Lümen, lüks, nit ve kandela nedir?

Evlerimizdeki lambalardan cep telefonlarımızdaki ekranlara, dışarıdaki güneş ışığından geceleri yanan neon ışıklarına kadar ışık günlük hayatımızda her zaman var. Sayısız formda bizi çevrelemektedir. Işığın özelliklerini tanımlamak için, lümen, lüks, nit ve kandela en önemli dört tanesi olmak üzere bazı özel fiziksel birimler vazgeçilmezdir. Görünüşte soyut olsa da, bu birimler ışık algımız ve pratik uygulamaları ile içsel olarak bağlantılıdır. Uygun parlaklıktaki ampullerin seçiminden ekranlar için görüntü efektlerinin tasarlanmasına ve hatta fotoğrafçılık ve aydınlatma mühendisliği gibi uzmanlık alanlarında bile bu birimler vazgeçilmez bir rol oynamaktadır.

Ancak birçok kişi bu dört kavramı kafa karıştırıcı bulmakta, anlamlarını ve uygulamalarını net bir şekilde ayırt etmekte zorlanmaktadır. Bu nedenle, bu dört birimin kavramlarını netleştirmek ve tanımladıkları optik özellikleri tanımlamak, ışığı daha iyi anlamamız ve kullanmamız için büyük önem taşımaktadır.

1. Lümen, watt'a benzer şekilde ışık için bir ölçü birimidir, ancak ölçümü insan gözünün hassasiyetini dikkate alır. Bir ışık kaynağının özellikleri incelenirken, lümenler ışığın yayıldığı yönden bağımsız olarak ışık kaynağının toplam çıkışını ölçer.

2. Lux, metrekare başına alınan lümen sayısını ifade eder. Günlük dilde buna ‘aydınlık’ diyebiliriz, ancak optik mesleğinde ‘aydınlık’ olarak adlandırılır. Belirli bir yüzeye düşen ışık miktarını gösterir.

3. Nit, steradyan başına metre kare başına düşen lümen sayısıdır ve günlük terimlerle ‘parlaklık’ olarak adlandırılabilir, ancak endüstride ‘parlaklık’ olarak adlandırılır. İdeal bir dağınık yansıtıcı yüzeye 1 lux'lük bir aydınlık düşerse, bu 1 nit'lik bir parlaklık üretir.

4. Kandela, steradyan başına lümen sayısıdır. Noktasal ışık kaynakları için kullanılır ve konumu ne olursa olsun aydınlatılan herhangi bir yüzey tarafından alınan ışık miktarının hesaplanmasını sağlar.

Başka bir deyişle kandela, ışık kaynağını merkez alan hayali bir küre boyunca ışık yoğunluğunu ölçer. İzotropik bir nokta kaynak için, bir kandela steradyan başına bir lümene eşittir. Işık kaynağını çevreleyen tam bir küre 4π (yaklaşık 12,6) steradyanı kapsar. Sonuç olarak, 12,6 lümen yayan izotropik bir ışık kaynağı 1 kandela ışık yoğunluğu üretir. Bu, tipik lazerler için tamamen geçerli değildir, ancak kısa arklı ksenon lambalar gibi ışık kaynakları için makul bir yaklaşım oluşturur. Bununla birlikte, kandela yine de ıraksak bir ışının bir kısmı için tanımlanabilir. Örneğin, lazeriniz yalnızca 0,1 steradyanlık bir aralıkta 1 lümen yayıyorsa, ışık yoğunluğu 10 kandela olacaktır.

Ayak mili bir aydınlık birimidir. Kuzey Amerika Aydınlatma Mühendisliği Topluluğu bunu ANSI/IES RP-16-1996, Aydınlatma Mühendisliği Terminolojisi'nde ‘bir yüzey üzerindeki bir noktaya gelen ışık akısının yüzey yoğunluğu’ olarak tanımlamaktadır.

Daha basit bir ifadeyle, aydınlık, gerçek veya hayali bir yüzey üzerindeki bir noktaya ulaşan ışık miktarıdır. (Bu noktanın fiziksel bir yüzey üzerinde bulunması gerekmez).

Bir foot-candle, foot kare başına bir lümene eşittir (burada lümen, ışık akısı veya ışık miktarı için ölçü birimidir).

Bir mum alevinin ışık yoğunluğu (veya eşdeğer olarak kandelası) yaklaşık 1 kandeladır. Mumu bir yüzeyden bir adım uzağa yerleştirirseniz, bu mesafede yüzeydeki aydınlık, mumun aydınlatması nedeniyle yaklaşık bir ayak mumu olacaktır. 2 fitte, aydınlatma 1/4 fit-mandil olacaktır; 3 fitte, 1/9 fit-mandil olacaktır ve bu, noktasal ışık kaynakları için ters kare yasasına uygun olarak böyle devam edecektir.

Parlaklık, doğrudan ölçülemeyen psikofiziksel bir olgudur. “Fotometrik parlaklık” terimi bir zamanlar parlaklığı ifade etmek için kullanılmıştır, ancak artık bilimsel veya mühendislik bağlamlarında kullanılmamaktadır.

