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光-光度学——坎德拉
发布时间:2019-04-01   阅读:
  人类的生存不仅借助于太阳、月亮、星星等自然光源,还要借助于火焰、电灯等人造光源。古代中国燧人氏发明的钻木取火,以及后来出现的油灯、蜡烛等都是火焰光源。美国人爱迪生(T.A.Edison)发明的白炽灯,以及后来出现的荧光灯(日光灯)、半导体灯,高压汞灯等都是电光源。人们对于光以及这些人造光源的明亮程度的认识,经历了一段漫长的过程。

  光是什么?光通常是指能引起人眼的感觉(视觉)的电磁辐射或电磁波,其波长范围从红光的780nm到紫光的380nm,包括红、橙、黄、绿、青、蓝、紫各种颜色(光谱)的可见光。广义地说,从780nm以上到1mm左右的电磁波,包括近红外、远红外与极红外,被称为红外光或红外线;从380nm以下到1nm,包括近紫外、远紫外与极紫外(真空紫外),被称为紫外光或紫外线。这两种波段的光虽然不能引起视觉,但具备偏振、干涉、衍射,在界面上反射与折射等光的特征,可以用物理光学仪器测出发射这种光的物体。因此,光学中光的概念也包括了红外和紫外这些可见区以外的光辐射,即包括了波长位于向无线电波过渡区(约1mm)与向x射线过渡区(1nm)之间的电磁辐射。

  光在本质上具有波粒二重性或二像性,即有时表现为荷兰人惠更斯(C.Huygens)17世纪创立的波动性,有时表现为英国人牛顿(I.Newton)17世纪提倡、爱因斯坦(T.A.Einstein)1905年确立的粒子(光子)性。真空中的光子在不同参考系统中均以光速c运动;如果光的频率为v,则光子的能量为hv(h为普朗克常数),动量为hv/c,质量为hv/c2(但静止质量为零)。这种关于光的波粒二象性的认识,后来成为量子理论的基础。

  光源的辐射强度,是光源在给定方向的单位立体角上发出的辐射功率(辐射通量),显然它是一个客观的量,只涉及到SI基本单位的m、kg、s和辅助单位球面度(sr)。所以,辐射度学(Radiometry)单纯从物理学观点来研究辐射现象。但是,光源的发光强度却是一个带主观因素的量,即在可见光范围内,一定功率的光辐射作用于人眼后,会引起有明亮感觉的生理效应。这种效应既与辐射强度有关,也与人的生理状况和心理因素有关。因为视觉对不同波长的光而言,其敏感程度不一,或者说人眼对光的响应是波长的函数,而每个人的视觉函数又有个体差异。光度学(Photometry)即根据视觉特性和约定规范,来研究和评价辐射的光视效应。

  因此,光度学以人眼与电磁辐射的交互作用为基础,它所测量的不是纯粹的物理量,而是一种生理—心理—物理量。例如:光通量(单位为流明,Im)是用标准眼评价的光辐射量,发光强度(单位为坎德拉,cd)是光源在单位立体角内发出的光通量,光亮度(单位为坎德拉每平方米,cd/m2)是单位投影面积上发出的光强度,光照度(单位为勒克斯,lx)是单位面积所接受到的光通量,曝光量(单位为勒克斯秒,lx?s)是照度与时间的乘积。

  由于历史上和实用上原因,光度计量中以坎德拉为SI基本单位,而流明、勒克斯等均为导出单位。早在1860年,英国为适应照明技术的需要,在煤气条例上规定以一种特制蜡烛的火焰,在水平方向的发光强度为1烛光(candle)。为避免火焰的不规范,1881年在巴黎的首届国际电气协会(国际电工委员会即IEC的前身)上,对烛光做了严格规定,并批准它为光度的国际性单位。鉴于蜡烛火焰发光的稳定性和复现性差,后来就用有机燃料灯替代了蜡烛。随着白炽灯的发明,1909年美、英、法三国首先改用一组碳丝白炽灯来保存作为发光强度单位的“国际烛光”,符号为ic,从此结束了火焰光度时期。

  白炽灯的稳定性较好,但复现性较差,于是有人建议用凝固过程中铂表面的发光强度作为标准。1937年国际计量委员会(CIPM)下设的光度咨询委员会首次会议决定,从1940年起使用“新烛光”:在铂凝固温度下全辐射体(黑体)的亮度为60新烛光/厘米2.1新烛光等于1/1.005国际烛光。由于第二次世界大战的影响,这个重要决定实际上推迟到1948年第9届国际计量大会(CGPM)才开始实施,并定名为坎德拉(拉丁文candela)以取代新烛光,从此结束了白炽灯光度时期。为严格起见,1967年第13届CGPM对坎德拉又稍做修正:在101325N/m2压力下,处于铂凝固温度(2045K)的黑体,其1/600000m2表面在垂直方向上的发光强度为1坎德拉(cd)。

  中国计量科学研究院按此定义在1974年建立了国家黑体辐射光度基准,并相应建立了发光强度副基准和工作基准。国际上先后有9个国家建立了基准并进行过5次国际比对,结果表明各国的一致性并不理想,研制的费用和技术难度也较高,加上铂凝固点的值随着科技进步而多次变动,致使光和黑体辐射之间的关系变得不固定。另一方面,辐射测量技术却进展迅速,使得坎德拉的复现可以采用电替代辐射计(ESR),即可以建立在辐射度的基础上。于是,在1979年第16届CGPM上重新定义了坎德拉:发出频率为540?1012Hz,给定方向上辐射强度为1/683 W.sr-1的光源,在此方向上的发光强度为1坎德拉(cd)。从此结束了铂点黑体光度时期。

  这是一个开放性的定义,它允许以多种方式复现坎德拉。我国复现的方法是用一套性能稳定的电校准绝对辐射计,配上明视觉光谱光效率函数V(λ)修正滤光器,构成一组光谱响应度与V(λ)一致的基准接受器。用这组基准接受器,测定一组光强副基准灯的发光强度,然后由副基准灯将发光强度传递到工作基准灯组。1985年,我国参加了国际计量局(BIPM)组织的光度国际比对,结果表明新复现的发光强度单位量值比国际平均值大0.2%,而光通量单位量值则大0.4%,因而基本上是一致的。通过比对,BIPM保持的新的国际平均坎德拉比1961年的国际平均坎德拉小1%,而流明则比1952年的大0.7%。

  1987年1月,BIPM调整了所保持的坎德拉和流明的量值。我国在1993年1月,对光辐射计量单位量值也做了相应调整,以便与国际上保持一致,并有利于消除国际贸易中的技术壁垒。

来源:中国计量网

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