人類的生存不僅借助於太(tài)陽、月亮、星星等自然光源,還要借(jiè)助於火焰、電燈等人造光源。古代中國燧人氏發(fā)明的鑽木取火,以(yǐ)及後來出現的油燈、蠟燭等都是火焰光源。美國人愛迪生(T.A.Edison)發明的(de)白熾燈,以及後來(lái)出現的熒(yíng)光燈(日光燈)、半導體燈,高壓汞燈等都是電光源。人們對於光以及這些人造(zào)光源的明亮(liàng)程度(dù)的認識,經曆了一段漫長的過程。
光是什(shí)麽?光通常是指能引起人眼(yǎn)的感覺(視覺)的電磁輻(fú)射或(huò)電磁波,其波長範圍(wéi)從紅光的780nm到紫光的(de)380nm,包括紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫各種顏色(光譜)的可見光。廣義地說,從(cóng)780nm以上到1mm左右的電磁波,包括(kuò)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(wài)),被稱為紫外光或紫外線(xiàn)。這兩種波段的光雖然不能引起視覺,但具備偏振、幹涉、衍射,在界麵上反射與折射等光(guāng)的特征,可以用(yòng)物理光學(xué)儀器(qì)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(wài)和紫外這些可見區以外的光輻射,即包括了(le)波長位於向無線電波過渡區(約1mm)與向x射線過渡區(qū)(1nm)之間的電磁輻射。
光在本質上具有波(bō)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(wéi)英國人牛頓(I.Newton)17世紀提倡、愛(ài)因斯(sī)坦(T.A.Einstein)1905年確(què)立的粒子(光(guāng)子(zǐ))性(xìng)。真空中的光子在不同(tóng)參考係統(tǒng)中均以光速c運動(dòng);如果光的頻率為v,則光子的能量為hv(h為普(pǔ)朗(lǎng)克(kè)常數),動量為hv/c,質量為(wéi)hv/c2(但(dàn)靜(jìng)止質量(liàng)為零)。這種(zhǒng)關於(yú)光的波粒二象性的認識,後來成為量子理論的基礎(chǔ)。
光源的輻(fú)射強度,是(shì)光源(yuán)在給定方向的單位立體(tǐ)角上發(fā)出的輻射功(gōng)率(lǜ)(輻射通量(liàng)),顯然它是一個客觀的量,隻涉及(jí)到SI基本單位的m、kg、s和輔助單位球麵度(sr)。所以(yǐ),輻射度學(xué)(Radiometry)單純從物理學觀(guān)點來研(yán)究輻射(shè)現象。但是,光源的發(fā)光強度(dù)卻是一個帶主(zhǔ)觀因素的量,即在可見(jiàn)光範圍內(nèi),一定功率(lǜ)的光輻射作用於人眼後,會引起有明亮感覺的(de)生理效應。這種效應既與輻射(shè)強度有關,也與人的生理(lǐ)狀況和心(xīn)理因素有關。因為視覺對不同波長的(de)光而言,其敏(mǐn)感程度不一,或者說人眼對光的響應是波長的函數,而每個(gè)人的視覺函(hán)數又有(yǒu)個體差異。光度學(xué)(Photometry)即根據視覺特性和約定規範,來研究和評價輻射的光視效應。
因此,光度學以人眼與電(diàn)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(lǐ)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(guāng)強度(單位為坎德拉,cd)是光源在單(dān)位(wèi)立體角內發出的光通量,光亮度(單(dān)位為坎德拉每平方米,cd/m2)是(shì)單位投影麵積上發出的光強度,光(guāng)照度(單位(wèi)為勒克斯,lx)是單(dān)位麵積所接(jiē)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。
由於曆史上和實用上原因,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(wéi)導出單位。早在1860年,英(yīng)國(guó)為適應照明技術的(de)需要,在煤氣條例上規定以一種特製蠟燭的火焰,在水平方向的發(fā)光強度為1燭光(candle)。為(wéi)避免火焰的不(bú)規範,1881年在巴(bā)黎的首屆國際電氣協會(國際電(diàn)工委員會即IEC的前身)上,對燭光做了嚴格規定,並批(pī)準它為光度的國際性單位。鑒於蠟燭火焰發光的穩定性和(hé)複現性差,後來就用(yòng)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(dēng)來保存作為(wéi)發光強度單位的(de)“國際燭光”,符號為ic,從此(cǐ)結束了火焰光度時期。
白(bái)熾燈的穩定性較好,但複現性較差,於是有人建議(yì)用凝固過程(chéng)中鉑表麵的發光(guāng)強度作為(wéi)標準。1937年國(guó)際(jì)計量委員會(CIPM)下設的光度谘(zī)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(dù)下全輻射體(黑(hēi)體)的亮度為60新燭光/厘米2.1新燭光等於(yú)1/1.005國際燭光。由於第二次世界大戰的影(yǐng)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,並定名為坎德拉(拉丁文candela)以取代新燭光,從此結束了白熾燈(dēng)光度時期。為嚴格起見,1967年(nián)第13屆CGPM對坎德拉又稍做修正:在101325N/m2壓(yā)力下,處於鉑凝固溫度(2045K)的黑體(tǐ),其1/600000m2表麵(miàn)在垂直方向上的發光強度為1坎德(dé)拉(cd)。
中國計量科學研(yán)究院按此(cǐ)定義在1974年建立了國家黑體輻射光度基(jī)準(zhǔn),並相應建立了發光(guāng)強度副基準和工作基準。國(guó)際上先(xiān)後有9個國家建立了基準並(bìng)進行過5次國際比對,結果表明各國的一致性並不理想,研製(zhì)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(bù)而多次變動,致使光和黑體輻射之間的(de)關係變得不固定。另一方麵,輻射(shè)測量技術卻進展迅速,使得坎(kǎn)德拉(lā)的複現可(kě)以采用電替代輻射計(ESR),即可以建立在輻射度的(de)基(jī)礎上。於是,在1979年第16屆(jiè)CGPM上重新定義(yì)了坎德拉:發出頻率為540?1012Hz,給定方向上輻射強度為(wéi)1/683 W.sr-1的光源(yuán),在此方向上(shàng)的(de)發光強度為1坎德拉(lā)(cd)。從此結束了鉑點黑體光度時(shí)期。
這是一個開放性的定義,它允許以多種方式複現坎德(dé)拉。我國複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(guāng)譜光效率函(hán)數V(λ)修正濾光器,構成一組光(guāng)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(de)發光(guāng)強度,然(rán)後由副基準燈將發光強度傳遞到工作基(jī)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,結果表明新複現的(de)發光強度單位量值比國際平均值大0.2%,而光通量單位(wèi)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(de)國際平均(jun1)坎德拉比1961年的國(guó)際平均坎(kǎn)德拉小1%,而(ér)流明則比1952年的大0.7%。
1987年1月,BIPM調整了所(suǒ)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(yīng)調整,以便與國際上保持一致,並有利於消除國際貿易中的技術壁壘。
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