かなり前から懐中電灯にちょっとハマっていたような気がします。おそらく80年代にマグライトが流行った頃からでしょう。単3電池2本で動くミニマグライトが大好きでした。持ち運びに便利なサイズなのに、実際に使えるほど明るくて。少し大きくなった頃には、自分で懐中電灯を作ったり改造したりもしました。中でもお気に入りだったのは、洞窟ダイビングに使っていた水中ライトです。大きな鉛蓄電池で動き、25ワットのプロジェクター電球に電力を供給していました。あれは最高でしたが（持ち運びにはあまり向いていませんでしたが）。
最近は超高輝度LEDライトが手に入ります。安くて長持ちするので、もはや最高の懐中電灯を探すのは無意味かもしれませんね。でも、物理学を勉強することには必ず意味があります！そこで、次のステップは明るさを分析することです。それが私の仕事です。
私の持っている懐中電灯の明るさは900ルーメンと書いてあるんだけど、ルーメンって一体何なんだろう？
実のところ、光の研究は本当に古い歴史を持っています。昔は、高価なLEDライトを使ったり、コンピューターで計測したりしていませんでした。そう、ただろうそくを使っていたのです。実は、ルーメンという単位はろうそくから来ています。そう、本物のろうそくです。厳密に言うと、標準ろうそく、つまり特定の再現可能な明るさの炎を出すろうそくから来ています。ろうそくの光は広がるにつれて強度が弱まり、ろうそくを囲む球面全体で強度を積分すると、総出力（専門的には光束と呼ばれます。なかなか面白い響きですね）が得られます。ろうそく1本の明るさは4πルーメンです（4πは球面の面積に由来します）。
でもちょっと待ってください！これは総出力とどう違うのでしょうか？はい、ライトは時間当たりのエネルギーを放出しており、これはワット単位で計算できます。一般的なライトの場合、このエネルギーの多くは人間の目には感知できない形で放出されます。例えば赤外線スペクトルの成分などです。つまり、ルーメン単位の明るさは、人間が感知できる範囲の明るさだけを表しています。実際、これは良いことです。なぜなら、科学が発展した初期の頃は、人間の目しか光検出器として使えなかったからです。
懐中電灯の明るさを測りたい場合、目を使うのは避けたいものです。目は数値として出力してくれないからです。つまり、光が特定の明るさを持っていると納得してもらうには、何か奇妙なことをしなければならないということです。そこで、代わりに光センサー（私はこれを使っています）を使います。ただし、これは明るさそのものを測るのではなく、光度（少なくとも私はそう呼んでいますが、照度と呼ぶ人もいます）を測ります。これは単位面積あたりの目に見える明るさで、ルクスという単位で測定されます。
少し分かりにくくなってきたので、例え話をしましょう。雨に濡れている紙があるとします。濡れた紙について考慮すべき点が2つあります。まず、雨の降る速さです。雨は強く降ることもあれば、弱く降ることもあります。これは光度に似ています。次に、水が紙に当たる速さです。これは雨の降る速さと紙のサイズの両方に依存します。紙に当たる雨の総量は、光束（ルーメン単位）に似ています。
光束を計算するには、光度を測定し、それがある領域にわたって一定であると仮定します。光度と面積を掛け合わせると、ルーメン単位の光束が得られます。そこで、実際にやってみます。懐中電灯を光センサーに当てます。また、懐中電灯が作り出す光点の大きさ（平方メートル単位）を測定します。もし光度が領域全体で一定であれば、面積とルクス値を掛け合わせるだけで済みます。
しかし、グラフを作るのが好きなので、少しバリエーションを作ってみます。私の懐中電灯はスポットサイズを可変にできるので、強度をスポット面積で割った値をプロットできます。この直線の傾きが光束になるはずです。それでは、やってみましょう。（オンラインのグラフはこちらです）
かなり直線的に見えるので、良いですね。しかし、傾きが130ルーメンになってしまいました。これは良くありません。この懐中電灯の定格出力は900ルーメンなのに。さて、この値にはいくつか問題点がありそうです。
- 懐中電灯が間違っています。900ルーメンではなく、130ルーメンです。
- 間違った仮定をしていました。光度はスポット全体にわたってほぼ一定だと仮定していたのです。もし一定でなければ、異なる場所で光度を測定し、その面積にわたって積分しなければなりません。私の仮定はとんでもなく間違っていたとは思いません。もし間違っていたら、面積全体における光度と1のプロットは直線にならなかったはずです。
- 表示されている懐中電灯の明るさは、光センサーで測定された波長とは異なる波長に基づいている可能性があります。しかし、これは本来起こるべきことではありません。
- 最後に、どこかで失敗した可能性は常にあります。
明るさはともかく、なかなか良い懐中電灯ですね。でも、水冷式のLEDライトを自作してみたらどうでしょう？面白そう。
