¿Qué son los lúmenes, los lux, los nits y las candelas?

En nuestra vida cotidiana, la luz está siempre presente: desde las lámparas de nuestras casas hasta las pantallas de nuestros teléfonos móviles, desde la luz del sol al aire libre hasta las luces de neón por la noche. Nos rodea de múltiples formas. Para describir las propiedades de la luz son indispensables ciertas unidades físicas especializadas: lúmenes, lux, nits y candelas son cuatro de las más cruciales. Aunque aparentemente abstractas, estas unidades están intrínsecamente ligadas a nuestra percepción de la luz y a sus aplicaciones prácticas. Desde la selección de bombillas con la luminosidad adecuada hasta el diseño de efectos para pantallas, e incluso en campos especializados como la fotografía y la luminotecnia, estas unidades desempeñan un papel indispensable.

Sin embargo, a muchas personas estos cuatro conceptos les resultan confusos y les cuesta distinguir claramente sus respectivos significados y aplicaciones. Por lo tanto, aclarar los conceptos de estas cuatro unidades y definir las propiedades ópticas que describen es de gran importancia para que podamos comprender y utilizar mejor la luz.

1. El lumen es una unidad de medida de la luz, similar al vatio, pero su medición tiene en cuenta la sensibilidad del ojo humano. Al examinar las especificaciones de una fuente de luz, los lúmenes miden la potencia total de la fuente luminosa, independientemente de la dirección en la que se emita la luz.

2. Lux designa el número de lúmenes recibidos por metro cuadrado. En el lenguaje cotidiano, podríamos referirnos a ella como ‘iluminancia’, aunque en la profesión óptica se denomina ‘iluminancia’. Indica la cantidad de luz que incide sobre una superficie determinada.

3. El nit es el número de lúmenes por metro cuadrado y por estereorradián, lo que podríamos denominar ‘brillo’ en términos cotidianos, aunque en la industria se denomina ‘luminancia’. Si una iluminancia de 1 lux incide sobre una superficie difusa reflectante ideal, produce una luminancia de 1 nit.

4. Una candela es el número de lúmenes por estereorradián. Se utiliza para fuentes de luz puntuales, permitiendo calcular la cantidad de luz recibida por cualquier superficie iluminada, independientemente de su ubicación.

En otras palabras, la candela mide la intensidad luminosa a través de una esfera imaginaria centrada en la fuente luminosa. Para una fuente puntual isótropa, una candela equivale a un lumen por estereorradián. Una esfera completa que rodea la fuente luminosa abarca 4π (aproximadamente 12,6) estereorradianes. Por consiguiente, una fuente de luz isótropa que emite 12,6 lúmenes produce una intensidad luminosa de 1 candela. Esto no se aplica totalmente a los láseres típicos, pero para fuentes de luz como las lámparas de xenón de arco corto, constituye una aproximación razonable. No obstante, la candela puede definirse para una parte de un haz divergente. Por ejemplo, si su láser emite 1 lumen en un rango de sólo 0,1 estereorradianes, su intensidad luminosa sería de 10 candelas.

El pie-velocidad es una unidad de iluminancia. La Illuminating Engineering Society of North America la define en ANSI/IES RP-16-1996, Terminology of Lighting Engineering, como ‘la densidad superficial del flujo luminoso que incide en un punto de una superficie’.

En términos sencillos, la iluminancia es la cantidad de luz que llega a un punto de una superficie real o imaginaria. (No es necesario que este punto esté situado en una superficie física).

Una candela-pie equivale a un lumen por pie cuadrado (donde el lumen es la unidad de medida del flujo luminoso o cantidad de luz).

La intensidad luminosa de la llama de una vela (o, lo que es lo mismo, su candela) es de aproximadamente 1 candela. Si colocas la vela a un pie de distancia de una superficie, la iluminancia en esa superficie a esa distancia será de aproximadamente un pie-vela debido a la iluminación de la vela. A medio metro, la iluminancia sería de 1/4 pie-vela; a medio metro, sería de 1/9 pie-vela, y así sucesivamente, de acuerdo con la ley del cuadrado inverso para fuentes de luz puntuales.

La luminosidad es un fenómeno psicofísico que no puede medirse directamente. El término “brillo fotométrico” se utilizaba antiguamente para designar la luminancia, pero ya no se emplea en contextos científicos o de ingeniería.

