гонио-спектрорадиометра, как показано на рис. 5, и предлагает услуги по калибровке [10]. Шкала распространяется путем выдачи калиброванных эталонных ламп полного спектра лучистого потока (кварцевые галогенные лампы мощностью 75 Вт) и путем обеспечения калибровки ламп, представленных заказчиками.

См. рис. 5 (см. журнал LpR)

Общий лучистый поток

Полный лучистый поток (единица измерения: ватт) – спектрально и пространственно интегрированный полный лучистый поток источника. Мощность излучения и оптическая мощность также часто используются для того же значения для светодиодов. Эта величина необходима для спецификации светодиодов в УФ- и ИК-областях, а также полезна для одноцветных светодиодов, поскольку значения светового потока резко меняются в зависимости от пиковой длины волны даже в пределах одного и того же цветового диапазона, что затрудняет сравнение значений светового потока. Для светодиодов в видимой области общий лучистый поток может быть преобразован из значения светового потока и относительного спектрального распределения светодиода. Однако неопределенность возрастает, особенно вблизи крыльев функции V( ). NIST предоставляет услуги по калибровке общего лучистого потока светодиодов в диапазоне от 360 до 830 нм с использованием системы абсолютной сферы NIST 2,5 м, сконфигурированной для режима полного спектрального лучистого потока, как показано на рисунке 6. Калибровка основана на спектральной освещенности NIST. шкала. Спектрорадиометр представляет собой ПЗС-матрицу и скорректирован на спектральное рассеяние света [11]. Для получения подробной информации о калибровке полного лучистого потока см. ссылку [12].

См. рисунок 6 (см. журнал LpR)

Величины цвета

Величины цвета, такие как координаты цветности, доминирующая длина волны, коррелированная цветовая температура (для белых светодиодов) и индекс цветопередачи (для белых светодиодов). используется для определения цветовых характеристик светодиодов. Даже если используется спектрорадиометр, откалиброванный в соответствии с национальными стандартами, неопределенность в измеренном цвете светодиодов часто неизвестна или неожиданно велика, и поэтому пользователям часто требуются эталонные светодиоды, откалиброванные национальными лабораториями, для проверки точности измерений цвета светодиодов.

См. рисунок 7 (см. журнал LpR)

Национальный институт стандартов и технологий разработал эталонный спектрорадиометр для измерения цвета светодиодов (геометрия CIE Condition B) с использованием монохроматора с двойной решеткой и входной оптической освещенностью. Этот спектрорадиометр настроен на треугольную полосу пропускания шириной 2,5 нм (FWHM) и сканирование с интервалом 2,5 нм. Погрешности калибровки светодиодов для любого цвета находятся в пределах 0,001 в цветности CIE (u’, v’). На рис. 7 показана оптическая схема спектрорадиометрической системы NIST. Более подробную информацию об эталонном спектрорадиометре можно найти в ссылке [13].

В дополнение к направленной калибровке цвета, пространственно усредненные значения цвета светодиодов, интегрированные по всем углам излучения, доступны из измерения полного спектрального лучистого потока, как описано выше. Рекомендуется измерять белые светодиоды по пространственно усредненным значениям, поскольку цвет имеет тенденцию смещаться при изменении угла обзора. Пространственно усредненные величины цвета измеряются в NIST с использованием описанного выше оборудования для полного лучистого потока. Калибровка либо направленного, либо пространственно усредненного количества цветов светодиодов доступна в NIST.

Стратегия использования стандартных светодиодов в калибровке NIST услуги

Некоторые службы калибровки NIST выдают откалиброванные артефакты, а другие калибруют артефакты, предоставленные клиентами. Мы решили не подготавливать и не выпускать «стандартные светодиоды», потому что существует очень много типов светодиодов и постоянно внедряются новые типы светодиодов, и поэтому любой стандартный светодиод, который мы могли бы разработать, не удовлетворил бы многих клиентов и быстро устарел бы. Мы стремимся обеспечить калибровку для любого типа светодиодов, предоставленных нашими клиентами, которые затем могут использоваться в качестве эталонных стандартных светодиодов того типа, который необходим в лаборатории клиента. Клиенты несут ответственность за обеспечение качества светодиодов, представленных в NIST для калибровки. Информацию об услугах фотометрической калибровки NIST можно найти на сайте [14] или связавшись с авторами.

Измерения освещения – подробное руководство, часть 1

Хотите узнать, как измерить свет или сколько ватт потребляет лампа? Вы найдете ответы на эти вопросы, а также расчеты и многое другое в этом подробном руководстве по измерениям освещения, состоящем из двух частей. Часть 2 нашего блога об измерениях освещения посвящена измерениям освещенности, яркости, люксов и фут-свечей.

Что такое люмены?

Световая мощность или световой поток измеряет количество света, которое источник перемещает во всех направлениях в секунду, и выражается в люменах (лм). Световой поток измеряет только свет, излучаемый на видимых длинах волн, около 400-750 км.
Определение люменов: Люмен — это единица световой мощности или потока.
Световая мощность или световой поток указаны в люменах на упаковке лампы и являются объективным измерением. Люмены измеряют свет во всех направлениях от источника. Эти световые измерения варьируются в зависимости от пространства.
Такие термины, как фут-канделябр и люкс, часто используются для описания интенсивности света.

