Hva er Candela (cd), Lumen, Nit, og
andre definisjoner på lysstyrke ?

Å beskrive/definere lysstyrke som Candela (cd), nit eller annen enhet er ikke mulig å gjøre uten å gjøre en teknisk beskrivelse av hvordan lysstyrken er definert. Vi hos Irontech har imidlertid fått forespørsel på dette, og som en betydelig leverandør av LCD skjermer har vi valgt å forsøke å forklare det fordi vi mener lys og lysforhold er viktig for å kunne velge riktig skjermløsning.  Hvor langt en bør gå mht å beskrive den tekniske definisjonen er nok mer av akademisk interesse enn en praktisk mulighet til å gjennomføre en test uten helt spesielle måleinstrumenter og miljø forøvrig. For de fleste av oss vil den lysstyrken som blir oppgitt fra fabrikantene bli noe vi bare må akseptere i de aller fleste situasjoner. Også den teoretiske beskrivelsen burde vi overlatt til de som har dette som spesialområde, men av forskjellige årsaker ender vi opp med å lage vår egen beskrivelse.

En del av de begrepene som definerer lys og lysstyrke har forskjellige forutsetninger. En mye brukt beskrivelse er f.eks. at Lumen er lysstyrken som blir avgit av en kilde (målt ved kilden), mens Candela er lyset som fordeles over en gitt flate (dvs opplyst areal). Dermed vil antall candela minske avhengig av arealet som belyses, og noen ganger på tross av at lysstyrken i Lumen øker. Dette gjør en del av omregningene komplisert.
Nedenfor har vi forsøkt å gi en beskrivelse av lysstyrke slik vi har forstått dette begrepet. En som har studert teknisk fysikk vil sannsynligvis gi både en bedre og enklere beskrivelse.

I utgangspunktet ble Candela definert som lyset fra en stearinlys på 1 meters avstand, men senere omdefinert som gløden fra smeltet Platinium. Dagens definisjon er imidlertid nært beslektet med utstrålt effekt (watt eller Joule pr. sekund). Candela er derfor ikke lenger nødvendig som en definisjon på lysstyrke, men er etterhvert blitt definert som den offisielle måleenheten for lys i SI systemet (SI systemet står for Système International d'Unités, og er det mest utbredte målestystemet i verden).
I noen land benyttes benevnelsen NIT. Tallverdier oppgitt i NIT er identisk med tallverdier oppgitt i Candela. Benevnelsen NIT kommer fra det latinske ordet "Nitor" som betyr "lysstyrke" eller fra "nitere" som betyr "å skinne".
 

Tradisjonelt har watt ikke blitt brukt som beskrivelse av lysintensitet ettersom det menneskelige øyet har forskjellig følsomhet for farger, spesielt blå og rød farge sammenliknet med de andre. Inntrykket av disse fargene gjør dypt inntrykk på de som ser dem, men i forhold til gul-grønne farger er det behov for større effekt (watt) for at inntrykket skal nå frem til hjernen. Pga dette er Candela nå definert som en spesifikk frekvens, dvs ensfarget. Dette blir egentlig litt feil ettersom en ikke kan kjøpe en lampe som kun gir denne frekvensen og sammenlikning med visuelt lys vil derfor bli feil. Som du vil se lenger ned vil valget av frekvens tilsi at lyssyrken vil kunne oppfattes forskjellig, avhengig av f.eks. om det er snakk om rødt eller grønt lys.

Om vi ser litt tilbake på dette med gult og grønt, og vi samtidig ser på dette med lett synlighet, vil det rent teknisk være en god grunn for å velge gult og grønt som de nye fargene på ambulansene, brannbiler og andre utrykningskjøretøy. Dette er en vurdering gjort innen EU. Men som vi har skrevet i enkelte andre artikler som omhandler våre LCD skjermer, må en også vurdere kontrast for å gjøre en tekst lett leselig. Det samme vil være tilfelle for å gjøre et objekt lett synlig, og jeg håper også dette har vært vurdert da EU valgte de nye fargene på de aktuelle bilene.

