LED發(fā)光強度的基本單位——坎德拉

發(fā)光強度的基本單位——坎德拉

       發(fā)光強度的基本單位坎德拉是國際單位制的基本單位之一．本文較詳細敘述了它的定義及其歷史演變，簡單介紹了該定義的復現(xiàn)原理、方法和實驗裝置．我國于1982年用電校準輻射計復現(xiàn)發(fā)光強度單位坎德拉，其總的不確定度為±0．28％．最后，對坎德拉的發(fā)展方向作了簡要的說明．

       坎德拉是發(fā)光強度單位，是國際單位制（SI）七個基本單位之一，用符號“cd”表示．

       眾所周知，光是人類、生物以至自然界賴以生存和發(fā)展的一種重要物質(zhì)．科學家研究發(fā)現(xiàn)，人的眼睛等感覺器官，從外界接收的全部信息中，有百分之七十以上來自光．人類對光的認識，也經(jīng)歷了由現(xiàn)象到本質(zhì)的發(fā)展過程，光學計量也正是伴隨著這一認識過程而產(chǎn)生和發(fā)展的．本文僅將發(fā)光強度的定義、演變及其復現(xiàn)作一扼要的介紹．

一．發(fā)光強度的原始定義——燭光

       發(fā)光強度的原始計量是通過人眼的感覺進行的．大約二百年前，已經(jīng)使用“燭光”作為發(fā)光強度的單位．它是一支蠟燭在水平方向上的發(fā)光強度．如 1860年，英國都市氣燈法規(guī)所采用的“鯨蠟”．后來相繼使用的標準光源還有菜油燈、戊烷燈和純乙酸戊酯燈等．

       與此同時，科學家從理論上探討了發(fā)光強度．1727年，P．鮑吉爾發(fā)表他的著作《關(guān)于光分度的光學實驗》，這無疑可認為是目視光度測量的第一個重要嘗試．1760年，朗白在他的一部專著中，詳細闡述和定義了光通量、發(fā)光強度、照度、亮度等重要的光度學參數(shù)，還闡明了它們之間的數(shù)學聯(lián)系．這些研究工作對光度計量的發(fā)展具有重要意義．

       1881年，國際電工技術(shù)委員會根據(jù)科學技術(shù)的發(fā)展和要求，把“燭光”規(guī)定為國際性單位，并定義如下：

       將一磅鯨魚油脂制成六支蠟燭，以每小時120格令的速度燃燒時，在水平方向的發(fā)光強度為1燭光．

       上述定義中的格令為質(zhì)量單位．從這個定義可以看出，發(fā)光強度不僅與燃料有關(guān)，而且還與燈芯、火焰高度等因素有關(guān)，因此它的復現(xiàn)性和穩(wěn)定性都不理想．

       1879年，維奧列為了避免火焰標準的不方便，建議采用凝固過程的純白金槽一平方厘米表面發(fā)出的光強度作為發(fā)光強度標準．由于各種原因（例如鉑的純度不高等），使得其重復性較差，未能采用．但這種想法對后來的光度的發(fā)展有一定的影響．

       1879年，愛迪生發(fā)明白熾燈，人工照明變成現(xiàn)實，同時也促進了光度計量的發(fā)展．1909年英國、法國和美國的有關(guān)研究機構(gòu)，為了統(tǒng)一和提高國際范圍的發(fā)光強度，協(xié)議采用炭絲白熾燈定義發(fā)光強度，即

       由戊烷燈導出并用一組45個炭絲白熾燈所組成的平均發(fā)光強度．并稱之為“國際燭光”．

       炭絲白熾燈的穩(wěn)定性較好，但復現(xiàn)性較差，幾乎無法制出兩個發(fā)光強度一樣的白熾燈，因此這個基準不完全令人滿意，只能是暫時性的．

二、發(fā)光強度的新定義——坎德拉

       1908年，Waiolner和Burgess提出用浸沒在盛有凝固鉑的槽中的黑體作為發(fā)光強度標準．1933年，黑體的性質(zhì)提供一個從理論上解決發(fā)光強度的方法，采用這個原理，新的光度單位將建立在鉑凝固點溫度時的黑體的光輻射上．于是，1937年，國際照明委員會（CIE）和國際計量委員會決定從1940年起使用“新燭光”為發(fā)光強度單位，并定義如下：

