坎德拉(cd)- 发光强度单位

 

坎德拉的定义

坎德拉,国际单位制中的沿指定方向发光强度单位,符号cd。当频率为540×1012 Hz的单色辐射的光视效能Kcd以单位lmW-1即cd sr W-1或cd sr kg-1 m-2 s3表示时,取其固定数值为683来定义坎德拉,其中千克、米、秒分别用hc 和ΔνCs定义。

 

坎德拉定义的变迁

光是人类、生物以至自然界赖以生存和发展的一种重要物质。人的眼睛等感觉器官从外界接收的全部信息中,有百分之七十以上来自光。随着科学的进步,人类对光的认识也经历了由现象到本质的发展过程,光度计量学也正是伴随着这一认识过程而产生和发展的。发光强度的原始计量是通过人眼的感觉进行的,大约200年前,人们已经使用“烛光”作为发光强度的单位,它是一支蜡烛在水平方向上的发光强度,这些蜡烛包括1860年英国都市气灯法规所采用的“鲸蜡”,以及后来的菜油灯、戊烷灯和纯乙酸戊酯灯等标准光源。

 

 

科学家们很早就从理论上开始探讨发光强度的定义。早在18世纪,介绍目视光度测量方法以及光通量、发光强度、照度、亮度等重要光度学参数的专著就已问世,这些专著和相关研究工作对光度计量的发展具有重要意义。1881年,国际电工技术委员会根据科学技术的发展和需要,把 “烛光”规定为国际单位,定义如下:将一磅鲸鱼油脂制成六支蜡烛,以每小时120格令的速度燃烧时,在水平方向的发光强度为1烛光。上述定义中的格令为质量单位。从这个定义可以看出,发光强度不仅与燃料有关,而且还与灯芯、火焰高度等因素有关,因此它的复现性和稳定性都不理想。1879年,维奥列(J. Violle)为了克服火焰标准的缺陷,建议采用凝固过程的纯铂金槽一平方厘米表面发出的光强度作为发光强度标准,但由于多种技术原因,其重复性较差,未能采用,但这种想法对后来的光度原级标准的发展有重要的作用。1879年,爱迪生(T. Edison)发明白炽灯,开启了电器照明的新时代,同时也促进了光度技术的发展。1909年为了统一和提高国际范围的发光强度单位的量值,英国、法国和美国三国进行了发光强度的比对,协议采用一组45只炭丝白炽灯所组成的灯组保存比对所得的平均发光强度单位,并命名为“国际烛光”,符号为“ic”。炭丝白炽灯的稳定性较好,但复现性差,因此无法作为原级标准。

 

1908年,Waiolner和Burgess提出用浸没在盛有凝固铂的槽中的黑体发光作为发光强度单位的原级标准。随着黑体辐射理论日臻成熟,1930年后,美、英、法相继建立了铂凝固点黑体光度基准,1937年国际计量委员会所属光度咨询委员会通过了采用铂凝固点黑体定义发光强度的单位的决议,决定从1940年起执行使用“新烛光”为发光强度单位,定义如下:全辐射体在铂凝固温度下的亮度为60新烛光每平方厘米,也就是说在铂凝固点(2042.15K)上,绝对黑体的1cm2面积的1/60部分的发光强度为1烛光。由于第二次世界大战的影响,这一定义未能执行,直到 1948年1月1日第9届国际计量大会才得以实施,并通过用拉丁文——candela(坎德拉)取代新烛光。1967年,第13届国际计量大会考虑到这个定义的措辞还欠严密,决定将坎德拉定义为:坎德拉是在101325牛顿每平方米压力下,处于铂凝固温度的黑体的1/600000m2表面在垂直方向上的光强度。

1971年,第 14届国际计量大会,通过了压力的单位牛顿每平方米的专门名称“帕斯卡”,符号为Pa.这样,坎德拉的定义改为: 坎德拉是在101325Pa压力下,处于铂凝固温度的黑体的1/600000m2表面在垂直方向上的光强度。按照这个发光强度定义,先后有九个国家都建立了黑体辐射光度基准,并进行了国际比对。

 

 

从几次国际比对的结果来看数据差异较大,相差约为±1%。这表明各国在复现坎德拉时,可能还存在着尚未发现的某种系统误差,从而也暴露了上述坎德拉定义存在的问题,且用铂凝固点黑体复现坎德拉的技术复杂难度大,并且费用昂贵。于是,人们重新开始考虑坎德拉的定义,与此同时,辐射计量技术开始迅速发展。1975年,W.R.Blevin 等人提出基于测量辐射功率重新定义坎德拉,得到了国际计量委员会光度和辐射度咨询委员会的支持,并鼓励有条件的国家用实验方法测量Km值(明视觉最大光谱光视效能,其值为 683 lm/W)。1977年,10个国家(包括中国)的计量研究部门将自己的测量值通知该委员会,平均值为 683 lm/W。于是,国际计量委员会光度和辐射度咨询委员会决定采纳 683 lm/W作为Km值,这样可以保持光度单位的延续性。1979年,第16届国际计量大会通过了关于重新定义坎德拉的决定,新定义为: 坎德拉是一光源在给定方向上的发光强度,该光源发出频率为540×1012赫兹的单色辐射,而在此方向上的辐射强度为1/683瓦特每球面度。

 

 

这一新定义中的540×1012赫兹辐射波长约为555nm,它是人眼视觉最灵敏的波长。这个定义的优点是建立了光度量和辐射度量之间的固定联系,它是一个开放的定义,可以采用多种技术和方法进行量值复现,并能较好地控制实验的准确度。