Яркость в кд/м²: почему один светильник слепит, а другой с тем же потоком нет

Один и тот же светильник в шоуруме выглядит комфортным, а дома бьёт по глазам. Дело обычно не в мощности. В характеристиках соседствуют четыре разные величины, и путаница между ними стоит потом переделки схемы света. Разберём, что каждая означает, что об этом говорят стандарты и где эти стандарты заканчиваются.

Четыре величины, которые нельзя смешивать

Определения ниже даны по международному светотехническому словарю CIE, на который опираются и европейские, и российские нормы.

• Световой поток, люмены. Изменение световой энергии во времени: всё, что светильник излучает во все стороны, без привязки к направлению.
• Сила света, канделы. Плотность светового потока по телесному углу в заданном направлении. Узкий прожектор и голая лампа могут давать одинаковый поток, но по оси прожектора кандел будет во много раз больше.
• Освещённость, люксы. Плотность падающего потока по площади в точке поверхности. Именно она отвечает на вопрос, хватает ли света на столешнице.
• Яркость, канделы на квадратный метр. Плотность силы света по проецированной площади в заданном направлении. Это то, что видит глаз, когда смотрит на саму светящуюся поверхность.

Ключ ко всему тексту содержится в определении яркости, записанном формулой: L = dI / (dA · cos α), в которой A это видимая площадь светящейся поверхности, а α угол между нормалью к ней и направлением взгляда (CIE S 017:2020 ILV, термин 17-21-050). Из формулы следует прямое: при одной и той же силе света в сторону наблюдателя увеличение видимой площади уменьшает яркость обратно пропорционально.

Попутно о происхождении единиц. Кандела в системе СИ определена через световую эффективность монохроматического излучения частотой 540 × 10¹² герц, принятую равной 683 люмена на ватт (Брошюра СИ, 9-е издание, 2019). Привычная запись «683 лм/Вт на длине волны 555 нм» это корректный пересчёт, но в тексте СИ его нет.

Почему это объясняет дискомфорт

Возьмём два светильника с одинаковым световым потоком. У первого маленький открытый источник, у второго крупный матовый рассеиватель. Поток одинаковый, площадь светящейся поверхности отличается в десятки раз, значит и яркость отличается во столько же.

Комфорт зависит от того, по какой площади размазан поток и попадает ли эта поверхность в привычную линию взгляда. Это не житейское наблюдение, а следствие определения величины.

UGR: что это и где кончается его область применения

Объединённый показатель дискомфорта UGR разработан техническим комитетом CIE и опубликован в отчёте CIE 117-1995. Формула объединяет подходы Эйнхорна и Хопкинсона и включает позиционный индекс Гута, то есть учитывает положение наблюдателя и направление взгляда.

В расчёт входят четыре вещи: яркость светящейся части светильника, её телесный угол со стороны наблюдателя, положение относительно линии взгляда и яркость фона. Существенная деталь для подбора: яркость входит в формулу в квадрате, а телесный угол в первой степени. Практически это значит, что вдвое более яркая светящаяся поверхность добавляет к показателю вчетверо больше, чем вдвое большая площадь при той же яркости.

Теперь про границы, которые в популярных текстах обычно не упоминают.

Это метрика рабочих мест. Стандарт, который задаёт допустимые значения, в разделе области применения говорит о требованиях к освещению рабочих мест внутри зданий. Жилые интерьеры в нём не упоминаются ни строкой, таблиц про квартиру там нет.

Есть ограничение по размеру светильника. Методика применима к светильникам площадью от 0,005 до 1,5 квадратного метра. За пределами этого диапазона стандарт отсылает к отдельной публикации CIE.

Есть ограничение по геометрии. Табличный метод считает светильники, расставленные регулярной сеткой, в прямоугольном помещении, при двух положениях наблюдателя на высоте 1,2 метра. Он не рассчитан на одиночную люстру над столом, на светящийся потолок и на светильники, дающие только верхний свет.

Всё это означает простое: число UGR в паспорте декоративного подвеса или бра посчитано вне области, для которой методика проверялась.

Почему у люстры со стеклом показатель занижен

Есть и более серьёзная оговорка, которую сделала сама CIE. Из аннотации отчёта CIE 232:2019: по практическим соображениям UGR основан на средней яркости источника; появление светодиодов позволило создавать светильники с ранее невиданными контрастами яркости внутри самого прибора, и обзор литературы показывает, что UGR склонен недооценивать дискомфорт от таких светильников.