       全輻射體在鉑凝固溫度下的亮度為60新燭光每平方厘米．

       也就是說在鉑凝固點（2042．15K）上，絕對黑體的1cm2面積的1／60部分的發(fā)光強度為1燭光．由于第二次世界大戰(zhàn)的耽擱，這一標準沒有執(zhí)行．

       1946年，國際計量委員會根據(jù)1933年第8屆國際計量大會授予的權(quán)力，決定頒布：

       1舊燭光=1．005新燭光．

       1948年，第9屆國際計量大會通過用拉丁文——candela（坎德拉）取代新燭光，坎德拉意為“用獸油制作的蠟燭”．

       1967年，第13屆國際計量大會考慮到這個定義的措辭還欠嚴密，決定將坎德拉定義為：

       坎德拉是在101325牛頓每平方米壓力下，處于鉑凝固溫度的黑體的1／600000m2表面在垂直方向上的光強度．

       1971年，第 14屆國際計量大會，通過了壓力的單位牛頓每平方米的專門名稱“帕斯卡”，符號為Pa．這樣，坎德拉的定義改為：

       坎德拉是在101325Pa壓力下，處于鉑凝固溫度的黑體的1／600000m2表面在垂直方向上的光強度．

       這個定義有兩個名詞需要解釋一下：

       1．鉑的凝固點：我們在常識上可以理解的固體熔化就為液體，而后又形成蒸氣，在這個過程中，雖然它們共存時的溫度是固定的，但它們卻不能固定在任何一個狀態(tài)上，在給定固體加熱的過程中，其溫度逐漸上升，在剛一熔化時溫度是固定的，固體完全熔化后又開始升溫，在它們的交接處就是凝固點．

       2．黑體：黑體是一種假想的能量輻射源，在評價其他輻射源時，用它作為比較光源和參考光源，它是一種其輻射僅依賴于溫度的輻射體．這樣的一種物體，它能夠在任何溫度下將輻射到它表面上的任何波長的能量全部吸收．換言之，在輻射體的任何溫度下，絕對黑體光譜吸收率都等于1．

       例如，如果給完全封閉的房間打上小孔射入光，光就不斷地反射到墻壁上，然而都不能返回到原來的孔中，而全部輻射到里面了．如果將熾化的金屬塊放入空洞里，就是輻照內(nèi)部，光也不會反射到外面．若將這個金屬塊換為在凝固點的鉑放入空洞，它又輻射又不輻射，則可將這種空洞定義為黑體．具有很小的窺視孔的空洞大體接近于黑體．

