Các đại lượng và đơn vị đo ánh sáng

CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐO ÁNH SÁNG

Cường độ sáng - Luminous Intensity

Cường độ sáng là đại lượng quang học cơ bản dùng trong việc đo thông số nguồn sáng, là một trong 7 đơn vị cơ bản của hệ thống đo lường quốc tế (m: mét, kg: kilogam, s: giây, A: Ampe, K: kelvin, mol, cd: candela). Khái niệm cường độ sáng thể hiện mật độ năng lượng phát ra từ một nguồn sáng trong một hướng cụ thể, hay có thể được định nghĩa là quang thông theo một hướng nhất định phát ra trên một đơn vị góc khối (1cd = 1 lumen/steradian). Từ tháng 10-1979 CIE đưa ra định nghĩa mới của candela: candela là cường độ sáng theo một phương của nguồn sáng đơn sắc có bước sóng = 555nm và có cường độ năng lượng theo phương này là 1/683 w/steradian.

Đơn vị đo cường độ sáng là candela (cd), chữ candela trong tiếng Latinh có nghĩa là "ngọn nến". Một ngọn nến thông thường phát ra ánh sáng với cường độ ánh sáng khoảng một candela, nếu một số hướng bị che khuất thì nguồn sáng này vẫn có cường độ khoảng một candela trong các hướng mà không bị che khuất.

Để biểu diễn sự phân bố cường độ sáng trong không gian người ta thường sử dụng hệ toạ độ cực mà gốc là nguồn sáng và đầu mút là các vectơ cường độ sáng. Trong thực tế, biểu đồ này được biểu diễn trong mặt phẳng hoặc nửa mặt phẳng bằng cách vẽ đường cong cắt bề mặt này bởi một số mặt phẳng kinh tuyến xác định. Với các nguồn đối xứng tròn xoay thì chỉ cần cắt bởi một mặt phẳng kinh tuyến. Các phép đo cường độ sáng phải thực hiện trong phòng đo được thiết kế chuyên biệt và sử dụng thiết bị đo gọi là goniophotometers.

Bảng cường độ sáng của một số nguồn sáng

Nguồn sáng	Cường độ sáng (cd)
Ngọn nến	0,8cd theo mọi phương
Đèn sợi đốt 40w	35cd theo mọi phương
Đèn halogen kim loại có bộ phản xạ	14.800cd theo mọi phương, 250.000cd ở tâm chùm tia

Quang thông - Luminous Flux

Quang thông là đại lượng trắc quang cho biết công suất bức xạ của chùm ánh sáng phát ra từ một nguồn sáng, hoặc định nghĩa khác quang thông là thông lượng ánh sáng phát ra từ một nguồn sáng theo mọi hướng trong một giây. Đơn vị đo quang thông là lumen (lm). Để đo quang thông của một nguồn sáng nhân tạo thông thường người ta sử dụng một thiết bị đo chuyên dụng gọi là Photometric hay còn gọi là Integrating sphere

Bảng quang thông của một số nguồn sáng thông dụng

Nguồn sáng	Quang thông (lm)
Bóng đèn cao áp sodium 250W	27.000lm
Bóng đèn cao áp sodium 400W	47.000lm
Chipleds Cree XT-E LEDs Ra>70 CCT~4000K	168lm @(Tj=85°C, IF=350mA, VF=2,85V)
Chipleds Philips Luxeon 3030/2D Ra>70 CCT~4000K	99lm @(Tj=25°C, IF=100mA)

Độ chói - Luminance

Để đặc trưng cho khả năng bức xạ ánh sáng của nguồn hoặc bề mặt phản xạ gây nên cảm giác chói sáng đối với mắt, người ta đưa ra định nghĩa độ chói là đại lượng xác định cường độ ánh sáng phát ra trên một đơn vị diện tích của một bề mặt theo một hướng cụ thể nó ước lượng ánh sáng mà mắt người có thể cảm nhận và phụ thuộc vào hướng quan sát. Độ chói đóng vai trò cơ bản trong kỹ thuật chiếu sáng, nó là cơ sở của các khái niệm về tri giác và tiện nghi thị giác. Đơn vị đo độ chói là candela/m2 (cd/m2).

