『イメージで分かる』光源の明るさ

1. 光源について
2. 光について
3. 光の感じ方
4. 輝度とは
5. 照度とは
6. 全光束とは
7. 光度とは
8. まとめ

光源について

■ 光源とは？

私達の身の回りには、光を発する様々なモノがあります。これらは総称して、“光源”と呼ばれます。最も身近にある自然な光源としては太陽が、また人工的な光源として電球、蛍光灯、LED照明などがあります。これらの光源は光を利用して空間を明るくすることを目的としており、それらは“照明”と呼ばれています。

■ 輝度とは？

光源には照明用途以外のものもあります。一例としてはテレビ、スマートフォン、プロジェクタなど光を発するものです。これらは情報を伝達するために、光を使用して映像や文字を表示することを目的に使用されています。

光について

■ 光とは？

光は電磁波の一種です。電磁波の波長が360～830nmの範囲のものを光（または可視光、可視光線）とよび、この範囲の電磁波は人間の目で感じることができます。目に入る光のうち、波長の長さによって知覚される光の色は異なり、波長400nmでは紫、450nmでは青、550nmでは緑、630nmでは黄色、700nmでは赤といったように感じる色が変化します。

■ 照明の必要性

生活をする上で照明は欠かせないものです。照明が無ければ室内では十分な明かるさ得られず、日常生活に著しい制限を受けます。人間が五感で得ている情報の内、視覚による情報は約80%を占めるといわれており、私達がいかに視覚に頼った活動をしているかがうかがえます。

光の感じ方

■ 光源の明るさと視力

光源が明るければ明るいほど、ものを正確に早く認識できます。例えば室内にある時計は部屋が暗ければ見えにくく、明るければ見えやすくなります。これは明るさと視力に相関関係があるためです。より快適に生活を行うため、日本産業規格（JIS）に住宅の照度基準として作業環境ごとに必要な明るさが規定されています。

■ 明るさの感覚

ところで光源の明るさは何によって決まるのでしょうか？明るさは光源から放射される光の量に依存します。“明るい”、“暗い”といった感覚はその光がどれだけ目に入るかによって決まります。私たちが光源を見たときに感じる明るさを数値で表したものに“輝度”という単位があります。

■ 視覚と輝度

輝度は対象物を目で見た時に感じる明るさの大小を表す単位です。光源は光を発するため輝度は高く、光源で照らされる対象物の輝度は光源よりも低くなります。身近にある光源では太陽の輝度が最も高く、月のおよそ7万倍の輝度になります。

■ 明るさの表し方の違い

光源の明るさを表す表現は輝度の他に“光度”、“照度”、“全光束”など複数あります。例えば上の表のように、同じLEDでも明るさの表し方の違いで、その明るさを表す値は大きく異なります。光源の明るさを表すのに何故複数の表し方があるのでしょうか？

輝度とは

■ 輝度

ここで輝度の定義について説明します。輝度は面光源を観測点から見た時、観測点を通過する単位面積・単位立体角から放射される光束量で定義されます。単位はカンデラ毎平方メートル(cd＊m^-2)になります。輝度は観測者が対象を見たときの明るさを表す指標であり、テレビなどの面光源の明るさを表す指標としてよく用いられます。

■光源の明るさを輝度で比較した場合

さて、ここで1つ質問です。2つの長さの異なる蛍光管があり、その輝度は同じです。それでは、この蛍光管は同じ明るさといえるでしょうか？これは輝度としては同じ値であっても、大きさが違うため40ワットの蛍光管の方が明るいといえます。

■ 同じ輝度で長さが違う照明を部屋に取り付けた場合

より具体的な例として、輝度は同じで長さの異なる照明を部屋に設置した場合を考えてみましょう。部屋Aと部屋Bでは、部屋Aの方が照明が2倍大きいため、部屋Bより明るくなります。このことから、輝度の大小によって照明の明るさを判断するのは適していないといえます。

■ 光源の明るさを輝度で表す対象

輝度で明るさを表すのは光源に限りません。壁や床も輝度でその明るさを表せます。しかし輝度は光源を“見る”目的のものに使用されます。例としては、TVや携帯電話はその明るさを輝度で表すのが一般的です。光源であっても周りを“照らす”目的で使うもの、例えば蛍光管などの照明に対しては明るさを輝度で表現することはありません。

■ 部屋の明るさを表す方法

照明として明るいかどうかは部屋（空間）をどれだけ明るく照らせるかが重要となります。部屋をどれだけ明るく照らせるかを表す単位には“照度”があります。例えば、蛍光管の光が部屋のテーブルをどれだけ照らしているかという観点から、テーブルの照度で部屋の明るさを表せます。

照度とは

■ 輝度

照度は単位面積に入射する光束量で表されます。単位はルクス(lux)、省略記号でルクス(lx)と表される場合もあります。

■テーブルの照度

照度の計算をイメージすると上図のようになります。

■ 照度の注意点

では部屋のテーブルが高くなったらテーブルの照度はどうなるでしょうか。元の部屋をA、テーブルの高さを高くした部屋をA’とした場合、両方の部屋のテーブルの照度を比較すると部屋A’のテーブルの照度の方が高くなります。この事例から環境によって照度は変わることが分かります、しかしそれでは照度によって部屋の明るさを考えることは難しいともいえます。

■ 光源からの距離と照度の関係

照度は光源との距離によってその値が決まります。その例を面積は同じで光源からの距離が倍違う観測面１、２で考えてみましょう。点光源に近い観測面１には放射された部分光束a～gのうちc，d，e，fが入射します。一方で点光源から遠い観測面2には部分光束dしか入射しません。これは観測面の距離が遠ざかることで、照度が減少することを表しており、一般的には照度は光源からの距離の２乗に反比例します。これを照度の逆2乗則といいます。

■ 照度で光源の明るさを表す方法

光源との距離で照度が変わるため、照度で明るさを表すのは勝手が悪く感じられます。しかし、距離を条件として明るさを表現すれば光源の明るさを照度で表すことは可能です。
例えば図のような環境で照度を表す場合、「電球Aは2m離れた距離において、100lxの直下照度を与える」というように照度値が得られた際の距離を結果に付記すれば、照度によって光源の明るさを示すことができます。

■ 照度の問題点

照度を用いることで照明を部屋に取り付けたときの部屋の明るさが分かりますが、照度は観測する場所によって同じ光源でも値が変化してしまいます。照度は光源自体の明るさではなく“任意の場所”に入ってくる光の量でしかないため、光源の明るさを一義的に決めることはできません。
そういった理由から光源同士の明るさの比較には向いていません。

■ 光源（照明）の明るさを比較するには

輝度でも照度でも、様々な照明同士の明るさを比較するには不向きであるといえます。ではどうやって明るさを比較するのがよいでしょうか。その答えとなる指標が“全光束”です。照明から出る光が多ければ、空間を照らす光がトータルで多くなり明るいといえます。反対に照明から出る光が少なければ、空間を照らす光がトータルで少くなり暗いといえます。このように照明から出る光の総量を表す指標を全光束といいます。