Lumen
Đơn vị dẫn xuất SI · đại lượng: quang thông
01 · Định nghĩa
Lumen là quang thông do một nguồn có cường độ sáng một candela phát ra trong góc khối một steradian. Đại lượng này mô tả toàn bộ ánh sáng mà nguồn đưa ra ngoài, bất kể nó hướng về đâu.
Chính lumen đã thay watt trên vỏ hộp bóng đèn, khi các điốt phát quang biến công suất thành thước đo độ sáng vô nghĩa: một bóng sợi đốt sáu mươi watt và một điốt tám watt cho cùng tám trăm lumen. Muốn đo trọn quang thông thì phải gom ánh sáng từ mọi hướng — một nguồn phát đều ra mọi phía bức xạ trong bốn pi steradian, tức là số lumen lớn gấp 12,57 lần số candela cường độ sáng của nó. Một đèn pha cùng cường độ nhưng chùm hẹp lại cho quang thông nhỏ hơn hàng chục lần, và chỉ với một con số trên hộp thì không tài nào phân biệt nó với bóng đèn thường.
Watt nói thiết bị ăn bao nhiêu, lumen nói nó cho ra bao nhiêu ánh sáng. Bóng đèn tám mươi watt thời Liên Xô sáng yếu hơn bóng mười watt ngày nay: công suất thì tăng, còn hiệu suất phát quang thì đứng yên.
Bóng sợi đốt cho khoảng mười ba lumen trên watt, bóng halogen hai mươi, đèn huỳnh quang sáu mươi, điốt hiện nay từ một trăm hai mươi đến hai trăm. Giới hạn lý thuyết cho ánh sáng trắng có độ hoàn màu chấp nhận được nằm quanh ba trăm, còn giới hạn tuyệt đối, cho ánh sáng lục đơn sắc, là 683 lumen trên watt — và đó không còn là hạn chế kỹ thuật nữa mà chính là định nghĩa của candela. Khác biệt giữa sợi đốt và điốt giải thích rất đơn giản: sợi tóc nung đỏ bức xạ gần như toàn bộ năng lượng vào vùng hồng ngoại mà mắt hoàn toàn không thấy.
Đầu trên của thang là Mặt Trời: 3,6·10²⁸ lumen. Trong số ấy tới được mặt đất lúc giữa trưa khoảng một trăm nghìn lux, và chẳng bóng đèn nào cãi lại được.
02 · Quy đổi
Nhập một từ thông — phiếu sẽ tách nó ra theo đơn vị
Việc quy đổi sang candela chỉ khả dĩ kèm theo lưu ý về góc khối, nên bảng tính cho trường hợp bức xạ đều ra mọi hướng. Watt ở dòng cuối không phải công suất của đèn, mà là thông lượng bức xạ ở bước sóng mắt nhạy nhất.
Chỉ riêng lumen thì chưa đủ để chọn đèn: hai nguồn cùng quang thông vẫn khác nhau về nhiệt độ màu và chỉ số hoàn màu. Hai nghìn bảy trăm kelvin cho thứ ánh sáng vàng ấm của bóng sợi đốt, sáu nghìn cho ánh sáng ban ngày lạnh; chỉ số hoàn màu dưới tám mươi nghĩa là màu sắc trong phòng sẽ bị méo, thức ăn và da người trông không tự nhiên. Nhãn châu Âu đòi cả ba con số trên vỏ hộp, nhưng người ta thường chỉ để ý tới quang thông.
| Đơn vị | Tên | Giá trị | Gặp ở đâu |
|---|---|---|---|
| lm | lumen, đơn vị SI | 800 | lumen, đơn vị SI |
| klm | kilolumen | 0,8 | kilolumen |
| Mlm | megalumen | 0 | megalumen |
| mlm | mililumen | 800000 | mililumen |
| cd·sr | candela trên steradian — đúng y như vậy | 800 | candela trên steradian — đúng y như vậy |
| lm·h | lumen giờ: lượng ánh sáng, quang thông suốt thời gian cháy | 800 | lumen giờ: lượng ánh sáng, quang thông suốt thời gian cháy |
| W(LED) | watt của điốt: nó ăn bao nhiêu để cho quang thông này | 5,71 | watt của điốt: nó ăn bao nhiêu để cho quang thông này |
| W(inc) | watt của bóng sợi đốt — thói quen từ thế kỷ trước | 61,5 | watt của bóng sợi đốt — thói quen từ thế kỷ trước |
| HK | nến Hefner: chuẩn của Đức chạy bằng amyl axetat | 88,9 | nến Hefner: chuẩn của Đức chạy bằng amyl axetat |
Thừa số bốn pi chỉ đúng với bức xạ đều ra mọi hướng.