Для дизайнерского света это ровно тот случай. Прозрачный плафон с яркой точкой внутри, хрустальная люстра с бликами на гранях, открытая лампа за декоративной решёткой: средняя яркость по площади получается умеренной, а глаз реагирует на самую яркую точку. Решение, предложенное CIE, состоит в том, чтобы определять площадь источника блёскости по снимку распределения яркости, а не по габаритам плафона.

Единого порога яркости не существует

Вопрос «при какой яркости в кд/м² становится некомфортно» я слышу почти в каждом проекте. Ответа у него нет, и это позиция науки, а не отговорка. Обзор в профильном журнале формулирует прямо: несмотря на более чем восемьдесят экспериментальных исследований дискомфортной блёскости, согласованной модели, предсказывающей наличие и силу дискомфорта, до сих пор нет; одна из причин в том, что разброс результатов велик и между испытуемыми, и между исследованиями (Fotios, Kent, LEUKOS, 2020).

Что при этом нормировано, так это не порог ощущения, а требования к конструкции. В проекте европейского стандарта рабочего освещения есть таблица минимальных защитных углов: при яркости источника от 20 000 до 50 000 кд/м² требуется защитный угол не менее 15 градусов, от 50 000 до 500 000 не менее 20, свыше 500 000 не менее 30. То есть 20 000 кд/м² это уровень, начиная с которого стандарт вообще требует экранировать источник, если он виден напрямую. Оговорка в самом стандарте: к светильникам верхнего света и к приборам, установленным ниже уровня глаз, эти таблицы не относятся.

Контраст важнее абсолютных значений

Здесь стоит знать деталь, которая многое объясняет. Европейский стандарт рабочего освещения сознательно отказался нормировать яркости. Формулировка в тексте такая: требования по яркости были бы точнее, но стандарт задаёт требования по освещённости, поскольку требования по яркости непрактичны из-за зависимости от точных характеристик материалов и положений наблюдателя.

Вместо соотношений яркостей стандарт нормирует три вещи.

Отражение поверхностей. Рекомендуемые коэффициенты: потолок от 0,7 до 0,9, стены от 0,5 до 0,8, пол от 0,2 до 0,6, крупные предметы обстановки от 0,2 до 0,7. Прозрачное стекло имеет коэффициент около 0,1. Это и есть тот самый ответ на вопрос, почему одна схема в двух комнатах с разной отделкой работает по-разному.

Освещённость ближайшего окружения. Полоса шириной не менее полуметра вокруг зоны задачи: при 500 люксах на задаче окружение должно иметь 300, при 300 люксах 200, при 200 люксах 150. Обоснование в стандарте: большие пространственные перепады освещённости вокруг зоны задачи ведут к зрительному напряжению и дискомфорту.

Освещённость фона составляет треть от освещённости ближайшего окружения, полосой не менее трёх метров в больших помещениях.

Соотношения яркостей, которые часто цитируют как «правило 3 к 1 и 10 к 1», принадлежат американской практике: не более 3:1 между бумажной задачей и экраном, не более 10:1 для потолка и не более 10:1 между задачей и удалённой поверхностью (ANSI/IES RP-1-20, в изложении обзора во Frontiers in Psychiatry, 2021). Приписывать эти числа европейскому стандарту неверно: там их нет.

Сколько люксов и где их мерить

Самая частая подмена в текстах про домашний свет выглядит так: берут строку «кухня, 500 люкс» из европейского стандарта и переносят на кухню квартиры. Между тем эта строка относится к кухням ресторанов и гостиниц, то есть к профессиональным. Стандарт нормирует рабочие места, а не жильё.

Для жилых помещений в России действует свод правил по естественному и искусственному освещению. В нём жилые комнаты и кухни нормируются на уровне 150 люкс, причём на полу, коридоры, ванные и уборные в квартире 50 люкс, лестницы жилого дома 20. Для сравнения, рабочие кабинеты и офисы нормируются на 300 люкс, читальные залы на 400, проектные и конструкторские залы на 500, причём на условной рабочей поверхности высотой 0,8 метра.

Отсюда следует вывод, который стоит держать в голове при любом сравнении: российские 150 люкс на кухне и европейские 500 измеряются в разных плоскостях, на полу и на рабочей поверхности, и сопоставлять их напрямую нельзя. Для жилых комнат и кухонь свод правил не задаёт ни допустимого показателя дискомфорта, ни индекса цветопередачи.

Ещё одна деталь для аккуратности: значения меняются между редакциями стандартов. Освещённость лестниц в европейском стандарте редакции 2002 года была 150 люкс, в более поздних редакциях 100. Ссылаясь на норму, стоит называть редакцию.

Цветопередача: почему CRI 80 не гарантирует хороший свет

Индекс цветопередачи Ra, который на упаковках называют CRI, считается как усреднённое отклонение цвета для восьми пастельных образцов из коллекции Манселла. Метод опубликован в 1965 году, обновлён в 1974 и переиздан без изменений в 1995.

