光 光度學(xué) 坎德拉

光  光度學(xué)  坎德拉

施昌彥

    人類(lèi)的生存不僅借助于太陽(yáng)、月亮、星星等自然光源，還要借助于火焰、電燈等人造光源。古代中國(guó)燧人氏發(fā)明的鉆木取火，以及后來(lái)出現(xiàn)的油燈、蠟燭等都是火焰光源。美國(guó)人愛(ài)迪生(T.A.Edison)發(fā)明的白熾燈，以及后來(lái)出現(xiàn)的熒光燈(日光燈)、半導(dǎo)體燈，高壓汞燈等都是電光源。人們對(duì)于光以及這些人造光源的明亮程度的認(rèn)識(shí)，經(jīng)歷了一段漫長(zhǎng)的過(guò)程。
    光是什么？光通常是指能引起人眼的感覺(jué)(視覺(jué))的電磁輻射或電磁波，其波長(zhǎng)范圍從紅光的780nm到紫光的380nm，包括紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫各種顏色(光譜)的可見(jiàn)光。廣義地說(shuō)，從780nm以上到1mm左右的電磁波，包括近紅外、遠(yuǎn)紅外與極紅外，被稱為紅外光或紅外線；從380nm以下到1nm，包括近紫外、遠(yuǎn)紫外與極紫外(真空紫外)，被稱為紫外光或紫外線。這兩種波段的光雖然不能引起視覺(jué)，但具備偏振、干涉、衍射，在界面上反射與折射等光的特征，可以用物理光學(xué)儀器測(cè)出發(fā)射這種光的物體。因此，光學(xué)中光的概念也包括了紅外和紫外這些可見(jiàn)區(qū)以外的光輻射，即包括了波長(zhǎng)位于向無(wú)線電波過(guò)渡區(qū)(約1mm)與向x射線過(guò)渡區(qū)(1nm)之間的電磁輻射。
    光在本質(zhì)上具有波粒二重性或二像性，即有時(shí)表現(xiàn)為荷蘭人惠更斯(C.Huygens)17世紀(jì)創(chuàng)立的波動(dòng)性，有時(shí)表現(xiàn)為英國(guó)人牛頓(I.Newton)17世紀(jì)提倡、愛(ài)因斯坦(T.A.Einstein)1905年確立的粒子(光子)性。真空中的光子在不同參考系統(tǒng)中均以光速c運(yùn)動(dòng)；如果光的頻率為v，則光子的能量為hv(h為普朗克常數(shù))，動(dòng)量為hv/c，質(zhì)量為hv/c2(但靜止質(zhì)量為零)。這種關(guān)于光的波粒二象性的認(rèn)識(shí)，后來(lái)成為量子理論的基礎(chǔ)。
    光源的輻射強(qiáng)度，是光源在給定方向的單位立體角上發(fā)出的輻射功率(輻射通量)，顯然它是一個(gè)客觀的量，只涉及到SI基本單位的m、kg、s和輔助單位球面度(sr)。所以，輻射度學(xué)(Radiometry)單純從物理學(xué)觀點(diǎn)來(lái)研究輻射現(xiàn)象。但是，光源的發(fā)光強(qiáng)度卻是一個(gè)帶主觀因素的量，即在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，一定功率的光輻射作用于人眼后，會(huì)引起有明亮感覺(jué)的生理效應(yīng)。這種效應(yīng)既與輻射強(qiáng)度有關(guān)，也與人的生理狀況和心理因素有關(guān)。因?yàn)橐曈X(jué)對(duì)不同波長(zhǎng)的光而言，其敏感程度不一，或者說(shuō)人眼對(duì)光的響應(yīng)是波長(zhǎng)的函數(shù)，而每個(gè)人的視覺(jué)函數(shù)又有個(gè)體差異。光度學(xué)(Photometry)即根據(jù)視覺(jué)特性和約定規(guī)范，來(lái)研究和評(píng)價(jià)輻射的光視效應(yīng)。
    因此，光度學(xué)以人眼與電磁輻射的交互作用為基礎(chǔ)，它所測(cè)量的不是純粹的物理量，而是一種生理—心理—物理量。例如:光通量(單位為流明，Im)是用標(biāo)準(zhǔn)眼評(píng)價(jià)的光輻射量，發(fā)光強(qiáng)度(單位為坎德拉，cd)是光源在單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量，光亮度(單位為坎德拉每平方米，cd/m2)是單位投影面積上發(fā)出的光強(qiáng)度，光照度(單位為勒克斯，lx)是單位面積所接受到的光通量，曝光量(單位為勒克斯秒，lx·s)是照度與時(shí)間的乘積。
