Люкс, люмены, фут-свечи и ниты: четыре единицы для измерения разных характеристик света

Три величины, а не одна

На вопрос «Насколько это ярко?» отвечают три принципиально разные физические величины, каждая со своим семейством единиц, и ни одна из них не преобразуется в другую без дополнительной информации о геометрии или свойствах поверхности. Смешивание этих величин — например, вопрос о том, сколько «люксов» производит светильник — это ошибка категории, а не ошибка единиц, потому что выход источника света правильно измеряется совершенно другими единицами.

Световой поток: что излучает источник

Люмен (лм) измеряет полный световой выход источника во всех направлениях, независимо от расстояния и от того, на что падает свет. На упаковке лампочки указаны люмены, потому что это единственный показатель, описывающий саму лампочку, а не комнату, в которой она находится.

Освещённость: что падает на поверхность

Люкс (лк) — это один люмен на квадратный метр: сколько из излучённого света фактически падает на данную площадь, что зависит от полного выхода источника, расстояния от него (убывающего с квадратом расстояния) и угла падения. Имперский эквивалент, фут-свеча (fc), — это один люмен на квадратный фут. Поскольку квадратный фут меньше квадратного метра, тот же свет, распределённый по меньшей площади, даёт большее значение: ровно 1 fc = 10,76391 лк, выведено из точного соотношения 1 ft² = 0,09290304 м² (так как 1 ft = 0,3048 м точно), поэтому 1 fc = 1 лм/ft² = 1/0,09290304 лм/м² = 10,76391042… лк. Освещённость — это то, что измеряет люксметр, и то, что указывают в строительных кодексах и руководствах по растениеводческому освещению.

Светлота: что достигает глаза от поверхности

Нит — формально кандела на квадратный метр (кд/м²), «нит» — неформальное, но почти универсальное название для этой единицы — измеряет свет, излучаемый или отражённый поверхностью в направлении наблюдателя, что и определяет, насколько яркой выглядит эта поверхность. Две поверхности, находящиеся в условиях одинаковой освещённости, могут иметь очень разную светлоту: лист матового чёрного картона и лист белой бумаги под одной и той же настольной лампой получают одинаковую освещённость, но белая бумага отражает гораздо большую часть света обратно к вашему глазу и выглядит намного ярче. Ниты — это единица, используемая для измерения яркости дисплеев, потому что экран не отражает окружающий свет — он излучает собственный свет, поэтому светлота, а не освещённость, является релевантной величиной.

Почему вы не можете свободно преобразовывать между ними

Для перехода от люменов к люксам необходима площадь, на которую распределён свет — это вопрос геометрии, на который сама единица ответить не может. Для перехода от люкс (света, падающего на поверхность) к нитам (света, излучаемого этой поверхностью) необходимо знать коэффициент отражения поверхности, так как поверхность может излучить обратно только часть получаемого света. Для идеальной матовой (ламбертовской) отражающей поверхности соотношение выглядит так:

L = E × ρ ÷ π

где L — светлота в кд/м², E — освещённость в люксах, и ρ — коэффициент отражения поверхности (от 0 до 1). Белая офисная бумага отражает примерно 80% падающего на неё света (ρ ≈ 0,8). При типичном офисном освещении 500 лк светлота этой бумаги получается 500 × 0,8 ÷ π ≈ 127 кд/м² — заметно тусклее, чем ноутбук рядом с ней, который самоизлучает 250–400 нит, хотя «комната» освещена только 500 лк. Освещённость описывает помещение; светлота описывает то, что ваш глаз фактически получает от конкретной поверхности в нём, и эти две величины часто различаются в несколько раз.

Типичные уровни освещённости для масштаба

Конкретный пример ошибочной цифры, распространившейся в литературе

Освещённость от лунного света — это поистине полезный пример того, как правдоподобное число может распространяться быстрее, чем измерения, на которых оно основано. Круглая цифра в «1 люкс» для лунного света при полной луне широко циркулирует в справочниках по дизайну освещения и руководствах по экспозиции в фотографии; тщательная фотометрическая работа показывает, что реальная цифра примерно на порядок ниже. Статья эколога Трэвиса Лонгкора 2017 года «How bright the moon» проследила один конкретный, задокументированный случай такой ошибки в экологической литературе по освещению: в статье 1999 года была неправильно обозначена измеренная кривая освещённости для луны, освещённой на 75% — не полной луны, и не луны в первой четверти — как «свет луны в четверти», и по крайней мере два более поздних документа повторили неправильно обозначенную цифру без обращения к исходным фотометрическим данным. Собственная рабочая оценка Лонгкора для типичной освещённости на поверхности земли при полной луне, после учёта высоты луны над горизонтом и атмосферного поглощения вместо идеализированного надголовного значения, приближается к 0,1 люкса — цифре, которую этот сайт использует выше — значительно ниже сокращённого варианта «1 люкс», который продолжает циркулировать во вторичных источниках, никогда не ссылающихся на первичные измерения.

Механизм одинаков независимо от того, какая конкретная ошибка её вызвала: как только число повторяется в обзорной статье или таблице без приложенных исходных данных, последующие авторы цитируют обзор вместо того, чтобы что-либо перемеривать, и цифра, которая была неправильной или правильной только при узких условиях, которые никто не переформулировал, выживает бесконечно. Это фотометрический пример того же предостережения, которое этот сайт пытается применить к своим собственным цифрам: правдоподобное круглое число — это не то же самое, что проверенное.

Выбор правильной единицы

Спросите себя, что вы фактически измеряете, прежде чем выбирать единицу. Полный выход источника: люмены. Свет, падающий на поверхность: люксы или люмены на квадратный фут. Яркость поверхности или самосветящегося дисплея, как она выглядит для глаза: ниты. Ни одна из трёх не заменяет две другие, потому что каждая отвечает на другой физический вопрос.