Ограничения метода задокументированы и признаны самой международной комиссией по освещению. Их два рода. Первый: расчётная основа ни разу не обновлялась и опирается на модель цветового зрения, официально считающуюся устаревшей, а набор образцов слишком мал, чтобы описать эффект источника целиком. Второй: метод оценивает только точность передачи цвета и ничего не говорит о том, в какую сторону цвета смещаются, то есть не различает желательные и нежелательные изменения. Малый набор образцов вдобавок поощряет подгонку спектра под тест.

Метод TM-30, разработанный американским светотехническим обществом, использует 99 образцов, отобранных из более чем ста тысяч измеренных спектров отражения, современное цветовое пространство и разделяет точность передачи и изменение насыщенности на два разных показателя.

И самый показательный результат, который стоит знать при выборе света для жилья. В исследованиях американского министерства энергетики сформулировано так: средняя точность цветопередачи сама по себе слабо предсказывает восприятие человеком, особенно индекс Ra; девять из двенадцати продуктов, получивших высшие оценки людей, имели Ra 73 и ниже, что указывает на то, что критерий Ra не менее 80 может отсеивать многие предпочитаемые источники.

При этом Ra не менее 80 остаётся обязательным требованием к лампам, продаваемым в Евросоюзе, за отдельными исключениями. То есть норма и результаты восприятия расходятся, и знать об этом расхождении полезнее, чем выбирать по одному числу на коробке.

Про люмены на ватт, чтобы не путать три разные величины

Рядом с цветопередачей на этикетке стоит энергоэффективность, и здесь смешивают сразу три числа.

• 210 люмен на ватт это порог класса A на европейской этикетке, причём считается он не в сырых люменах на ватт, а с поправочным коэффициентом: направленной сетевой лампе для класса A достаточно около 179 сырых люмен на ватт.
• 81–92 люмена на ватт это фактические значения массовой бытовой лампы формата A19 по данным американского министерства энергетики за 2022 год. То есть типичная лампа на рынке относится к нижним классам европейской шкалы.
• 200 и более люмен на ватт достигают лучшие светодиодные кристаллы, но при пониженной плотности тока. Отдача кристалла не равна отдаче готовой лампы: между ними драйвер, оптика и рассеиватель.

Что смотреть в характеристиках

• Размер и материал светящейся поверхности. Матовое стекло, опал, ткань дают низкую яркость. Прозрачное стекло с видимой лампой внутри даёт высокую.
• Равномерность свечения плафона. Если внутри рассеивателя видна яркая точка, средняя яркость по площади перестаёт описывать реальную блёскость.
• Глубину утапливания у встраиваемых моделей. Чем глубже источник в корпусе, тем позже он попадает в поле зрения при взгляде вперёд, и тем больше защитный угол.
• Наличие показателя дискомфорта в спецификации. Если он указан, светильник считался под задачи, где на свет смотрят подолгу. У декоративной модели я это число просто не учитываю: оно посчитано вне области применимости методики.
• Угол рассеивания. Узкий луч концентрирует силу света и повышает яркость освещённого пятна.
• Индекс цветопередачи и, если производитель его приводит, показатели TM-30. Одно число Ra описывает меньше, чем принято думать.

Типичные ошибки

• Выбор по ваттам. Ватты говорят о потреблении, а не о свете.
• Расчёт «сколько люмен нужно на комнату» без учёта отделки. Стандарт прямо задаёт диапазоны отражения потолка, стен и пола, потому что от них зависит результат.
• Перенос офисных норм в жильё. Пятьсот люксов на кухне это про кухню ресторана и про другую плоскость измерения.
• Прозрачные плафоны на уровне глаз. Открытая лампа над обеденным столом окажется точно в поле зрения сидящего человека, а её яркость входит в расчёт дискомфорта в квадрате.
• Вера в одно число из паспорта. Ни показатель дискомфорта, посчитанный вне области применимости, ни индекс цветопередачи из восьми образцов не описывают ощущение от света в комнате.
• Одинаковая яркость по всей квартире. Прихожая, куда заходят с улицы, и спальня, где свет включают ночью, требуют разного уровня.

Порядок действий при подборе

1. Определите, на что человек будет смотреть в каждой зоне: на рабочую поверхность, на сам светильник или на стену с картинами. С этого вопроса я начинаю любой подбор, потому что от ответа зависит, какая из четырёх величин здесь главная.
2. Проверьте линии взгляда: сидя за столом, стоя у входа, лёжа в кровати. Светящаяся поверхность, попадающая в эти линии, должна быть либо крупной и равномерной, либо убранной из поля зрения.
3. Посмотрите на отделку. Светлый потолок и стены поднимают яркость фона и снижают контраст с источником; тёмная отделка требует другой схемы.
4. Свяжите зоны между собой: перепад освещённости между рабочей зоной, окружением и фоном не должен быть резким.
5. И только после этого выбирайте модель.

