20.08.2020

Раз уж мы имеем дело со светом - не мешало бы научится мерить его силу, что бы понимать насколько ярко светит собранный нами светильник, и с чем эту яркость можно было бы сравнить. В большинстве статей в качестве примера будет приводится обычная лампа накаливания 100Вт. Такая лампа является Ламбертовским источником света, имеет силу света - 100 Кандел (100 Свечей) и световой поток около 1500 Люмен (примерно 15 Люмен на Ватт). Разберёмся по порядку!

Люмены – Канделы –Люксы

У светодиодов, особенно мощных, часто указывается тип распределения света. Как правило это Ламбертовская диаграмма. Дальше мы ее и будем рассматривать как самую распространенную. Что этот термин обозначает? "Ламбертовский" светодиод светит во все стороны одинаково, независимо от направления. Если бы светодиод был шариком, он бы во все стороны светил одинаково - вот суть диаграммы Ламберта. Что бы было понятно - солнце - это ламбертиановский источник. Обычная лампочка на 100Вт – это тоже Ламбертовский источник света - поверхность излучающая свет во все стороны равномерно. 

Возьмём светодиод и наложим на него систему координат X Y. Точка (a) – начало координат. Угол < f a h - это видимый угол свечения. Максимальная яркость света у светодиода будет в точке (e) – эта точка находится прямо перпендикулярно кристаллу светодиода. Перемещаясь по окружности от точки (e) влево и вправо яркость будет уменьшаться. И в какой то точке (c) и точке (b) яркость будет в два раза меньше яркости точки (e). Угол < b a c - и будет называться углом половинной яркости. И чем он ближе по величине к видимому углу свечения – тем лучше. За пределами этого угла тоже есть свет, но характеристикой угла половинной яркости будет только угол < b a c.

Буквально на пальцах и разными языками попробуем понять различие и отношение между Люменами и Канделами.

Кандела

Силой света ( I ) (Кандела кд) называют световой поток Ф, рассчитанный на телесный угол, равный стерадиану, т. е. отношение светового потока Ф, заключенного внутри телесного угла W, к этому углу:

I = Ф / W

Т.е. – это тот поток, который идет по определенному направлению или падает на определенную площадку.

Телесный угол W равен отношению площади поверхности s, вырезанной на сфере конусом с вершиной в точке S, к квадрату радиуса r сферы: W = s / r²

Если s = r², то телесный угол равен единице и называется стерадианом (ср)

Телесный угол, охватывающий все пространство вокруг источника, равен 4π • ср, ибо площадь полной поверхности сферы единичного радиуса есть 4π .

В канделах измеряется сила света направленных источников света, например, таких как светодиод в 5мм корпусе имеющий как правило линзу от 10 до 160 градусов, если быть точнее то в миликанделах 1Кд=1000мКд. У мощных светодиодов измерение в канделах не приветствуется. Всё по тому, что мощные светодиоды имеют Ламбертовскому диаграмму и оцениваются количеством светового потока измеряемого в Люменах.

Люмен

Световым потоком ( Ф ) называют проходящую через данную поверхность в единицу времени световую энергию, оцениваемую по зрительному ощущению:

Ф = W / t (световой поток, испускаемого с единицы площади источника)

За единицу светового потока принят Люмен (обозначается лм). Люмен есть световой поток, испускаемый точечным источником, сила света которого равна 1 кд, внутри единичного телесного угла (т. е. угла, равного 1 ср).

1 лм = 1 кд • 1 ср

Ф = I • W

На «пальцах» это выглядит так. Вот у нас есть бочка и литровая банка (представим что бочка и банка это два разных телесных угла: бочка – это будет большой угол, а банка угол поменьше). Обе эти ёмкости наполнены водой. Затем мы берём одинаковое количество сахара(сахар будет люменами) и засыпаем в каждую из этих ёмкостей равное количество сахара например по 1кг сахара. Засыпали и размешали. В бочке - (в первом телесном угле) получилась не сильно сладкая вода, т.к. весь сахар рассредоточился по всему большому объёму воды в бочке или можно сказать что люмены рассредоточились по всему телесному углу, а в литровой банке (второй телесный угол) вода сладкая до безобразия, там тоже эти воображаемые люмены рассредоточились, но плотнее чем в бочке. Так вот! В этой аналогии концентрация сахара в бочке и банке и есть наши Канделы т.е. сила света. Чем больше телесный угол тем меньше сила света (Кд) при одинаковом световом потоке(Лм), потому что люмены как бы рассредоточиваются по всему этому телесному углу. Чем больше ёмкость с водой, тем менее сладкой получалось бы вода при одинаковом количестве сахара.

Теперь когда мы знаем что такое Люмены и Канделы можно перейти и к Люксам.

Люкс

Единицей измерения освещённости служит люкс (1 люкс = 1 люмену на квадратный метр)

E=Ф/σ

Освещенность 1 лк получается на поверхности сферы радиуса 1 м, если в центре сферы помещен точечный источник, сила света которого равна 1 кд.

При чём освещённость прямо пропорциональна силе света источника света. При удалении его от освещаемой поверхности её освещённость уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Другими словами если мы возьмём обычную лампу накаливания подвесим её в центре комнаты и померим освещённость люксметром на расстоянии от неё 1м люксметр покажет к примеру 100Лк а на расстоянии 2м от лампочки люксметр покажет 25Лк. Когда же лучи света падают наклонно к освещаемой поверхности, освещённость уменьшается пропорционально косинусу угла падения лучей.

Люкс (от лат. lux — свет)

Типичная освещённость.

Прямые солнечные лучи в полдень 100 000 Лк

В светлой комнате 150 Лк

На рабочем столе для тонких работ 300 Лк

От полной луны 0,2 Лк