       實際上，根據(jù)物理學的表現(xiàn)形式，完全的發(fā)光體也就是完全的黑體．

       按照這個發(fā)光強度定義，世界許多國家都建立了坎德拉的黑體輻射基準，并進行了國際比對．

三、坎德拉的最新定義

       70年代，幾個國家實驗室利用黑體輻基準復現(xiàn)的坎德拉，其數(shù)據(jù)差異較大，從幾次國際比對的結(jié)果來看，相差約為±1％．這表明各國在復現(xiàn)坎德拉時，可能還存在著尚未發(fā)現(xiàn)的某種系統(tǒng)誤差，從而也暴露了上述坎德拉定義存在的問題．于是，人們重新開始考慮坎德拉的定義．與此同時，輻射計量技術(shù)迅速發(fā)展，有些國家已經(jīng)利用它復現(xiàn)了坎德拉，并達到同樣的準確度．1975年，W．R．Blevin 等人提出重新定義坎德拉，得到了國際計量委員會和輻射度咨詢委員會（CCPR）的支持，并鼓勵有條件的國家用實驗方法測量Km值（明視覺最大光譜光視效能，其值為 6831m／W）．到 1977年為止，已有10個國家（包括中國）的計量研究部門將自己的測量值通知該委員會，大多數(shù)國家的測量值接近 6831m／W，從理論計算的Km值恰好也為此數(shù)．于是，CCPR決定采納 6831m／W作為Km值，這樣可以保持光度單位的延續(xù)性．于是，1979年10月8日在巴黎召開的第16屆國際計量大會上廢除了國際計量委員會根據(jù)1933年第8屆國際計量大會授權(quán)，于1946年決定并經(jīng)1948年第9屆國際計量大會批準和第13屆國際計量大會修訂的坎德拉定義．同時，通過了一項關(guān)于重新定義坎德拉的重要決定．新定義為：

       坎德拉是一光源在給定方向上的發(fā)光強度，該光源發(fā)出頻率為540×1012赫茲的單色輻射，而旦在此方向上的輻射強度為1／683瓦特每球面度．

       定義中的540×1012赫茲輻射波長約為555nm，它是人眼感覺最靈敏的波長．

       這個定義的優(yōu)點是容易復現(xiàn)，因發(fā)光強度與輻射量之間的關(guān)系按定義固定不變，而光強度單位與其他功率單位（如瓦特），采用簡單的關(guān)系就能研制出各種實驗方法，并能較好地控制實驗的準確度．

四、坎德拉的復現(xiàn)

       目前，各國復現(xiàn)坎德拉的主要方法有兩種：一是電校準輻射計法，二是光譜輻射法．前者復現(xiàn)準確度高，后者則由于分光后信號很弱，不易測準，故誤差較大．下面簡單介紹一下電校準輻射計法復現(xiàn)坎德拉的原理及其主要實驗裝置．

1．坎德拉的復現(xiàn)原理

由光度學基本原理可知，光源在固定距離下的光照度Ev與相應的光譜輻照度Ee,λ的關(guān)系為

式中Km為明視覺最大光譜效能，V（λ）為CIE標準光度觀察的光譜效率．

當放入V（λ）濾光器時，在限制光闌處得到的輻照度由下式計算：

式中τ555為濾光器在555nm處的透射比，τ（λ）為相對光譜透射比，l為光源到限制光闌的距離，△為光線通過濾光器后的光程修正．

由上面兩個公式可以看出，不放濾光器時輻射計限制光闌處的光照度為

式中Ek,λ為光源的相對光譜功率分布．因為在兩個積分中，有絕對光譜輻照度Ek,λ共同的因子，所以不需要對它進行計算，而用相對光譜功率分布Ek,λ所代替．

EV求得后，根據(jù)距離平方反比定律，即可算出光源的發(fā)光強度IV：

IV=L2EV．

這就是復現(xiàn)發(fā)光強度坎德拉主要原理．

2．復現(xiàn)坎德拉的實驗裝置

       裝置如圖1所示，它放在6m長的光軌上，輻射計置于一個特制的滑車支架上，其位置可精密調(diào)整．下面把實驗裝置中主要部分介紹如下：錐腔型輻射計3是測量輻射功率的基準，將它置于熱屏蔽箱內(nèi)，使錐型輻射計避免環(huán)境溫度變化而產(chǎn)生熱電勢的漂移．在本實驗中，用它測量標準燈在輻射計的限制光闌表面上所產(chǎn)生的輻照度．V（λ）濾光器4是由四片有色玻璃組成，用以修正輻射計光譜靈敏度，使其與明視覺光譜光視效率V（λ）相接近．擋屏7是用以阻擋雜散輻射進入輻射計內(nèi)．

       將燈絲平面，通水快門光閘5，6，法光器4，輻射計的限制光闌的中心精確調(diào)整在同一測量軸線上，且讓燈絲平面和限制光闌垂直于該軸線，輻射計在熱屏蔽箱內(nèi)放置 10h左右，待其溫度分布均勻后，即可開始測量．