Частые вопросы

Чем яркость отличается от освещённости

Освещённость измеряется в люксах и описывает свет, пришедший на поверхность: сколько его на столешнице. Яркость измеряется в канделах на квадратный метр и описывает саму светящуюся поверхность, то есть то, что видит глаз, когда смотрит на плафон или на пятно света. Освещённость отвечает на вопрос, хватает ли света для работы, яркость на вопрос, не слепит ли.

Почему крупный матовый плафон слепит меньше, чем маленькая лампа того же потока

По определению яркость есть сила света, делённая на видимую площадь светящейся поверхности. При одинаковой силе света в сторону наблюдателя увеличение площади уменьшает яркость обратно пропорционально. Тот же поток, размазанный по крупному рассеивателю, даёт в десятки раз меньшую яркость, чем сосредоточенный в маленькой колбе.

Можно ли ориентироваться на UGR при выборе люстры

С осторожностью. Методика разработана для рабочих мест и применима к светильникам площадью от 0,005 до 1,5 квадратного метра, расставленным регулярной сеткой в прямоугольном помещении. Одиночная люстра над столом, светящийся потолок и приборы верхнего света в эту модель не входят. Кроме того, в отчёте CIE 232:2019 указано, что показатель занижает дискомфорт у светильников с неравномерной яркостью внутри плафона.

Сколько люксов нужно на кухне

Зависит от того, чью норму брать и где мерить. Российский свод правил СП 52.13330.2016 нормирует кухню жилого дома в 150 люкс на полу. Европейский стандарт даёт 500 люкс для кухни ресторана или гостиницы на рабочей поверхности. Это разные плоскости измерения и разные типы помещений, сравнивать значения напрямую нельзя.

Правда ли, что индекс цветопередачи 80 это гарантия хорошего света

Нет. Индекс считается по восьми пастельным образцам и оценивает только точность передачи цвета, не различая желательные и нежелательные смещения. В исследованиях министерства энергетики США девять из двенадцати источников, получивших высшие оценки людей, имели индекс 73 и ниже. При этом порог 80 остаётся обязательным требованием к лампам в Евросоюзе.

При какой яркости светильник начинает слепить

Универсального порога не существует: согласованной модели, предсказывающей наличие и силу дискомфорта, в науке о свете нет, разброс между исследованиями велик. Нормировано другое: при яркости источника от 20 000 кд/м² европейский стандарт рабочего освещения требует защитный угол не менее 15 градусов, если источник виден напрямую.

Источники

• CIE S 017:2020 ILV, Международный светотехнический словарь, 2-е издание. Термины 17-21-039, 17-21-045, 17-21-050, 17-21-060.
• BIPM. Международная система единиц (СИ), 9-е издание, 2019. Определение канделы.
• CIE 117-1995. Discomfort glare in interior lighting. Методика UGR.
• CIE 232:2019. Discomfort caused by glare from luminaires with a non-uniform source luminance.
• prEN 12464-1:2019, проект европейского стандарта освещения рабочих мест внутри зданий (лёг в основу редакции 2021 года). Область применения, таблицы допустимых показателей дискомфорта, защитные углы, отражение поверхностей, освещённость окружения и фона.
• СП 52.13330.2016 «Естественное и искусственное освещение», приложение Л. Нормы для жилых и общественных помещений.
• Fotios S., Kent M. Measuring Discomfort from Glare: Recommendations for Good Practice. LEUKOS, 2020.
• ANSI/IES RP-1-20. Recommended Practice: Lighting Office Spaces, в изложении обзора Frontiers in Psychiatry, 2021.
• Royer M. P. Tutorial: Background and Guidance for Using the ANSI/IES TM-30 Method. LEUKOS, 2022.
• U.S. Department of Energy. 2022 Solid-State Lighting R&D Opportunities. Данные по световой отдаче.
• Commission Delegated Regulation (EU) 2019/2015, Приложение II. Классы энергоэффективности источников света.

Значения европейских норм приведены по официальному проекту стандарта 2019 года: опубликованная редакция 2021 года распространяется на платной основе, и её числа мы не подтверждали по первоисточнику. Российские нормы приведены по действующему своду правил.

Даниил Ковров, руководитель отдела подбора OSVETIM. Ведёт спецификации по свету для частных интерьеров и гостиничных проектов.