人類的生(shēng)存不僅借助於太陽、月亮、星(xīng)星等自然光源(yuán),還要借助於火(huǒ)焰、電燈等人造光源。古代中國燧人氏發明的鑽木取(qǔ)火,以及後來出現的油燈、蠟燭等都(dōu)是火(huǒ)焰光源。美國人愛迪生(T.A.Edison)發明(míng)的白熾燈,以及後來出現的熒光燈(日(rì)光燈)、半導體燈,高壓汞燈(dēng)等(děng)都是電光源(yuán)。人們對於光以及這些人造光源的明亮程度的認識,經曆了一段漫長的過程。
光是什麽(me)?光通常(cháng)是指能引起人眼的感覺(視(shì)覺)的電磁輻射或電磁波,其波長範圍從(cóng)紅光的780nm到紫光的(de)380nm,包括紅(hóng)、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(dào)1mm左右的(de)電磁波,包括近紅外(wài)、遠紅外與極紅外(wài),被稱為紅外(wài)光或(huò)紅外線;從380nm以下到1nm,包括近紫外、遠紫外與(yǔ)極紫外(真空紫外),被稱為紫外光(guāng)或紫外線。這兩(liǎng)種(zhǒng)波段(duàn)的光雖(suī)然不(bú)能(néng)引起視覺,但具備偏振、幹涉、衍射,在界麵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(wù)體。因此,光學中光的概念也(yě)包括了紅外和紫外這些可見區以外的(de)光輻射,即包括了波長位(wèi)於向無線電波(bō)過渡區(約(yuē)1mm)與向x射線過(guò)渡區(1nm)之間的電磁(cí)輻射。
光在(zài)本質上具有波粒二重性或二像性(xìng),即有(yǒu)時(shí)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(lì)的粒子(光子)性。真空中(zhōng)的(de)光子在不同參考係統中均以光速c運動;如果(guǒ)光(guāng)的頻率為v,則光子的能量為hv(h為普朗克常(cháng)數(shù)),動量為hv/c,質量為hv/c2(但靜止質量為零)。這(zhè)種(zhǒng)關於光(guāng)的波粒二象性的認識(shí),後來成(chéng)為(wéi)量子理論的基礎。
光源的(de)輻射強度(dù),是光源在給定(dìng)方向(xiàng)的單位立體角上發出的輻射(shè)功率(輻射(shè)通量),顯然它是(shì)一個客觀的量,隻涉及到SI基本單位的m、kg、s和輔(fǔ)助單位球麵(miàn)度(sr)。所(suǒ)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(dù)卻是一個帶(dài)主觀因素的量,即在可見光範圍內,一定功率的光輻射作用於(yú)人眼後(hòu),會引起有(yǒu)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(lǐ)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(chéng)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(shù)又有個體差異。光(guāng)度學(Photometry)即根據視覺(jiào)特(tè)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(lǐ)—心理(lǐ)—物理量。例如:光通量(liàng)(單位為流(liú)明,Im)是用標準眼評價的光輻射量,發(fā)光強度(dù)(單位為(wéi)坎德拉(lā),cd)是光源在單位立體角內發出(chū)的光通量,光亮度(單位為坎德拉每平方米,cd/m2)是單位(wèi)投影麵積上發出的光(guāng)強(qiáng)度,光照度(單位為勒克斯,lx)是單位麵積所接受到的光通量,曝光量(單(dān)位為勒克斯秒(miǎo),lx·s)是(shì)照(zhào)度(dù)與時間的乘積。
由於曆(lì)史上和實用上原因,光(guāng)度計量中以(yǐ)坎德拉為SI基本單位,而流明(míng)、勒克斯等均為導出單位。早在1860年(nián),英國為適(shì)應照明技術的需要,在煤氣條例上規(guī)定以一種特製蠟燭的火焰,在水(shuǐ)平方向的發光強度(dù)為1燭光(candle)。為避免火焰的不規範,1881年在巴(bā)黎的首屆國際電氣協(xié)會(國際電工委(wěi)員會即IEC的前身)上,對燭光做了嚴格規定,並批準它為光度的國際性單(dān)位。鑒於蠟燭火焰發光的穩定性和複現性差,後來就用有機燃料燈替代了蠟燭。隨著白熾燈的發(fā)明,1909年美、英、法三(sān)國首先改用一(yī)組碳絲白熾燈來保存作為發光強度(dù)單位(wèi)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,但複現性較差,於是有(yǒu)人建議用凝固過程中鉑表麵的發光強度(dù)作為標準。1937年國際計量委員會(CIPM)下設的光度谘詢委員會首次會議決定,從1940年起使用(yòng)“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(xīn)燭光等於1/1.005國際燭光。由於第二次世界大戰的影響(xiǎng),這個(gè)重(chóng)要決定實際上推遲到1948年第9屆國際(jì)計量大會(CGPM)才開始實施,並定名為(wéi)坎德拉(lā)(拉丁文candela)以取代新燭光,從此結束了白熾燈光度時期。為(wéi)嚴格起見,1967年第13屆CGPM對坎德拉又稍(shāo)做修正:在101325N/m2壓力(lì)下(xià),處於鉑凝(níng)固(gù)溫度(2045K)的黑體(tǐ),其1/600000m2表麵在垂直方向上(shàng)的發光強度為1坎德拉(lā)(cd)。
中國計量科學研究院按此(cǐ)定義(yì)在1974年建立了國家黑體輻射光度基準,並相應建(jiàn)立了發光(guāng)強度副基準和工作基(jī)準。國際(jì)上先後有9個國家建立了(le)基準並進行過5次國際比對(duì),結果表明各國的一致性並(bìng)不理想,研(yán)製的費(fèi)用和技術難度也較(jiào)高,加上鉑凝固點的(de)值(zhí)隨著科技進步而多(duō)次變動,致使光(guāng)和黑體輻射之間的關係變得不固定。另一方麵,輻射測量技術卻進展迅速,使得坎德拉的複現可以采用(yòng)電替(tì)代輻射計(ESR),即可以建立在輻射(shè)度的基礎上。於是,在(zài)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(dù)為(wéi)1/683 W.sr-1的光源,在此方向上的發光(guāng)強度為1坎德拉(cd)。從此結(jié)束了鉑點黑體光度時期。
這是一個開放性的定義,它允許以多種方式複現坎德拉。我國複現的方法是用一(yī)套性能穩定的電(diàn)校準絕對輻射(shè)計,配上明(míng)視覺光譜光(guāng)效率函數V(λ)修正濾(lǜ)光器,構成一組光譜響(xiǎng)應度與V(λ)一致的基(jī)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,然後由副基準燈將(jiāng)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(jú)(BIPM)組(zǔ)織的光度國際比對,結果表明新複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(běn)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(lā)小(xiǎo)1%,而流明則比1952年的大0.7%。
1987年1月,BIPM調(diào)整(zhěng)了(le)所保持的坎德拉和流明的量值。我國(guó)在1993年1月,對光(guāng)輻射計量單位量值也做了相應(yīng)調整,以便與國際上保持(chí)一致(zhì),並有利於消除國際貿易中的技術壁壘。
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