Frekvensen beskrevet ovenfor er imidlertid den frekvensen øyet er mest sensitiv for og en farge som defineres som en blanding av gult og grønt ihht den grafiske fremstillingen øverst, men ettersom bølgelengden vil variere med hvilke medium lyset passerer/brytes (luft, vann, glass, vakuum, etc.) kan vi ikke definere bølgelengden som grønn om vi ikke går til den opprinelige kilden. Definisjonen er imidlertid det som beskrives som 1 Lumen.

Tallet 1/683 er en referanse til effekten målt i watt 1 cm² fra smeltet Platinium.

Steradianen (eller "romvinkel") er en konisk spredning av lyset fra en kjerne som vil belyse 1 m² av den indre overflaten av en sphære på 1 m i radius rundt kjernen.
Det tas videre utgangspunkt i at lyset, uavhengig av vinkel, har samme intensitet. I realiteten stemmer ikke dette da det er avhengig av både sektorens størrelse og sensorens størrelse og vinkel.
En lyskilde avgir en lysintensitet i en gitt retning målt i candela i det belyste arealet. Produsenter av lamper/lysrør angir imidlertid angir imidlertid lysstyrken i alle retninger, og som oftest ved lyskilden.
Tegningen nedenunder viser en gul lysstråle som avgir 375 candela i en vinkel på ca 32 grader fra aksen. Lysstyrkens intensitet i retningen rett frem er på tegningen ca 460 candela

Avgitt lys er ikke det samme som sensoren detekterer som kildens lysstyrke ettersom avgitt energi er definert som energi innefor en gitt definert vinkel uavhengig av avstand til kilden. Pga dette vil lyset fra en liten kilde, f.eks. fra en halogen pære, bli sett på som intens selv om det kun er snakk om 1 Candela, mens lyset fra et stearinlys vil bli sett på som et lys med moderat lysstyrke fordi kilden med en blafrende flamme vil være vesentlig anderledes enn en lyspære, og fordi Candela referer seg til lyset på det opplyste arealet og ikke kilden.

Diagrammet ovenfor beskriver kun lysstyrken som er avgitt fra et visst punkt. Når en overfører den verdien avgitt lys gir til et objekt på hvilken som helst avstand vil den energien som treffer objektet beskrives som Lumens pr kvadratmeter, enklere beskrevet som Lux.

Candela verdien i tegningen ovenfor basert på ca 32 grader er 375 candela. Dette korresponderer med 375 lumens som blir avgitt i et konisk område ved en bestemt radian ved 1 meter fra kilden. Hvis det var et objekt på dette punktet ville det blitt belyst med 300 lumen pr kvadratmeter. For å lese lysstyrken ut av dette skjema, vil et objekt på 3 meters avstand bli belyst med 375 vandela delt på 32 (dvs. 9). 3 er valgt fordi det er på 3 meters avstand.. 375/9 (ca 41,7) er da lysstyrken 3 meter fra kilden. Dette er Lux verdien.

En konverteringstabell mellom de forskjellige standardene for lysstyrke vil se slik ut:

1 footcandle = 1 lumen per square foot
1 footcandle = 10.76 lumen / sq-m
1 footcandle = 10.76 lux
1 lumen = 1/683 watts @ 550nm
1 Lux = 1 lumen / sq-m
1 watt second = 1 joule = 107 ergs
1 lumen = 0,08 candela = 0,08 nit
1 lambert = 3,183 cd / sq-m
1 footlambert = 3.426 cd / sq-m
1 candela / sq-ft = 10.76 cd / sq-m

En praktisk problemstilling mht sammenlikning av lysstyrke ved bruk av projektor og LCD skjerm.

Det er i praksis vanskelig å gi en eksakt sammenlikning av lysstyrke målt i f.eks ansi lumen og candela. En beskrivelse som er mye brukt både av universiteter og i Wikipedia er at om en har en lyskilde som avgir 1 lumen, og dette lyset spres over en flate på 1 m² i en kurvet konisk overflate tilsvarende 1 radian med en avstand på 1 meter vil det tilsvare 1 lux (ref tegningene ovenfor). Det er 4 π i steradianer i en sphere og det tilsvarer dermed ca 12,5. Utifra dette får vi at 1 cd (candela) tilsvarer ca 12,5 lumen. Om denne beregningen er riktig tilsier dette at om en projektor avgir 2500 lumen på en avstand på 1 meter så vil dette tilsvare 200 candela. Likevel vil en projektor løsning være MINDRE lyssterk enn en LCD skjerm bl.a. pga at veldig lite av dette lyset blir reflektert fra lerret eller tilsvarende. På en av våre support sider har vi beskrevet problemer med lesbarhet i sollys, og refleksjoner.

