Что такое люмен, люкс, нит и кандела?

В нашей повседневной жизни свет присутствует повсюду — от ламп в наших домах до экранов мобильных телефонов, от солнечного света на улице до неоновых вывесок ночью. Он окружает нас в бесчисленных формах. Для описания свойств света необходимы определенные специальные физические единицы измерения, среди которых люмен, люкс, нит и кандела являются четырьмя наиболее важными. Хотя эти единицы кажутся абстрактными, они неразрывно связаны с нашим восприятием света и его практическим применением. От выбора лампочек подходящей яркости до разработки эффектов отображения на экранах и даже в таких специализированных областях, как фотография и светотехника, эти единицы играют незаменимую роль.

Однако многие люди часто путают эти четыре понятия и затрудняются чётко различить их значения и области применения. Поэтому разъяснение сути этих четырёх единиц измерения и определение описываемых ими оптических свойств имеет огромное значение для лучшего понимания и использования света.

1. Люмен — это единица измерения света, аналогичная ватту, однако при его измерении учитывается чувствительность человеческого глаза. При изучении технических характеристик источника света люмен отражает его общую светоотдачу, независимо от направления излучения света.

2. Люкс обозначает количество люменов, приходящееся на один квадратный метр. В повседневной речи мы можем называть это ‘освещённостью’, хотя в оптике этот термин обозначается как ‘освещённость’. Он указывает на количество света, падающего на данную поверхность.

3. Нит — это количество люменов на квадратный метр на стерадиан, которое в повседневной речи можно назвать ‘яркостью’, хотя в отрасли этот показатель называется ‘светосилой’. Если освещенность в 1 люкс падает на идеальную поверхность с диффузным отражением, это дает светосилу в 1 нит.

4. Кандела — это количество люменов на стерадиан. Эта единица применяется для точечных источников света и позволяет рассчитать количество света, попадающего на любую освещаемую поверхность, независимо от её расположения.

Другими словами, кандела измеряет силу света через воображаемую сферу, центр которой находится в точке источника света. Для изотропного точечного источника одна кандела равна одному люмену на стерадиан. Полная сфера, окружающая источник света, охватывает 4π (примерно 12,6) стерадиан. Следовательно, изотропный источник света, излучающий 12,6 люмен, имеет силу света, равную 1 канделе. Это не в полной мере применимо к типичным лазерам, но для таких источников света, как ксеноновые лампы с короткой дугой, это является разумным приближением. Тем не менее, канделу можно определить и для части расходящегося луча. Например, если ваш лазер излучает 1 люмен в диапазоне всего 0,1 стерадиана, его световая интенсивность составит 10 кандел.

Фут-кандела — это единица измерения освещённости. Североамериканское общество светотехники (IES) определяет её в стандарте ANSI/IES RP-16-1996 ‘Терминология светотехники’ как «плотность светового потока, падающего на точку поверхности».

Проще говоря, освещенность — это количество света, попадающего в точку на реальной или воображаемой поверхности. (Эта точка не обязательно должна находиться на физической поверхности.)

Один фут-кандела равен одному люмену на квадратный фут (где люмен — единица измерения светового потока, то есть количества света).

Сила света пламени свечи (или, что то же самое, её величина в канделах) составляет примерно 1 кандела. Если поместить свечу на расстоянии одного фута от поверхности, освещённость на этой поверхности на таком расстоянии составит примерно одну фут-канделу за счёт света, излучаемого свечой. На расстоянии 2 футов освещенность составит 1/4 фут-канделы; на расстоянии 3 футов — 1/9 фут-канделы и так далее, в соответствии с законом обратных квадратов для точечных источников света.

Яркость — это психофизическое явление, которое невозможно измерить напрямую. Термин “фотометрическая яркость” когда-то использовался для обозначения освещенности, но в настоящее время он больше не применяется в научной и инженерной сферах.

