光 光度學 坎德拉

光  光度學  坎德拉

施昌彥

    人類的生存不僅借助于太陽、月亮、星星等自然光源，還要借助于火焰、電燈等人造光源。古代中國燧人氏發明的鉆木取火，以及后來出現的油燈、蠟燭等都是火焰光源。美國人愛迪生(T.A.Edison)發明的白熾燈，以及后來出現的熒光燈(日光燈)、半導體燈，高壓汞燈等都是電光源。人們對于光以及這些人造光源的明亮程度的認識，經歷了一段漫長的過程。
    光是什么？光通常是指能引起人眼的感覺(視覺)的電磁輻射或電磁波，其波長范圍從紅光的780nm到紫光的380nm，包括紅、橙、黃、綠、青、藍、紫各種顏色(光譜)的可見光。廣義地說，從780nm以上到1mm左右的電磁波，包括近紅外、遠紅外與極紅外，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，但具備偏振、干涉、衍射，在界面上反射與折射等光的特征，可以用物理光學儀器測出發射這種光的物體。因此，光學中光的概念也包括了紅外和紫外這些可見區以外的光輻射，即包括了波長位于向無線電波過渡區(約1mm)與向x射線過渡區(1nm)之間的電磁輻射。
    光在本質上具有波粒二重性或二像性，即有時表現為荷蘭人惠更斯(C.Huygens)17世紀創立的波動性，有時表現為英國人牛頓(I.Newton)17世紀提倡、愛因斯坦(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中均以光速c運動；如果光的頻率為v，則光子的能量為hv(h為普朗克常數)，動量為hv/c，質量為hv/c2(但靜止質量為零)。這種關于光的波粒二象性的認識，后來成為量子理論的基礎。
    光源的輻射強度，是光源在給定方向的單位立體角上發出的輻射功率(輻射通量)，顯然它是一個客觀的量，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(Radiometry)單純從物理學觀點來研究輻射現象。但是，光源的發光強度卻是一個帶主觀因素的量，即在可見光范圍內，一定功率的光輻射作用于人眼后，會引起有明亮感覺的生理效應。這種效應既與輻射強度有關，也與人的生理狀況和心理因素有關。因為視覺對不同波長的光而言，其敏感程度不一，或者說人眼對光的響應是波長的函數，而每個人的視覺函數又有個體差異。光度學(Photometry)即根據視覺特性和約定規范，來研究和評價輻射的光視效應。
    因此，光度學以人眼與電磁輻射的交互作用為基礎，它所測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)是用標準眼評價的光輻射量，發光強度(單位為坎德拉，cd)是光源在單位立體角內發出的光通量，光亮度(單位為坎德拉每平方米，cd/m2)是單位投影面積上發出的光強度，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)是照度與時間的乘積。
    由于歷史上和實用上原因，光度計量中以坎德拉為SI基本單位，而流明、勒克斯等均為導出單位。早在1860年，英國為適應照明技術的需要，在煤氣條例上規定以一種特制蠟燭的火焰，在水平方向的發光強度為1燭光(candle)。為避免火焰的不規范，1881年在巴黎的首屆國際電氣協會(國際電工委員會即IEC的前身)上，對燭光做了嚴格規定，并批準它為光度的國際性單位。鑒于蠟燭火焰發光的穩定性和復現性差，后來就用有機燃料燈替代了蠟燭。隨著白熾燈的發明，1909年美、英、法三國首先改用一組碳絲白熾燈來保存作為發光強度單位的“國際燭光”，符號為ic，從此結束了火焰光度時期。
    白熾燈的穩定性較好，但復現性較差，于是有人建議用凝固過程中鉑表面的發光強度作為標準。1937年國際計量委員會(CIPM)下設的光度咨詢委員會首次會議決定，從1940年起使用“新燭光”:在鉑凝固溫度下全輻射體(黑體)的亮度為60新燭光/厘米2.1新燭光等于1/1.005國際燭光。由于第二次世界大戰的影響，這個重要決定實際上推遲到1948年第9屆國際計量大會(CGPM)才開始實施，并定名為坎德拉(拉丁文candela)以取代新燭光，從此結束了白熾燈光度時期。為嚴格起見，1967年第13屆CGPM對坎德拉又稍做修正: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光強度為1坎德拉(cd)。
    中國計量科學研究院按此定義在1974年建立了國家黑體輻射光度基準，并相應建立了發光強度副基準和工作基準。國際上先后有9個國家建立了基準并進行過5次國際比對，結果表明各國的一致性并不理想，研制的費用和技術難度也較高，加上鉑凝固點的值隨著科技進步而多次變動，致使光和黑體輻射之間的關系變得不固定。另一方面，輻射測量技術卻進展迅速，使得坎德拉的復現可以采用電替代輻射計(ESR)，即可以建立在輻射度的基礎上。于是，在1979年第16屆CGPM上重新定義了坎德拉:發出頻率為540×1012Hz，給定方向上輻射強度為1/683 W.sr-1的光源，在此方向上的發光強度為1坎德拉(cd)。從此結束了鉑點黑體光度時期。
    這是一個開放性的定義，它允許以多種方式復現坎德拉。我國復現的方法是用一套性能穩定的電校準絕對輻射計，配上明視覺光譜光效率函數V(λ)修正濾光器，構成一組光譜響應度與V(λ)一致的基準接受器。用這組基準接受器，測定一組光強副基準燈的發光強度，然后由副基準燈將發光強度傳遞到工作基準燈組。1985年，我國參加了國際計量局(BIPM)組織的光度國際比對，結果表明新復現的發光強度單位量值比國際平均值大0.2%，而光通量單位量值則大0.4%，因而基本上是一致的。通過比對，BIPM保持的新的國際平均坎德拉比1961年的國際平均坎德拉小1%，而流明則比1952年的大0.7%。
    1987年1月，BIPM調整了所保持的坎德拉和流明的量值。我國在1993年1月，對光輻射計量單位量值也做了相應調整，以便與國際上保持一致，并有利于消除國際貿易中的技術壁壘。

看來光的計量是最難的，這么高的國家基準還百分之零點幾的誤差。
相比之下，盡管質量目前還是實物基準，但可以準確到1E-8級別。