Lumen, een menselijk perspectief

Een belangrijke eigenschap van armaturen is de lichtstroom, uitgedrukt in lumen. Maar wat is lumen? In een eerder artikel vergeleken we de lichtstroom uit een lamp met de stroom water uit een kraan, en in deze heel eenvoudige analogie stemde lumen dan overeen met het debiet. De kraan verder open- of dichtdraaien, was zoals het dimmen of harder aansturen van de lamp. In dit artikel leggen we het iets wetenschappelijker uit, en leggen we de link met de gevoeligheid van het oog.

Leestijd: 4'30"

Zichtbaar licht en het elektromagnetische spectrum

Licht is straling: elektromagnetische golven die een bepaalde hoeveelheid energie bevatten. Het zichtbare licht is echter slechts een klein deel van het elektromagnetische spectrum, gelegen tussen de korte (hoogfrequente) golven zoals röntgenstraling, en UV straling enerzijds, en de langere (laagfrequente) golven zoals infrarood, microgolven, en radiogolven anderzijds. 

Om de hoeveelheid licht die een lamp uitstraalt te bepalen, moeten we dus meten hoeveel energie in het zichtbare deel wordt uitgestraald.

Het gevoelige menselijke oog

Hierbij is ook de gevoeligheid van het menselijk oog van belang. Onze ogen detecteren licht en kleur dankzij de kegeltjes: dit zijn lichtgevoelige cellen die zich op ons netvlies bevinden, achterin het oog. Er bestaan 3 types kegeltjes, die elk gevoelig zijn voor een andere kleur licht. De respons van de kegeltjes (en interpretatie ervan in onze hersenen) zorgt voor het fotopisch zicht, en werkt bij een goed verlichtingsniveau, bijvoorbeeld overdag.

Als er weinig licht is, dan wordt ons zicht mogelijk gemaakt dankzij staafjes, die zich ook op ons netvlies bevinden. De staafjes maken geen onderscheid tussen kleuren. Dat is het scotopisch zicht, en zorgt ervoor dat we bij lage verlichtingsniveaus, bij voorbeeld ’s nachts, ook kunnen zien. Kleuren worden door het scotopisch zicht niet waargenomen.

De definitie van lumen

De CIE (Commission Internationale de l’Eclairage) heeft een officiële fotopische ooggevoeligheidsfunctie vastgelegd.

 
Deze curve laat zien dat het menselijk oog het gevoeligst is in het groene deel van het spectrum ligt. De piekgevoeligheid ligt op de elektromagnetische golven met een golflengte van 555 nm (nanometer, een miljoenste van een millimeter).

De definitie van lumen is hier direct aan gekoppeld: een groene monochromatische lichtstraal met golflengte van 555 nm heeft per definitie een efficiëntie van 683 lumen/Watt.

Dit is de constante Kcd : 683 lm/W. Het is één van de zeven constanten die worden gebruikt in het metrisch stelsel om ons universum te beschrijven. Het bijzondere aan deze constante is dat het de enige is die direct gelinkt is aan de mens, en hoe wij de wereld zien.

De eenheid lumen wordt dus gedefinieerd als het vermogen uitgestraald door een lichtbron, vermenigvuldigd met de fotopische ooggevoeligheidsfunctie.

Waarom 683 lumen/Watt?

“Een groene monochromatische lichtstraal met golflengte van 555 nm en een vermogen van 1 Watt, heeft per definitie een lichtstroom van 683 lumen.” Deze arbitrair vastgelegde waarde, is het gevolg van eerdere historische methodes om een genormaliseerde waarde voor lichtstroom op te leggen.

De allereerste ijkmethodes om de helderheid van een lichtbron te karakteriseren, werkten met genormaliseerde kaarsen met een bepaald gewicht en materiaal.

Om dit meer exact vast te leggen, werd sinds 1933 lichtstroom geijkt met een zwarte straler met stollend platinum (op een temperatuur van 1773°C). Omdat dit dan weer niet erg praktisch was, en dankzij vooruitgang in de radiometrie, is men in 1979 overgegaan tot de huidige definitie. De waarde van 683 lm/W werd zodanig gekozen, dat de resulterende meetwaarden overeenstemmen met de oude definitie.

Het efficiëntste licht

Het gevolg van deze definitie van lumen, aan de hand van deze curve, is dat groen licht het efficiëntste licht is. Als we eenzelfde hoeveelheid energie in rood licht uitstralen, is de lichtstroom maar half zo groot, omdat het oog daar maar half zo gevoelig voor is. 
Hetzelfde geldt voor blauw licht. Een praktisch voorbeeld hiervan is een variant van ETAP’s E2-ATEX armatuur, die blauw licht uitstraalt. Dit armatuur verlicht met een heel prominent blauw licht de locaties van oogdouches in de chemische industrie.

Met een verbruik van 44 watt heeft dit armatuur een blauwe lichtstroom van 1100 lumen, of een efficiëntie van 25 lm/W. Dit lijkt wellicht laag, maar is verklaarbaar wanneer men beseft dat het toestel uitsluitend blauw licht met een golflengte tussen 450 en 465 nm uitstraalt - zoals te zien is op de curve.

De meest performante lamp die men dus theoretisch zou kunnen bouwen, zou enkel monochromatisch groen licht uitstralen op 555 nm, en een maximale efficiëntie hebben van 683 lm/W. Van zodra men licht in een breder spectrum uitstraalt, zal de efficiëntie automatisch dalen. Dit is ook meteen de verklaring waarom toestellen met een hogere CRI waarde vaak wat moeten inboeten op lumen/Watt. Ze verspreiden het licht over een iets ruimer spectrum.

Wij zien het licht

Licht is meer dan slechts een natuurkundig fenomeen; het is symbool van kennis, hoop, en leven. Het licht van de zon is de bron van alle leven op aarde, en stelt ons in staat de wereld om ons heen waar te nemen. Lumen, de eenheid die lichtstroom meet, is een brug tussen de abstracte wereld van elektromagnetische golven, en onze zintuiglijke ervaring. Van alle wetenschappelijke eenheden (zoals kilogram, seconde, meter, …) is lumen dus onze favoriet, omdat de definitie ervan direct verbonden is aan hoe mensen de wereld en het universum zien.