Lümenin tanımı: 1/683 watt gücünde 540 terahertz frekansında (veya yaklaşık 555,5 nanometre dalga boyunda) monokromatik ışığın ışık akısı. Lümenin kandelaya dayalı türetilmiş bir birim olduğunu (1 kandela steradyan başına 1 lümene eşittir), kandelanın ise temel bir birim olduğunu (540 terahertz frekansındaki monokromatik ışık için steradyan başına 1/683 watt'lık ‘ışın kandela gücünü’ temsil eder) belirtmek gerekir. Dalga boyu 555,5 nanometreden farklı olan ışık için, yayılan enerjinin watt'ı başına lümen sayısı farklıdır. 555,5 nanometre dışındaki dalga boyları için watt başına lümen, 683'ün o dalga boyu için fotopik ışık verimliliği fonksiyonu değeri ile çarpılıp 555,5 nanometredeki fotopik ışık verimliliği fonksiyonu değerine bölünmesine karşılık gelir (bu değerin 1'e çok yakın olduğuna inanıyorum, ancak tam olarak 1 değil).

Lümenler Watt başına elektrik enerjisini ışık enerjisine dönüştürmede verimliliğin bir göstergesi olarak hizmet eder. Bu değerin bir LED tarafından tüketilen watt ile çarpılması ışık akısını (lümen cinsinden) verir. Tipik kırmızı, turuncu, sarı veya sarı-yeşil LED'ler yaklaşık 2 voltluk bir voltaj düşüşü sergiler ve 20 miliamperlik standart bir akımda yaklaşık 0,04 watt tüketir. Buna karşılık, mavi, beyaz veya sarımsı olmayan yeşil LED'ler tipik olarak 20 miliamperde 3,5 voltluk bir voltaj düşüşüne sahiptir ve bu da 0,07 watt'lık bir güç tüketimine neden olur.

Kandela, steradyan başına lümen sayısıdır ve ‘ışık-mum gücü’ olarak da bilinir. (Pratikte, daha önce de belirtildiği gibi, kandela temel metrik birimdir, lümen ise kandela cinsinden tanımlanır). Sonuç olarak lümen, kandela ile ışının kapladığı katı açının çarpımına eşittir. İdeal olarak, kandela lümenin ışının kapladığı katı açıya bölünmesine eşittir - tüm ışığın ışın içinde bulunduğu ve ışın içindeki ‘kandela gücünün’ sabit olduğu varsayılır.

Küresellik nedir diye sorabilirsiniz. Küresellik, tüm kürenin 1/(4π)‘si veya bir yarım kürenin 1/(2π)’sidir ve yaklaşık 3283 'kare dereceye' eşittir. Işın açısına bağlı olarak küreselliği hesaplamak için kullanılan formül aşağıdaki gibidir: Küresellik = 2 × π × (1 - cos(0,5 × ışın açısı))

Bu nedenle, ışının kapladığı küresel açıyı hesaplar ve bunu kandela değeri (veya milikandela değerinin 1/1000‘i) ile çarparsanız, kabaca ışık akısını (lümen cinsinden) elde edebilirsiniz! Ancak, ışın eşit olarak dağılmadığından ve tüm ışık ışın içinde bulunmadığından, bu hesaplama yalnızca yaklaşıktır. Lümenlerin ışın açısı ve kandelaya göre hesaplanması kolayca +100% ile -50% arasında değişen hatalara yol açabilir. Nominal ışın genellikle ana ışını çevreleyen ikincil ’halo' ışınları hesaba katmadığından, 8 derece veya daha düşük ışın açıları için gerçek lümen çıkışı tipik olarak bu formülün öngördüğünden daha yüksektir. Ayrıca bazı ışın açısı değerlerinin aşırı iyimser olduğu ve potansiyel olarak alınan gerçek ışık akısı ile ilgili şişirilmiş beklentilere yol açtığı unutulmamalıdır.

Özetle, dört optik birim - lümen, lüks, nit ve kandela - her biri ışığın özelliklerini farklı perspektiflerden tanımlar ve toplu olarak aydınlatmayı kavradığımız ve ölçtüğümüz temel kıstasları oluşturur.

Lümen, bir ışık kaynağı tarafından yayılan toplam ışık miktarına odaklanır ve bir kaynağın ne kadar ışık üretebileceğini göstermek için ışık akısını ölçer; lüks ise, aydınlatılmış bir nesne tarafından birim alan başına alınan ışık akısı ile ilgilidir, bir nesnenin ne derece aydınlatıldığını yansıtır ve bir yüzeyin ne kadar parlak aydınlatıldığını ortaya çıkarır. Bir parlaklık birimi olarak nit, ışık yoğunluğu ile yayma alanını birleştirerek alan kaynaklarına uygulanır. Genellikle ekranlar gibi ışıklı yüzeylerin görsel parlaklığını tanımlamak için kullanılır. Bu arada kandela, noktasal kaynakların ışık yoğunluğu için temel metriktir. Bir ışık kaynağının ışığı belirli bir yönde yoğunlaştırma yeteneğini karakterize eder ve kaynağın kendisinin ne kadar yoğun ışık yaydığını ortaya koyar.