Bảng độ chói của một số nguồn sáng thông dụng

Nguồn sáng	Độ chói (cd/m2)
Bề mặt mặt trời	165.107 cd/m2
Bề mặt mặt trăng	1500 cd/m2
Bầu trời xanh	1500 cd/m2
Bầu trời xám	1000 cd/m2
Giấy trắng khi độ rọi 400 lux	80 cd/m2
Bề mặt đường nhựa chiếu sáng với độ rọi 30lux	1,2~2 cd/m2

Độ rọi - Illuminance

Độ rọi là đại lượng đặc trưng cho bề mặt được chiếu sáng, biểu thị mật độ quang thông trên bề mặt có diện tích S. Đơn vị đo độ rọi là Lux, một lux là mật độ quang thông của một nguồn sáng 1 lummen trên diện tích 1 m2 (1 lux = 1 lm/m2). Khi mặt được chiếu sáng không đều độ rọi được tính bằng trung bình đại số của độ rọi các điểm.
Khái niệm của độ rọi, ngoài nguồn sáng ra còn liên quan đến vị trí của mặt được chiếu sáng sáng. Khi xét nguồn sáng là một điểm O cường độ sáng I bức xạ tới một mặt nguyên tố dS ở cách O một khoảng R thì độ rọi trên bề mặt nguyên tố dS sẽ thay đổi với độ nghiêng tương đối của bề mặt (góc giữa pháp tuyến dS và phương R) và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách R.

Bảng độ rọi trên một số bề mặt thường gặp

Địa điểm được chiếu sáng	Độ rọi (lux)
Ngoài trời giữa trưa nắng	100.000 lux
Ngoài trời giữa trưa đầy mây	10.000 lux
Phòng làm việc	300~500 lux
Đường phố được chiếu sáng về đêm	20~50 lux

Nhiệt độ màu - Correlated Color Temperature(CCT)

Nhiệt độ màu của một nguồn sáng được thể hiện theo thang Kelvin (K) là biểu hiện màu sắc của ánh sáng do nó phát ra. Tưởng tượng một thanh sắt khi nguội có màu đen, khi nung đều đến khi nó rực lên ánh sáng da cam, tiếp tục nung nó sẽ có màu vàng, và tiếp tục nung cho đến khi nó trở nên “nóng trắng”. Tại bất kỳ thời điểm nào trong quá trình nung, chúng ta có thể đo được nhiệt độ của thanh thép theo độ Kelvin (00C ứng với 273,15K) và gán giá trị đó với màu được tạo ra.

Đối với đèn sợi đốt, nhiệt độ màu chính là nhiệt độ bản thân nó. Đối với đèn huỳnh quang, đèn phóng điện (nói chung là các loại đèn không dùng sợi đốt) thì nhiệt độ màu chỉ là tượng trưng bằng cách so sánh với nhiệt độ tương ứng của vật đen tuyệt đối bị nung nóng. Khi nói đến nhiệt độ màu của đèn là người ta có ngay cảm giác đó là nguồn sáng “ấm”, “trung tính” hay là “mát”. Nói chung, nhiệt độ càng thấp thì nguồn càng ấm, và ngược lại.

Bảng nhiệt độ màu của một số nguồn sáng

Nguồn sáng	Nhiệt độ màu (K)
Bầu trời xanh	10.000K ~ 30.000K
Ánh sáng trời mây	6000K ~ 8000K
Đèn huỳnh quang ánh sáng ban ngày	6200K
Đèn huỳnh quang ánh sáng ấm	3000K
Đèn cao áp metal halide	4100K
Đèn sợi đốt	2500K
Ngọn nến	1800K

Chỉ số hoàn màu - Color Render Index CRI (Ra)

Chỉ số hoàn màu (hay còn được gọi là: Độ hoàn màu; Độ trả màu hoặc Chỉ số kết xuất màu) là một đại lượng biểu thị về khả năng của một nguồn sáng nhân tạo so với nguồn sáng lý tưởng hoặc tự nhiên khi so sánh độ trung thực màu sắc của vật được nguồn sáng chiếu tới. Các nguồn ánh sáng với CRI cao là mong muốn trong các ứng dụng quan trọng đến màu sắc, ví dụ như bàn trang điểm, shop thời trang, chăm sóc trẻ sơ sinh, phục hồi nghệ thuật... nên sử dụng nguồn sáng có CRI càng cao càng tốt.