Definición del lumen: Flujo luminoso de luz monocromática a una frecuencia de 540 terahercios (o una longitud de onda de aproximadamente 555,5 nanómetros) con una potencia de 1/683 vatios. Cabe señalar que el lumen es una unidad derivada basada en la candela (1 candela equivale a 1 lumen por estereorradián), mientras que la candela es una unidad de base (representa la ‘potencia candela del haz’ de 1/683 vatios por estereorradián para la luz monocromática a una frecuencia de 540 terahercios). Para la luz con longitudes de onda distintas de 555,5 nanómetros, el número de lúmenes por vatio de energía radiada es diferente. Para las longitudes de onda distintas de 555,5 nanómetros, los lúmenes por vatio corresponden a 683 multiplicado por el valor de la función de eficiencia luminosa fotópica para esa longitud de onda, dividido a continuación por el valor de la función de eficiencia luminosa fotópica a 555,5 nanómetros (creo que este valor es muy próximo a 1, pero no exactamente 1).

Lúmenes por vatio sirve como indicador de la eficacia en la conversión de energía eléctrica en energía luminosa. Multiplicando este valor por la potencia consumida por un LED se obtiene su flujo luminoso (en lúmenes). Los LED rojos, naranjas, amarillos o amarillo-verdosos típicos presentan una caída de tensión de aproximadamente 2 voltios y consumen alrededor de 0,04 vatios con una corriente estándar de 20 miliamperios. En cambio, los LED azules, blancos o verde no amarillentos suelen tener una caída de tensión de 3,5 voltios a 20 miliamperios, lo que se traduce en un consumo de 0,07 vatios.

La candela es el número de lúmenes por estereorradián, también conocido como ‘potencia luminosa’. (En la práctica, como ya se ha indicado, la candela es la unidad métrica fundamental, mientras que el lumen se define en términos de candela). Por consiguiente, el lumen es igual a la candela multiplicada por el ángulo sólido cubierto por el haz. Idealmente, la candela es igual al lumen dividido por el ángulo sólido cubierto por el haz, suponiendo que toda la luz esté contenida en el haz y que la ‘potencia de candela’ dentro del haz sea constante.

Cabe preguntarse qué es la esfericidad. La esfericidad es 1/(4π) de toda la esfera, o 1/(2π) de una semiesfera, lo que equivale aproximadamente a 3283 ‘grados cuadrados’. La fórmula para calcular la esfericidad en función del ángulo del haz es la siguiente Esfericidad = 2 × π × (1 - cos(0,5 × ángulo del haz))

Por tanto, si se calcula el ángulo esférico cubierto por el haz y se multiplica por el valor de candela (o 1/1000 del valor de milicandela), se puede obtener aproximadamente el flujo luminoso (en lúmenes). Sin embargo, como el haz no está distribuido uniformemente y no toda la luz está contenida en el haz, este cálculo es sólo aproximado. Calcular los lúmenes en función del ángulo del haz y de la candela puede dar lugar fácilmente a errores que oscilan entre +100% y -50%. Para ángulos de haz de 8 grados o menos, la salida real de lúmenes suele ser superior a la que predice esta fórmula, ya que el haz nominal no tiene en cuenta los haces secundarios ‘halo’ que a menudo rodean al haz principal. También hay que tener en cuenta que algunos valores de ángulo del haz son excesivamente optimistas, lo que puede dar lugar a expectativas infladas con respecto al flujo luminoso real recibido.

En resumen, las cuatro unidades ópticas -lumen, lux, nit y candela- describen las propiedades de la luz desde distintos puntos de vista y, en conjunto, constituyen los criterios esenciales para comprender y medir la iluminación.

Los lúmenes se centran en la cantidad total de luz emitida por una fuente luminosa, cuantificando el flujo luminoso para indicar cuánta luz puede producir una fuente; el lux, sin embargo, se refiere al flujo luminoso recibido por unidad de superficie por un objeto iluminado, reflejando el grado en que un objeto está iluminado y revelando con qué intensidad se ilumina una superficie. La nit, como unidad de luminancia, se aplica a las fuentes de área combinando la intensidad luminosa con el área emisora. Se utiliza habitualmente para describir el brillo visual de superficies luminosas como las pantallas. La candela, por su parte, es la métrica fundamental de la intensidad luminosa de las fuentes puntuales. Caracteriza la capacidad de una fuente luminosa para concentrar la luz en una dirección específica, revelando la intensidad con la que la propia fuente emite luz.