Lysstyrken faller omvendt proposjonalt med avstanden ettersom c=1/Δv², der c er lysstyrken og Δv er økning i avstanden. Dette tilsier at om avstanden fra lyskilden (f.eks. en projektor dobles, så vil lysstyrken reduseres 4 ganger. Om avstanden øker med 4 ganger vil lysstyrken reduseres med 16 ganger (dvs at lysstyrken reduseres til 125 lux). Dette er enkelt å vise ved at en lyskilde flyttes dobbelt så langt unna et oplyst område gir 4 ganger større opplyst område.
Dette er også årsaken til at såkalte "short throw" projektorer nå er mer vanlig enn noen gang. En lysstyrke på f.eks 2500 ansi lumen fra en projektor, vil om avstanden øker fra 1m til 3 m mellom projektor og f.eks opplyst areal, falle fra 2500 lumen helt ned til ca 280 lumen. Vi vet at bare en liten del av dette lyset kan brukes til å vise bilde ettersom det ville krevd en konkav overflate som ville bli nærmest umulig å lese om mer av lyset skulle vært benyttet. En helt flat overflate med maksimal refleksjon vil i praksis være et speil som også er umulig å lese. Dermed vil en overflate med ujevn overflate bli den mest lesbare løsningen, men samtidig den løsningen som avgir minst lys av de 3 alternativene iflg en undersøkelse lagt fram av University of California i 1967/68. Derfor vil ikke overflaten avgi 280 lumen, men vesentlig mindre. I tillegg vet vi at en projektor vil lyse opp et vesentlig større areal enn f.eks. et firkantet område slik en LCD skjerm gjør. Dermed blir lyset (på ca 280 lumen) fordelt over et større område.
Ved TV/film opptak utsettes aktørene til tider for VELDIG sterkt lys for å gjøre dem synlig på film/TV og de sminkes for å tåle varmen. I prinsippet kreves det samme av lysstyrken fra en projektor som skal lyse opp et lerret. Lyset må være ekstremt sterkt. Dessuten vil vinkelen projektoren belyser lerrete med ha stor påvirkning. En "short-throw" projektor som i teorien kan stå ganske nærme et lerret vil belyse lerrete fra en skarpere vinkel. Som oftest står projektoren montert i taket. Dette tilsier at mye av lyset blir reflektert ned i gulvet.
Som nevnt tidligere er det umulig å si noe eksakt mht lysstyrken fra en projektor sammenliknet med en LCD skjerm, men ettersom lyset som blir refletert fra et lerret er veldig lavt snakker vi om lys fra projektor som kan kommen ned under 80-90 candela sammenliknet med 400 candela fra en LCD skjerm. Men det vil som nevnt variere mye ettersom lyset fra en projektor vil være avhengig av bl.a.:

Lysstyrken som blir oppgitt av produsentene er naturligvis viktig i mange sammenhenger. Ikke minst lesbarhet ved vanskelige lysforhold som sollys som du kan lese mer om her (er det noen som har testet en projektor ved et vindu der solen lyser på samme område som projektoren lyser opp?). Men lesbarheten er i stor grad også avhengig av høy kontrast. Kontrasten på en LCD skjerm blir som oftest best ved bruk av blanke beskyttelsesglass over skjermen pgs lysrefleksjoner. Men blanke beskyttelsesglass gir også størst refleks av eksterne lysskilder. Dermed blir dette med lesbarhet ved sollys et punkt som er vanskelig å måle eller tallfeste. Vi har på våre support sider beskrevet både transreflective skjermer og skjermer med såkalt bonding som er teknikker som benyttes for å gjøre skjermer mer lesbare i f.eks. sollys, men også for å forhindre kondens.
Men avgitt lysstyrke vil også kunne påvirke hvor lenge skjermen vil fungere tilfredstillende om vi tar utgangspunkt i MTBF begrepet. MTBF (Mean Time Between Failure) er som kjent et uttrykk for hvor lang tid det vil ta før et produkt “normalt sett” feiler. Når det gjelder LCD skjermer med CCFL (Cold Cathode Fluoricent Lamps – på godt norsk kalt bakgrunnsbelysning eller lysstoff rør) er MTBF tallet beskrevet som antall timer før skjermens bakgrunnsbelysning reduseres med 50% (alle tradisjonelle lysstoff rør får en gradvis redusert lysstyke over tid). Om skjermen må avgi 200 candela for å kunne gi et godt bilde på et kontor eller liknende, vil en altså med et utgangspunkt på 400 candela fortsatt kunne bruke denne skjermen etter 13 år ved 10 timers daglig bruk om en tar utgangspunkt i en MTBF på 50.000 timer. For i motsetning til f.eks tradisjonell elektronikk er MTBF tallet som henviser til skjermenes levertid en indikasjon på hvor langt tid det vil ta før lysstoffrørene kun klarer å avgi 50% av den opprinelige lysstyrken.
Den tradisjonelle lysstyrken har imidlertid ingen sammenheng med problemer som oppstår med mørke og lyse områder på skjermen.
Den senere tiden har det kommet stadig flere skjermer med forskjellige LED løsninger som bakgrunnsbelysning. Løsningen det settes mest tiltro til for fremtiden er oled, men fordi levetiden på de blå diodene er så kort må det forskes mer på dette problemet. Når/om dette blir den fremtidig "bakgrunns" belysning vet vi derfor ikke sikkert foreløpig, og det vil ta noen år før vi vet mer. Led belysning gir dessuten en bedre mulighet til dimming der dette er ønskelig, f.eks. bruk av LCD skjermer ombord i båter, fly tårn, i bruk av forsvaret, etc som har behov for mørke rundt de som arbeider der for å beholde natt synet. Lysstyrken er dessuten bedre av flere årsaker, men det finnes også spesielle løsninger idag med ekstremt kraftige lysstoffrør.
Et annet problemene er varme ettersom LED teknologien avgir en del varme (og varme er sett på som elektronikkens største fiende). Dessuten gir dette dyrere skjermer pr i dag.
Oled er en annen teknologi hvor det opplyste punktet selv avgir lys. Det benyttes dermed ikke bakgrunnsbelysning av tradisjonell type som CCFL/lysstoffrør, og både lysregulering, farge/sort nivå, etc vil dermed bli bedre med oled enn med CCFL. Forskjellen mellom tradisjonell LCD/TFT og den nye LED/Oled teknologien vil dermed komme ganske godt frem om en setter skjermene ved siden av hverandre og regulerer dem på samme måte mht lysstyrke, etc.

Beskrivelser slik som dette er bare en av mange vi har på våre support sider. Der vil du finne informasjon om forskjellige metoder for å bedre lesbarheten til LCD skjermer i sollys, samt div beskrivelser av standarder som Ethernet, RS232, RS422/485, USB, etc, etc. Alle beskrivelsene relaterer seg til vårt produktspekter og hvordan ting fungerer.

Vi forsøker å ligge i forkant mht tekniske løsninger og kompetanse. Dette er krevende samtidig som at informasjonen både kan være utdatert og tidvis feil. Vi er derfor avhengig av tilbakemeldinger fra leserne for å lage beskrivelser både av andre tekniske ting, og andre forslag som berører våre fagfelt. Men vi mener det å dele kunnskap med våre kunder er viktig for å tilby de riktige løsningene. Vi håper du derfor kontakter oss om du opdager feil eller mangler. Vi lover ikke en ny eller oppdatert artikkel umiddelbart, men så raskt som mulig

Copyright © Irontech AS 2009

Jørn Jensen
 

Hjemmesidene til Irontech AS besøkes årlig av nesten 40.000. De 2 siste årene har Irontech vært "leid ut", men vil bli vurdert solgt for "en årslønn". Dette vil kjøper garantert tjene inn første året, og hvis så ikke skjer vil det overskytende betales tilbake.
Også undertegnede som har skrevet denne artikkelen (eier av Irontech AS) og andre tekniske artikler på Irontech sin hjemmeside kan tenke seg å vurdere jobbtilbud med lønnsnivå ned mot statens satser av personlige årsaker.

For begge saker kan jeg kontaktes på jornjen@online.no