Люмен

Люмен (от лат. lumen — свет) — единица измерения светового потока в Международной системе единиц (СИ). Является одной из семи основных единиц СИ, производной от канделы, и обозначается символом «лм» (русское обозначение) или «lm» (международное). Люмен характеризует количество света, излучаемого источником во всех направлениях за единицу времени, и служит ключевым параметром для оценки яркости осветительных приборов, наряду с люксом (единицей освещённости) и канделой (единицей силы света).

Определение и связь с другими единицами

Согласно определению, принятому на 26-й Генеральной конференции по мерам и весам (2018 год), люмен связан с канделой через телесный угол. Один люмен равен световому потоку, испускаемому точечным изотропным источником с силой света в одну канделу в телесный угол в один стерадиан. Математически это выражается формулой:

1 лм = 1 кд × 1 ср.

В практическом смысле люмен описывает общее количество видимого света, излучаемого источником, в отличие от люкса (лк), который измеряет освещённость поверхности (1 лк = 1 лм/м²). Таким образом, лампа мощностью 1000 лм, расположенная на расстоянии 1 метра от поверхности площадью 1 м², создаёт освещённость 1000 лк, а на расстоянии 2 метров — 250 лк (из-за закона обратных квадратов).

История

Понятие светового потока и единицы его измерения развивались вместе с фотометрией — наукой об измерении света. В XIX веке, с распространением газового и электрического освещения, возникла необходимость в стандартизации. В 1860 году французский физик Жюль Виоль предложил эталон силы света на основе пламени горящего рапсового масла, но он был неточен.

В 1909 году Международная комиссия по освещению (МКО) установила международную свечу как единицу силы света, от которой впоследствии была произведена единица светового потока — люмен. В 1948 году на 9-й Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ) кандела была принята в качестве основной единицы СИ, а люмен — как производная. До 1979 года кандела определялась через излучение абсолютно чёрного тела при температуре затвердевания платины, что давало практическую реализацию люмена. Современное определение (с 2019 года) основано на фиксированном значении световой эффективности монохроматического излучения частотой 540×10¹² Гц, равном 683 лм/Вт.

Спектральная чувствительность и фотометрический эквивалент

Люмен учитывает спектральную чувствительность человеческого глаза, которая описывается функцией относительной спектральной световой эффективности V(λ). Для дневного (фотопического) зрения максимум чувствительности приходится на длину волны 555 нм (зелёный цвет). На этой длине волны 1 Вт оптического излучения эквивалентен 683 лм. Для других длин волн световой поток в люменах рассчитывается по формуле:

Φ_v = 683 × ∫ Φ_e(λ) × V(λ) dλ,

где Φ_e(λ) — спектральная плотность потока излучения (Вт/нм). Таким образом, лампа мощностью 10 Вт, излучающая только в зелёной области, даст световой поток около 6830 лм, а та же мощность в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне даст 0 лм, так как эти длины волн невидимы для человека.

Соотношение с другими единицами

Люмен связан с другими фотометрическими величинами через следующие соотношения:

• Люкс (лк): 1 лк = 1 лм/м². Освещённость в люксах равна световому потоку, падающему на единицу площади.
• Кандела (кд): 1 кд = 1 лм/ср. Сила света в канделах — это световой поток, излучаемый в единицу телесного угла.
• Ватт (Вт): Для монохроматического излучения с длиной волны 555 нм 1 Вт = 683 лм. Для ламп накаливания световая отдача составляет 10–15 лм/Вт, для светодиодов — 100–200 лм/Вт.

Применение

Осветительная техника

Люмен является основной характеристикой для сравнения световой отдачи различных источников света. Производители ламп и светильников указывают световой поток в люменах на упаковке, что позволяет потребителю оценить яркость независимо от потребляемой мощности. Например:

• Лампа накаливания 60 Вт — около 700–800 лм.
• Компактная люминесцентная лампа 15 Вт — около 800–900 лм.
• Светодиодная лампа 10 Вт — около 800–1000 лм.

Проекционная техника и дисплеи

В проекторах и телевизорах яркость часто измеряется в ANSI-люменах — стандартизированном методе измерения светового потока, разработанном Американским национальным институтом стандартов. Для дисплеев используется понятие «нит» (кд/м²), но общий световой поток экрана также может выражаться в люменах.

Фотография и видеосъёмка

В студийном освещении световой поток вспышек и постоянных источников указывается в люменах-секундах (лм·с) для импульсных приборов или в люменах для постоянного света. Это позволяет фотографам рассчитывать экспозицию.

Научные исследования

В фотометрии, астрофизике и биологии люмен используется для измерения светового потока звёзд, люминесцентных материалов и фотосинтетически активной радиации (с учётом спектральной чувствительности).

Типичные значения светового потока

Критика и ограничения

Люмен как единица измерения имеет ограничения, связанные с субъективностью человеческого восприятия. Спектральная функция V(λ) усреднена для стандартного наблюдателя и не учитывает индивидуальные различия (например, возрастные изменения чувствительности глаза). Кроме того, люмен не отражает распределение света в пространстве: два источника с одинаковым световым потоком могут создавать разную освещённость на поверхностях из-за различной диаграммы направленности. Для практических задач освещения часто используют дополнительные параметры: коэффициент пульсации, цветовую температуру и индекс цветопередачи (CRI).

Интересные факты

• В 2019 году, с введением нового определения канделы, люмен стал строго привязан к физическим константам: фиксированному значению световой эффективности 683 лм/Вт для излучения 540 ТГц.
• В быту часто путают люмены и люксы: например, лампа 1000 лм, помещённая в матовый плафон, может дать освещённость 100 лк на расстоянии 1 метра, а без плафона — 300 лк.
• Максимальная теоретическая световая отдача для белого света (с учётом спектральной чувствительности глаза) составляет около 300 лм/Вт, но на практике лучшие светодиоды достигают 200–220 лм/Вт.

Источники

• Международный стандарт ISO 80000-7:2019 «Величины и единицы. Часть 7: Свет».
• Бюро международных мер и весов (BIPM). «The International System of Units (SI)», 9-е издание, 2019.
• ГОСТ 8.417-2002 «Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин».
• Wyszecki, G., Stiles, W. S. «Color Science: Concepts and Methods, Quantitative Data and Formulae», 2-е издание, 1982.