Понимание силы света

Кандела — это единица силы света, используемая в качестве объективного измерения количества света под одним углом. Это неэффективное измерение освещенности, но оно обычно используется для измерения кандел в фонариках, прожекторах и лазерных указках.
Определение канделы: Сила света измеряется в канделах. Термин происходит от ошибочного убеждения, что одна свеча излучает одну канделу. Правила измерения света стали более строгими с текущим определением:
: «Кандела — это сила света в заданном направлении источника, который излучает монохроматическое излучение с частотой 540 x 1012 герц и имеет силу излучения в этом направлении 1 /683 Вт на стерадиан». Из http://physics.nist.gov/cuu/Units/current. html

Обзор люменов и силы света

Подводя итог,

Световой поток измеряет общее количество света, излучаемого источником света
Люмен — единица светового потока
Сила света измеряет количество света, излучаемого в одном направлении
Кандела — единица силы света

Один из способов объяснить люмены и канделы — представить себе помещение прозрачной сферы высотой один метр над зажженной свечой. Свеча производит одну канделу равномерно во всех направлениях. Когда вы вырезаете отверстие площадью 1 квадратный метр в центре сферы, вы получаете один люмен света.
Если говорить на практике,
Если вам нужен всенаправленный свет, посмотрите на люмены. Если вы хотите узнать уровень яркости фонарика, проверьте рейтинг канделы.

Расчет люменов и кандел

1 лм = один люмен
1 кд = одна кандела
sr = стерадиан (квадратный радиан, один квадратный радиан общей сферы можно рассчитать с помощью уравнения A = r², где r представляет собой радиус сферы.

Формула будет выглядеть так,

1 пм = 1 кд * 1
1 люмен = 1 кандела; источник света с силой света в 1 канделу дает световой поток в 1 люмен на сфере площадью 1 кв.

Это же уравнение даст вам световой поток от сферы. Первым шагом является вычисление площади поверхности сферы.

4π r² = 4*3,14*1=12,56ср

Взяв предыдущее уравнение 1лм = 1кд * ср и интенсивность света 1кд , вместе с площадью поверхности сферы 12,57м² , мы можем рассчитать:

1лм = 1кд * 12,57ср
лм= 12,57; источник света силой 1 кандела производит 12,57 люмен светового потока в сфере радиусом 1 метр (или площадью поверхности 12,57 м²).

Вы используете тот же расчет, чтобы найти канделы.

1кд = 1лм/ср

По новой формуле 1кд = 1 лм/ср и вводя световой поток 700лм и площадь поверхности сферы 12,57м², мы можем рассчитать силу света лампочки:

1лм/ср = 1кд
700 лм/12,57ср ≈ 56 кд

Эта же формула дает вам стерадиан. Используя этот пример, ответ составляет один стерадиан.

Чтобы изучить расчеты, необходимые для определения освещенности и фут-свечей, вам необходимо прочитать часть 2 блога об измерениях освещения. Не волнуйтесь, он уже доступен, и вы можете прочитать его здесь.

Люмен, кандела и углы обзора

Используя уравнение 1cd = 1lm/sr, вы можете найти угол обзора или угол вершины, увеличив канделы или силу света и уменьшив стерадиан. Обратное применяется, когда вы используете уравнение, чтобы показать, что угол обзора пропорционален силе света прибора.
Если вы хотите определить угол вершины светового луча, вам нужно использовать другую формулу. Угол при вершине расположен в точке оси, где сила света уменьшается на 50%.
Измерение угла при вершине в градусах,
Ω = 2π(1−cos(α/2))
Используя угол при вершине 40°, уравнение выглядит следующим образом:

Ом = 2π (1 − cos (40/2))
Ом ≈ 2*3,14*(1-0,94)
Ом ≈ 6,28*0,06
Ом ≈ 0,38ср

Рассчитайте световой поток светильника с силой света в 1 канделу и углом обзора 40°. Ваше новое уравнение:

1 лм = 1 кд * ср
п.м. = 1*0,38
лм ≈ 0,38

Полное уравнение для определения угла при вершине или стерадиан:

Φ=I2π(1−cos(α/2))
люмен = кандела*2π*(1-cos (угол при вершине/2)
Φ – световой поток (лм)
I – сила света (кд)
π – константа (≈3,14)
α – угол при вершине (°)

Вы можете найти канделы, подставив люмены и стерадиан в это уравнение,

I=Φ/(2π*(1−cos½*α))
кандел = люмен/(2π*(1-cos½*угол при вершине))

Чтобы применить уравнение на практике. У вас есть лампа, производящая силу света 3 кд с углом при вершине 40°, и вы хотите знать люмены для источника света, который соответствует вашему уравнению,

Φ=I2π(1−cos(α/2))
лм = 3cd*2*π*(1-cos (40°/2))
лм = 18,84*0,06
лм ≈ 1,13 (осветительный прибор с силой света 3 кд при угле вершины 40° будет давать световой поток около 1,13 люмен)

При увеличении угла обзора до 70° и увеличении силы света до 3 кд световой поток также должен увеличиться.

лм = 3cd*2*π*(1-cos (70°/2))
лм ≈ 3,39

При увеличении угла при вершине и неизменной силе света световой поток также увеличивается. Но как насчет проверки уравнения в обратном порядке? Если угол при вершине остается равным 70°, но интенсивность света снижается до 1,5 кд, источник света должен производить меньше люменов. Используя формулу,

лм = 1,5 кд*2*π*(1-cos (70°/2))
лм ≈ 1,69

Измерение освещенности показывает уменьшение люменов с 3,39 до 1,69.

Пересчет люменов и кандел

Люмен — это единица светового потока, которая измеряет общее количество видимого света, излучаемого светильником во всех направлениях. Световой поток измеряет свет, излучаемый в одном направлении. Кандела – это единица светового потока.
Для расчета люменов, когда вы знаете канделы и угол света, вы используете уравнение,

1лм = 1кд*ср.

Канделас описал яркость света под углом и часто применяется к фонарикам, прожекторам и лазерным указкам.