Определение просвета: Световой поток монохроматического излучения с частотой 540 терагерц (или длиной волны примерно 555,5 нанометров) и мощностью 1/683 ватта. Стоит отметить, что люмен является производной единицей, основанной на канделе (1 кандела равна 1 люмену на стерадиан), тогда как кандела является базовой единицей (она представляет собой ‘мощность луча в канделах’ равную 1/683 ватта на стерадиан для монохроматического света с частотой 540 терагерц). Для света с длинами волн, отличными от 555,5 нанометров, количество люменов на ватт излучаемой энергии отличается. Для длин волн, отличных от 555,5 нанометров, количество люменов на ватт соответствует 683, умноженному на значение функции фотопической светоотдачи для данной длины волны, а затем деленному на значение функции фотопической светоотдачи при 555,5 нанометрах (я полагаю, что это значение очень близко к 1, но не равно 1).

Люмены на ватт служит показателем эффективности преобразования электрической энергии в световую. Умножив это значение на потребляемую светодиодом мощность, получаем его световой поток (в люменах). Типичные красные, оранжевые, желтые или желто-зеленые светодиоды демонстрируют падение напряжения примерно в 2 вольта, потребляя около 0,04 ватта при стандартном токе 20 миллиампер. Напротив, синие, белые или нежелтовато-зеленые светодиоды обычно имеют падение напряжения 3,5 вольта при токе 20 миллиампер, что приводит к потребляемой мощности 0,07 ватта.

Кандела — это количество люменов на стерадиан, также известное как ‘световая сила свечи’. (На практике, как отмечалось ранее, кандела является основной метрической единицей, тогда как люмен определяется через канделу.) Следовательно, люмен равен канделе, умноженной на телесный угол, охватываемый пучком света. В идеале кандела равна люмену, деленному на телесный угол, охватываемый пучком света — при условии, что весь свет содержится в пределах пучка и ‘световая мощность’ в пределах пучка постоянна.

Вы вполне можете спросить: что такое сферичность? Сферичность равна 1/(4π) от всей сферы или 1/(2π) от полусферы, что соответствует примерно 3283 ‘квадратным градусам’. Формула для расчёта сферичности на основе угла луча выглядит следующим образом: Сферичность = 2 × π × (1 – cos(0,5 × угол луча))

Таким образом, если вы рассчитаете сферический угол, охватываемый пучком света, и умножите его на значение в канделах (или на 1/1000 от значения в милликанделах), то сможете приблизительно определить световой поток (в люменах)! Однако, поскольку луч распределяется неравномерно и не весь свет находится в пределах луча, этот расчёт является лишь приблизительным. Расчёт светового потока на основе угла рассеивания и значения в канделах может легко привести к погрешностям в диапазоне от +100% до -50%. При углах луча 8 градусов или менее фактическая светоотдача в люменах, как правило, выше, чем предсказывает эта формула, поскольку номинальный луч не учитывает вторичные ‘ореольные’ лучи, которые часто окружают основной луч. Следует также отметить, что некоторые значения углов луча являются чрезмерно оптимистичными, что может привести к завышенным ожиданиям относительно фактического получаемого светового потока.

Таким образом, четыре единицы измерения света — люмен, люкс, нит и кандела — каждая из которых описывает свойства света с определённой точки зрения, в совокупности составляют основные критерии, с помощью которых мы понимаем и измеряем освещённость.

Единица «люмен» отражает общее количество света, излучаемого источником света, и количественно определяет световой поток, показывая, сколько света может излучать источник; единица «люкс», напротив, характеризует световой поток, получаемый освещаемым объектом на единицу площади, отражая степень освещенности объекта и показывая, насколько ярко освещена поверхность. Нит, как единица яркости, применяется к площадным источникам, сочетая интенсивность света с площадью излучения. Он обычно используется для описания визуальной яркости светящихся поверхностей, таких как дисплеи. Кандела, в свою очередь, является основной метрической единицей измерения интенсивности света точечных источников. Она характеризует способность источника света концентрировать свет в определённом направлении, показывая, насколько интенсивно сам источник излучает свет.