    由于歷史上和實(shí)用上原因，光度計(jì)量中以坎德拉為SI基本單位，而流明、勒克斯等均為導(dǎo)出單位。早在1860年，英國(guó)為適應(yīng)照明技術(shù)的需要，在煤氣條例上規(guī)定以一種特制蠟燭的火焰，在水平方向的發(fā)光強(qiáng)度為1燭光(candle)。為避免火焰的不規(guī)范，1881年在巴黎的首屆國(guó)際電氣協(xié)會(huì)(國(guó)際電工委員會(huì)即IEC的前身)上，對(duì)燭光做了嚴(yán)格規(guī)定，并批準(zhǔn)它為光度的國(guó)際性單位。鑒于蠟燭火焰發(fā)光的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性差，后來(lái)就用有機(jī)燃料燈替代了蠟燭。隨著白熾燈的發(fā)明，1909年美、英、法三國(guó)首先改用一組碳絲白熾燈來(lái)保存作為發(fā)光強(qiáng)度單位的“國(guó)際燭光”，符號(hào)為ic，從此結(jié)束了火焰光度時(shí)期。
    白熾燈的穩(wěn)定性較好，但復(fù)現(xiàn)性較差，于是有人建議用凝固過(guò)程中鉑表面的發(fā)光強(qiáng)度作為標(biāo)準(zhǔn)。1937年國(guó)際計(jì)量委員會(huì)(CIPM)下設(shè)的光度咨詢委員會(huì)首次會(huì)議決定，從1940年起使用“新?tīng)T光”:在鉑凝固溫度下全輻射體(黑體)的亮度為60新?tīng)T光/厘米2.1新?tīng)T光等于1/1.005國(guó)際燭光。由于第二次世界大戰(zhàn)的影響，這個(gè)重要決定實(shí)際上推遲到1948年第9屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)(CGPM)才開(kāi)始實(shí)施，并定名為坎德拉(拉丁文candela)以取代新?tīng)T光，從此結(jié)束了白熾燈光度時(shí)期。為嚴(yán)格起見(jiàn)，1967年第13屆CGPM對(duì)坎德拉又稍做修正:在101325N/m2壓力下，處于鉑凝固溫度(2045K)的黑體，其1/600000m2表面在垂直方向上的發(fā)光強(qiáng)度為1坎德拉(cd)。
    中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院按此定義在1974年建立了國(guó)家黑體輻射光度基準(zhǔn)，并相應(yīng)建立了發(fā)光強(qiáng)度副基準(zhǔn)和工作基準(zhǔn)。國(guó)際上先后有9個(gè)國(guó)家建立了基準(zhǔn)并進(jìn)行過(guò)5次國(guó)際比對(duì)，結(jié)果表明各國(guó)的一致性并不理想，研制的費(fèi)用和技術(shù)難度也較高，加上鉑凝固點(diǎn)的值隨著科技進(jìn)步而多次變動(dòng)，致使光和黑體輻射之間的關(guān)系變得不固定。另一方面，輻射測(cè)量技術(shù)卻進(jìn)展迅速，使得坎德拉的復(fù)現(xiàn)可以采用電替代輻射計(jì)(ESR)，即可以建立在輻射度的基礎(chǔ)上。于是，在1979年第16屆CGPM上重新定義了坎德拉:發(fā)出頻率為540×1012Hz，給定方向上輻射強(qiáng)度為1/683 W.sr-1的光源，在此方向上的發(fā)光強(qiáng)度為1坎德拉(cd)。從此結(jié)束了鉑點(diǎn)黑體光度時(shí)期。
    這是一個(gè)開(kāi)放性的定義，它允許以多種方式復(fù)現(xiàn)坎德拉。我國(guó)復(fù)現(xiàn)的方法是用一套性能穩(wěn)定的電校準(zhǔn)絕對(duì)輻射計(jì)，配上明視覺(jué)光譜光效率函數(shù)V(λ)修正濾光器，構(gòu)成一組光譜響應(yīng)度與V(λ)一致的基準(zhǔn)接受器。用這組基準(zhǔn)接受器，測(cè)定一組光強(qiáng)副基準(zhǔn)燈的發(fā)光強(qiáng)度，然后由副基準(zhǔn)燈將發(fā)光強(qiáng)度傳遞到工作基準(zhǔn)燈組。1985年，我國(guó)參加了國(guó)際計(jì)量局(BIPM)組織的光度國(guó)際比對(duì)，結(jié)果表明新復(fù)現(xiàn)的發(fā)光強(qiáng)度單位量值比國(guó)際平均值大0.2%，而光通量單位量值則大0.4%，因而基本上是一致的。通過(guò)比對(duì)，BIPM保持的新的國(guó)際平均坎德拉比1961年的國(guó)際平均坎德拉小1%，而流明則比1952年的大0.7%。
    1987年1月，BIPM調(diào)整了所保持的坎德拉和流明的量值。我國(guó)在1993年1月，對(duì)光輻射計(jì)量單位量值也做了相應(yīng)調(diào)整，以便與國(guó)際上保持一致，并有利于消除國(guó)際貿(mào)易中的技術(shù)壁壘。

看來(lái)光的計(jì)量是最難的，這么高的國(guó)家基準(zhǔn)還百分之零點(diǎn)幾的誤差。
相比之下，盡管質(zhì)量目前還是實(shí)物基準(zhǔn)，但可以準(zhǔn)確到1E-8級(jí)別。

現(xiàn)在計(jì)量設(shè)備的時(shí)候，V(λ)的修正系數(shù)計(jì)量好像還是存在問(wèn)題。不同設(shè)備，設(shè)備使用年限不同，函數(shù)的修正值也是應(yīng)該改變的。