Cosa sono i lumen, i lux, i nit e le candele?

Nella nostra vita quotidiana, la luce è sempre presente: dalle lampade nelle nostre case ai display dei nostri telefoni cellulari, dalla luce del sole all'aperto alle luci al neon di notte. Ci circonda in una miriade di forme. Per descrivere le proprietà della luce, sono indispensabili alcune unità fisiche specializzate: lumen, lux, nits e candele sono quattro delle più importanti. Anche se apparentemente astratte, queste unità sono intrinsecamente legate alla nostra percezione della luce e alle sue applicazioni pratiche. Dalla scelta di lampadine di luminosità adeguata alla progettazione di effetti di visualizzazione per gli schermi, fino a campi specializzati come la fotografia e l'illuminotecnica, queste unità svolgono un ruolo indispensabile.

Tuttavia, molte persone spesso trovano questi quattro concetti confusi, faticando a distinguere chiaramente i rispettivi significati e applicazioni. Pertanto, chiarire i concetti di queste quattro unità e definire le proprietà ottiche che descrivono è di grande importanza per comprendere e utilizzare meglio la luce.

1. Il lumen è un'unità di misura della luce, simile al watt, ma la sua misurazione tiene conto della sensibilità dell'occhio umano. Quando si esaminano le specifiche di una sorgente luminosa, i lumen misurano l'emissione totale della sorgente, indipendentemente dalla direzione in cui viene emessa la luce.

2. Lux indica il numero di lumen ricevuti per metro quadro. Nel linguaggio comune si parla di ‘illuminamento’, anche se nell'ambito dell'ottica si parla di ‘illuminamento’. Indica la quantità di luce che cade su una determinata superficie.

3. Il nit è il numero di lumen per metro quadrato per steradiante, che potremmo definire ‘luminosità’ in termini quotidiani, anche se nel settore viene definito ‘luminanza’. Se un illuminamento di 1 lux cade su una superficie ideale che riflette la luce, produce una luminanza di 1 nit.

4. Il candela è il numero di lumen per steradiante. Si utilizza per le sorgenti luminose puntiformi, consentendo di calcolare la quantità di luce ricevuta da qualsiasi superficie illuminata, indipendentemente dalla sua posizione.

In altre parole, la candela misura l'intensità luminosa attraverso una sfera immaginaria centrata sulla sorgente luminosa. Per una sorgente puntiforme isotropa, una candela equivale a un lumen per steradiante. Una sfera completa che circonda la sorgente luminosa comprende 4π (circa 12,6) steradianti. Di conseguenza, una sorgente luminosa isotropa che emette 12,6 lumen produce un'intensità luminosa di 1 candela. Questo non si applica completamente ai laser tipici, ma per le sorgenti luminose come le lampade allo xeno ad arco corto costituisce un'approssimazione ragionevole. Tuttavia, la candela può essere definita per una porzione di fascio divergente. Ad esempio, se il laser emette 1 lumen in un intervallo di soli 0,1 steradianti, la sua intensità luminosa sarà di 10 candele.

Il foot-candle è un'unità di misura dell'illuminamento. La Illuminating Engineering Society of North America lo definisce in ANSI/IES RP-16-1996, Terminology of Lighting Engineering, come ‘la densità superficiale del flusso luminoso incidente su un punto di una superficie’.

In parole povere, l'illuminamento è la quantità di luce che raggiunge un punto su una superficie reale o immaginaria. (Non è necessario che questo punto sia situato su una superficie fisica).

Un foot-candle equivale a un lumen per piede quadrato (dove il lumen è l'unità di misura del flusso luminoso o della quantità di luce).

L'intensità luminosa della fiamma di una candela (o, equivalentemente, la sua candela) è di circa 1 candela. Se si posiziona la candela a un metro di distanza da una superficie, l'illuminamento su tale superficie a questa distanza sarà di circa un piede-candela a causa dell'illuminazione della candela. A 2 piedi, l'illuminamento sarà di 1/4 di candela; a 3 piedi, sarà di 1/9 di candela e così via, secondo la legge dell'inverso del quadrato per le sorgenti luminose puntiformi.

La luminosità è un fenomeno psicofisico che non può essere misurato direttamente. Il termine “luminosità fotometrica” veniva usato in passato per indicare la luminanza, ma non è più utilizzato in contesti scientifici o ingegneristici.

