Chúng ta thường thấy dữ liệu quang thông hoặc độ rọi trên bao bì của các bóng đèn huỳnh quang, đèn halogen hay các loại đèn sử dụng năng lượng mặt trời…Có thể bạn hiểu nôm na 2 thông số này đượ dùng để mô ta mức độ sáng của đèn. Nhưng bạn đã thực sự hiểu chi tiết về các định nghĩa quang thông (lumen) và độ rọi (lux) là gì hay chưa? Sự khác biệt giữa chúng là gì?
1. 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.
Cường độ sáng của một số nguồn sáng
- 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
2. Quang thông - lumen là gì?
Quang thông hay thông lượng phát sáng là thước đo tổng lượng ánh sáng nhìn thấy được phát ra từ đèn. Nó khác với thông lượng bức xạ. Thông lượng bức xạ là phép đo của tất cả các bức xạ điện từ phát ra, gồm có hồng ngoại, tử ngoại và ánh sáng nhìn thấy. Quang thông là lượng ánh sáng mà mắt thường của chúng ta có thể thấy được. Nó phản ánh độ nhạy của mắt người bằng cách cân bằng bước sóng với một hàm số độ sáng. Vì vậy, nó là tổng lượng sáng của tất cả các bước sóng ánh sáng trong dải ánh sáng nhìn thấy, ngoại trừ tia hồng ngoại và tia cực tím.
Hàm số độ sáng là gì?
Hàm số độ sáng mô tả độ nhạy tương đối của mắt người với ánh sáng có các bước sóng khác nhau bằng việc đánh giá chủ quan độ sáng của ánh sáng với các màu khác nhau. Điều này không hoàn toàn chính xác 100%, nhưng nó là một giá trị đại diện khá tốt cho độ nhạy thị giác của mắt người và có giá trị như một con số cơ sở cho các thử nghiệm
Đơn vị thông lượng phát sáng và công thức tính quang thông
Đơn vị SI của quang thông là lumen (lm). Lumen được xác định dựa trên candela, là đơn vị của cường độ ánh sáng:
1 lm= 1 cd x sr
Khi góc phát sáng của nguồn sáng là một góc khối và cường độ phát sáng của nó là 1 candela, thì quang thông sẽ là 1 lumen. Trường hợp quang thông vẫn là 1 lumen và góc phát sáng là 1/2 góc khối, thì cường độ phát sáng lúc này là 2 candela.
Từ đó, khi cường độ phát sáng của một điểm nguồn sáng theo mọi hướng là 1 candela, vì là phát sáng mọi hướng nên sẽ có góc khối là 4π steradian (đơn vị SI của gốc khối), thì thông lượng phát sáng của nguồn sáng này sẽ là 4π lumen hay 12,56 lumen.
Quang thông của một số nguồn sáng thông dụng
- 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)
3. Đọ rọi - lux là gì?
Theo trắc quang học, độ rọi là tổng lượng sáng nhìn thấy được trên một đơn vị diện tích, hay nói cách khác là quang thông của nguồn sáng cụ thể trên một đơn vị diện tích.
Mối quan hệ giữa độ rọi và quang thông tương tự như thông lượng bức xạ và thông lượng bức xạ trên một đơn vị diện tích. Tuy nhiên, độ rọi được cân bằng theo độ nhạy của mắt người với ánh sáng có bước sóng mà mắt người bình thường có thể nhìn thấy được.
Đơn vị và cách tính độ rọi
Nhằm hỗ trợ tính toán, ước lượng số lượng bóng đèn cần thiết để chiếu sáng phù hợp cho một không gian nhất định, tránh việc lựa chọn quá ít hoặc quá nhiều dẫn đến trường hợp thiếu ánh sáng hoặc tốn kém chi phí. Tôi sẽ cung cấp cho bạn cách tính độ rọi dựa theo các yếu tố cơ bản tiêu chuẩn dưới đây:
Độ rọi (lux) = Quang thông (lm) / Diện tích cần chiếu sáng (m2)
Từ đó, để tính số lượng bóng đèn bạn cần:
Số lượng bóng đèn = [Diện tích chiếu sáng (m2) x Độ rọi (lux)] / [Công suất đèn (W) x Quang thông (lm)]
Độ rọi trên một số bề mặt thường gặp
- 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
4. 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).
Độ chói của một số nguồn sáng thông dụng
- 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
5. 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.
Nhiệt độ màu của một số nguồn sáng
- 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
6. 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).
7. 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.
Hi vọng với những thông tin trên có thể phần nào bạn đọc cũng đã hiểu rõ về các thông số kỹ thuật trên đèn. Từ đó khi đi mua sắm, có thể lựa chọn loại đèn, số lượng bóng đèn sao cho phù hợp với từng khu vực chiếu sáng (phòng khách, phòng ngủ, phòng tắm…) khác nhau. Việc lựa chọn nguồn sáng phù hợp sẽ giúp mắt của bạn cũng như các thành viên trong gia đình luôn luôn ở trạng thái khỏe mạnh.