03 · Bậc độ lớn
từ đèn báo đến hải đănghàng trăm và hàng nghìn: đèn phòng, đèn bàn, đèn pha ô tô
04 · Dụng cụ đo
Người ta đo quang thông bằng gì
Một quả cầu rỗng phủ lớp trắng khuếch tán: ánh sáng của bóng đèn bên trong bị phản xạ hàng nghìn lần, và độ rọi trên thành cầu trở nên tỉ lệ với toàn bộ quang thông, bất kể bóng đèn chiếu về phía nào. Đây là thiết bị chuẩn để chứng nhận đèn, đường kính từ hai mươi xentimét đến ba mét.
Đầu dò đi chậm quanh nguồn theo mặt cầu và ghi lại cường độ sáng theo từng hướng; quang thông có được nhờ lấy tích phân. Phép đo mất hàng giờ, bù lại cho ta trọn đường cong phân bố ánh sáng — thiếu nó thì không thiết kế nổi bộ đèn.
Nó tách ánh sáng thành phổ và lấy trọng số cho từng bước sóng theo đường cong độ nhạy của mắt. Đó là cách duy nhất đo quang thông mà không mắc sai số hệ thống ở những nguồn có vạch phổ hẹp — điốt và đèn phóng điện, nơi kính lọc của quang kế thông thường không bám sát đường cong đủ chính xác.
Ngay trong định nghĩa lumen đã giấu sẵn đường cong độ nhạy — độ nhạy trung bình của mắt, đo trong những năm 1920 trên vài chục người quan sát. Vì vậy hai bóng đèn ghi cùng một con số trên hộp vẫn có thể trông khác nhau: quang thông bằng nhau, còn phổ thì không.
Một bóng sợi đốt được chọn riêng, chạy bằng dòng ổn định, quang thông của nó được một viện quốc gia chứng nhận. Người ta dùng nó để hiệu chuẩn quả cầu và quang kế, còn bản thân nó thì già đi: tuổi thọ công bố tính bằng hàng chục giờ cháy sáng, sau đó phải kiểm định lại.
05 · Quy tắc viết
Cả hai chữ đều viết thường, và đừng lẫn với lux
Ký hiệu của đơn vị là hai chữ Latinh viết thường, lm, kiểu đứng. Tên gọi bắt nguồn từ tiếng Latinh lumen — ánh sáng, nên trong đó không có chữ hoa. Trong tiếng Việt hình thức không đổi theo số lượng: tám trăm lumen.
Ký hiệu của đại lượng là chữ Φ Hy Lạp nghiêng. Lumen mô tả nguồn, lux mô tả bề mặt được chiếu: gán cho một bóng đèn giá trị tính bằng lux nghĩa là không nói khoảng cách, tức là không nói gì cả. Với đèn pin và đèn pha, các hãng thích công bố «lumen ANSI» — quang thông đo theo phương pháp Mỹ với thời gian khởi động được quy định; vẫn là lumen ấy thôi, chỉ có điều kiện thử nghiệm đã được nêu rõ, và chính điều đó khiến các con số so sánh được với nhau. Một cái bẫy riêng là «lumen ở cửa ra của điốt» so với «lumen ra khỏi bộ đèn»: tấm tán xạ và gương phản xạ ăn mất từ mười đến ba mươi phần trăm.
Với máy chiếu người ta ghi «lumen ANSI»: vẫn là lumen ấy, chỉ đo theo phương pháp chuẩn với chín điểm trên màn. Những con số không kèm chữ ANSI thì không đáng đem so với nhau — nhà sản xuất muốn đo thế nào cũng được.
06 · Các đơn vị lân cận
Lumen đứng giữa candela và lux: candela nói nguồn sáng mạnh đến đâu về một phía, lumen nói tổng cộng nó cho bao nhiêu ánh sáng, còn lux nói trong đó bao nhiêu đã tới được bề mặt.
cường độ sáng theo hướng đó
toàn bộ quang thông của nguồn
phần đã tới được bề mặt
Trong các phiếu của Simetrium nằm cạnh lumen candela và steradian từ định nghĩa, lux như quang thông trên diện tích, foot-candle trong thực hành Anh–Mỹ, và watt, thứ mà quang thông được buộc vào bằng đường cong độ nhạy.