Definizione del lume: Il flusso luminoso di una luce monocromatica alla frequenza di 540 terahertz (o a una lunghezza d'onda di circa 555,5 nanometri) con una potenza di 1/683 watt. Vale la pena notare che il lumen è un'unità derivata basata sul candela (1 candela equivale a 1 lumen per steradiante), mentre il candela è un'unità di base (rappresenta la ‘potenza del candela del fascio’ di 1/683 watt per steradiante per la luce monocromatica alla frequenza di 540 terahertz). Per la luce con lunghezze d'onda diverse da 555,5 nanometri, il numero di lumen per watt di energia irradiata è diverso. Per le lunghezze d'onda diverse da 555,5 nanometri, i lumen per watt corrispondono a 683 moltiplicato per il valore della funzione di efficienza luminosa fotopica per quella lunghezza d'onda, quindi diviso per il valore della funzione di efficienza luminosa fotopica a 555,5 nanometri (credo che questo valore sia molto vicino a 1, ma non esattamente 1).

Lumen per watt è un indicatore dell'efficienza nella conversione dell'energia elettrica in energia luminosa. Moltiplicando questo valore per la potenza consumata da un LED si ottiene il suo flusso luminoso (in lumen). I tipici LED rossi, arancioni, gialli o giallo-verdi presentano una caduta di tensione di circa 2 volt e consumano circa 0,04 watt a una corrente standard di 20 milliampere. I LED blu, bianchi o verdi non gialli hanno invece una caduta di tensione di 3,5 volt a 20 milliampere, con un consumo di 0,07 watt.

Il candela è il numero di lumen per steradiante, noto anche come ‘potenza della candela luminosa’. (In pratica, come già detto, la candela è l'unità metrica fondamentale, mentre il lumen è definito in termini di candela). Di conseguenza, il lumen è uguale al candela moltiplicato per l'angolo solido coperto dal fascio. Idealmente, il candela è uguale al lumen diviso per l'angolo solido coperto dal fascio, assumendo che tutta la luce sia contenuta nel fascio e che la ‘potenza di candela’ all'interno del fascio sia costante.

Ci si potrebbe chiedere: che cos'è la sfericità? La sfericità è 1/(4π) dell'intera sfera o 1/(2π) di un emisfero, pari a circa 3283 ‘gradi quadrati’. La formula per calcolare la sfericità in base all'angolo del raggio è la seguente: Sfericità = 2 × π × (1 - cos(0,5 × angolo del fascio))

Pertanto, se si calcola l'angolo sferico coperto dal fascio e lo si moltiplica per il valore di candela (o 1/1000 del valore di millicandela), si può ottenere approssimativamente il flusso luminoso (in lumen)! Tuttavia, poiché il fascio non è distribuito in modo uniforme e non tutta la luce è contenuta nel fascio, questo calcolo è solo approssimativo. Il calcolo dei lumen in base all'angolo del fascio e ai candela può facilmente produrre errori che vanno da +100% a -50%. Per angoli del fascio di 8 gradi o meno, l'emissione effettiva di lumen è in genere superiore a quella prevista da questa formula, poiché il fascio nominale non tiene conto dei fasci secondari ‘aureolati’ che spesso circondano il fascio principale. Si noti inoltre che alcuni valori dell'angolo di apertura del fascio sono eccessivamente ottimistici e possono portare ad aspettative gonfiate per quanto riguarda il flusso luminoso effettivo ricevuto.

In sintesi, le quattro unità ottiche - lumen, lux, nit e candela - descrivono le proprietà della luce da prospettive distinte e costituiscono, nel loro insieme, i parametri essenziali con cui comprendiamo e misuriamo l'illuminazione.

I lumen si concentrano sulla quantità totale di luce emessa da una sorgente luminosa, quantificando il flusso luminoso per indicare la quantità di luce che una sorgente può produrre; i lux, invece, riguardano il flusso luminoso ricevuto per unità di superficie da un oggetto illuminato, riflettendo il grado di illuminazione di un oggetto e rivelando la luminosità di una superficie. Il nit, come unità di misura della luminanza, si applica alle sorgenti areali combinando l'intensità luminosa con l'area di emissione. Viene comunemente utilizzato per descrivere la luminosità visiva di superfici luminose come i display. La candela, invece, è la metrica principale per l'intensità luminosa delle sorgenti puntiformi. Caratterizza la capacità di una sorgente luminosa di concentrare la luce in una direzione specifica, rivelando l'intensità con cui la sorgente stessa emette luce.