Chỉ số hoàn màu được ký hiệu là CRI (hoặc Ra), giá trị CRI cao nhất bằng 100, CRI=100 là chỉ số hoàn màu của một nguồn sáng đã được chuẩn hóa có ánh sáng giống hệt như ban ngày. CRI của các nguồn sáng khác sẽ thấp hơn 100, ví dụ bóng đèn sợi đốt Halogen có CRI~100, bóng đèn huỳnh quang CRI~50, bóng đèn LED CRI>70 hoặc như CRI của bóng đèn natri áp thấp là có giá trị âm.

Khái niệm chỉ số hoàn màu CRI được bắt đầu đề cập từ năm 1964, về cơ bản chỉ số đo là kết quả tham chiếu dựa trên sự xuất hiện của tám mảng màu sắc được hiển thị khi chiếu sáng bởi một nguồn sáng so với những mảng màu sắc tương tự được hiển thị dưới nguồn ánh sáng tiêu chuẩn (CRI=100). Tuy nhiên, cách đánh giá này chưa quan tâm đầy đủ đến độ bão hòa màu của nguồn sáng, nghĩa là nếu một hoặc hai màu hiển thị kém trong khi tất cả các màu khác hiển thị rất tốt thì chỉ số CRI không bị trừ nhiều và vẫn đạt được giá trị cao. Vì vậy, năm 2005 CIE đã đưa ra một khái niệm mới để khắc phục sự không hiệu quả của CRI và chỉ số mới này được gọi là Chỉ số chất lượng màu CQS (Color Quality Scale).

CQS (Color Quality Scale) là một thước đo định lượng về khả năng của một nguồn sáng để tái tạo màu sắc của các vật thể được chiếu sáng bởi nguồn sáng đó. Tương tự như CRI, giá trị cao nhất của CQS vẫn là 100, tuy nhiên CQS không có giá trị âm, do vậy thang đo của CQS là từ 0 đến 100. CQS được thiết kế sao cho điểm số của nó được giảm đi nếu một trong hai màu xuất hiện kém ngay cả khi tất cả các màu khác đều được hiển thị tốt, và như vậy cho điểm 0 cho các nguồn sáng không có màu (ví dụ như đèn sodium áp suất thấp).

Quang hiệu - Luminous Efficacy

Quang hiệu (hoặc thường gọi là hiệu suất phát quang) thể hiện đầy đủ khả năng biến đổi năng lượng mà nguồn sáng tiêu thụ thành quang năng. Quang hiệu là tỷ số giữa quang thông do nguồn sáng phát ra và công suất điện mà nguồn sáng tiêu thụ, nghĩa là 1W điện tạo ra được bao nhiêu lumen, đơn vị đo lường quang hiệu là lm/w.

Thực tế ứng dụng thì nguồn sáng (bóng đèn) ít khi hoạt động được độc lập mà bắt buộc phải đi kèm cả bộ đèn. Hầu hết các loại nguồn sáng đều cần phải lắp thêm các thiết bị điện khác mới có thể hoạt động được. Đối với một bộ đèn được thiết kế để cho phù hợp với yêu cầu chiếu sáng cụ thể thì ngoài tổn hao của các thiết bị điện đi kèm này còn có thêm tổn hao quang thông của nguồn sáng do cấu trúc buồng quang học, do vấn đề tản nhiệt... của chính bộ đèn đó. Vì vậy ở đây cần phân biệt rõ quang hiệu của nguồn sáng và quang hiệu của cả bộ đèn.

Thông thường các nhà sản xuất nguồn sáng chỉ công bố quang hiệu của nguồn sáng đo được trong điều kiện tiêu chuẩn và không tính đến tổn hao của các thiết bị điện đi kèm, còn các nhà sản xuất bộ đèn thì tùy theo chủng loại đèn mà họ có thể công bố hiệu suất phát quang của nguồn sáng, hoặc công bộ hiệu suất phát quang của cả bộ đèn, hoặc công bố đồng thời cả hai.