07 · Phần lịch sử
Từ cây nến đến con số trên hộp
Chuẩn của Đức từng là đèn Hefner, đốt amyl axetat bằng cái bấc có đường kính quy định nghiêm ngặt. Nó cho khoảng chín phần mười candela mới, nhưng phụ thuộc vào độ ẩm và áp suất không khí đến mức phải quy kết quả về điều kiện chuẩn.
Đại hội Kỹ sư điện Quốc tế đưa lumen vào cùng với lux và phot. Tên lấy từ tiếng Latinh lumen — ánh sáng; cùng gốc ấy còn dùng trong quang học, nơi lumen chỉ lòng trong của một cái ống.
Bên cạnh nó còn sống một đơn vị lượng ánh sáng — lumen giờ, tức quang thông nhân với thời gian cháy sáng. Người ta tính mức tiêu thụ của đèn khí và đèn dầu như thế: không phải độ sáng, mà là cả một buổi tối cây đèn đã cho bao nhiêu ánh sáng.
Richard Ulbricht đề xuất một quả cầu rỗng phủ lớp khuếch tán, trong đó ánh sáng phản xạ cho tới khi mất hẳn hướng. Phép đo quang thông, trước kia đòi phải đi vòng quanh nguồn theo mặt cầu, thu lại chỉ còn một lần đọc số.
Nhãn châu Âu buộc in quang thông to hơn công suất: watt không còn nói gì về độ sáng nữa kể từ khi điốt cho gấp sáu lần ánh sáng trên mỗi watt. Người mua phải học một con số mới — tám trăm lumen thay cho sáu mươi watt quen thuộc.
Con số 683, di sản của một cây nến
Hệ số 683 lumen trên watt nằm trong định nghĩa candela trông có vẻ tùy tiện — và quả thật nó tùy tiện. Người ta chọn nó năm 1979 sao cho candela mới trùng khít nhất có thể với candela cũ, vốn được định nghĩa qua bức xạ của bạch kim ở nhiệt độ đông đặc, còn candela cũ ấy đến lượt mình lại được chỉnh theo một ngọn nến còn xưa hơn. Mỗi bước đều giữ được sự nối tiếp, và rốt cuộc trong định nghĩa cơ bản của một đơn vị SI vẫn sống ký ức về một cái bấc và về amyl axetat. Từ năm 2019 lumen gắn với watt một cách chính xác: hệ số được tuyên bố là hằng số, như tốc độ ánh sáng hay điện tích electron. Nhưng chỉ mối liên hệ với bức xạ đơn sắc ở 540 terahertz mới là chính xác — với mọi nguồn thật, quang thông được tính bằng cách lấy phổ nhân trọng số theo đường cong độ nhạy của mắt, mà đường cong ấy mô tả một người quan sát trung bình không tồn tại trong tự nhiên. Từ đó mà có giới hạn độ chính xác của quang trắc: những chuẩn quốc gia tốt nhất tái tạo lumen với độ không đảm bảo khoảng hai phần nghìn — kém năm bậc so với các đơn vị điện.
Con số 683 ấy là giá trị lớn nhất cho ánh sáng đơn sắc ở 555 nanomét, đúng nơi mắt nhạy nhất. Với ánh sáng trắng giới hạn thấp hơn, khoảng 350 lumen trên watt: một phần của phổ là cần cho sắc trắng, nhưng mắt gần như không thấy.
Danh mục · đơn vị đo
Mỗi đại lượng một phiếu
Bảy đơn vị cơ bản của SI, hai mươi hai đơn vị dẫn xuất có tên riêng, và những đơn vị ngoài hệ mà cả kỹ thuật lẫn đời thường đều không thể thiếu. Mỗi đơn vị một tờ riêng: định nghĩa, quy đổi, dụng cụ, quy tắc viết. Bằng 36 ngôn ngữ.
Đơn vị dẫn xuất SI có tên riêng
phiếu của lumen đang mởĐơn vị cơ bản của SI
màu hổ phách là candela — thứ dựng nên lumenQuang thông trong những cách viết khác
Ngôn ngữ của phiếu
36 thứ tiếng. Ký hiệu lm mang tính quốc tế, còn thói quen về nhiệt độ màu thì không: ở Bắc Âu và châu Mỹ người ta chuộng ánh sáng ấm 2700 K, ở châu Á chuộng ánh sáng ban ngày lạnh, và các khuyến nghị trong bản dịch có tính đến tập quán địa phương.