LED發光強度的基本單位——坎德拉

發光強度的基本單位——坎德拉

       發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原理、方法和實驗裝置．我國于1982年用電校準輻射計復現發光強度單位坎德拉，其總的不確定度為±0．28％．最后，對坎德拉的發展方向作了簡要的說明．

       坎德拉是發光強度單位，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展的一種重要物質．科學家研究發現，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，也經歷了由現象到本質的發展過程，光學計量也正是伴隨著這一認識過程而產生和發展的．本文僅將發光強度的定義、演變及其復現作一扼要的介紹．

一．發光強度的原始定義——燭光

       發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，已經使用“燭光”作為發光強度的單位．它是一支蠟燭在水平方向上的發光強度．如 1860年，英國都市氣燈法規所采用的“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光強度．1727年，P．鮑吉爾發表他的著作《關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、發光強度、照度、亮度等重要的光度學參數，還闡明了它們之間的數學聯系．這些研究工作對光度計量的發展具有重要意義．

       1881年，國際電工技術委員會根據科學技術的發展和要求，把“燭光”規定為國際性單位，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，在水平方向的發光強度為1燭光．

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

       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出的光強度作為發光強度標準．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展有一定的影響．

       1879年，愛迪生發明白熾燈，人工照明變成現實，同時也促進了光度計量的發展．1909年英國、法國和美國的有關研究機構，為了統一和提高國際范圍的發光強度，協議采用炭絲白熾燈定義發光強度，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光強度．并稱之為“國際燭光”．

       炭絲白熾燈的穩定性較好，但復現性較差，幾乎無法制出兩個發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光強度標準．1933年，黑體的性質提供一個從理論上解決發光強度的方法，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部分的發光強度為1燭光．由于第二次世界大戰的耽擱，這一標準沒有執行．

       1946年，國際計量委員會根據1933年第8屆國際計量大會授予的權力，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，根據物理學的表現形式，完全的發光體也就是完全的黑體．

       按照這個發光強度定義，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的坎德拉，其數據差異較大，從幾次國際比對的結果來看，相差約為±1％．這表明各國在復現坎德拉時，可能還存在著尚未發現的某種系統誤差，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，輻射計量技術迅速發展，有些國家已經利用它復現了坎德拉，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，大多數國家的測量值接近 6831m／W，從理論計算的Km值恰好也為此數．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1933年第8屆國際計量大會授權，于1946年決定并經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光強度，該光源發出頻率為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．

       這個定義的優點是容易復現，因發光強度與輻射量之間的關系按定義固定不變，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

       目前，各國復現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坎德拉的原理及其主要實驗裝置．

1．坎德拉的復現原理

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，根據距離平方反比定律，即可算出光源的發光強度IV：

IV=L2EV．

這就是復現發光強度坎德拉主要原理．

2．復現坎德拉的實驗裝置

       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，使錐型輻射計避免環境溫度變化而產生熱電勢的漂移．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．

       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放置 10h左右，待其溫度分布均勻后，即可開始測量．