LED發(fā)光強度的基本單位——坎德拉

作者：時(shí)間：2011-10-23 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )

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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(jiǎn)單介紹了該定義的復現原理、方法和實(shí)驗裝置．我國于1982年用電校準輻射計復現發(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(jiǎn)要的說(shuō)明．

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

眾所周知，光是人類(lèi)、生物以至自然界賴(lài)以生存和發(fā)展的一種重要物質(zhì)．科學(xué)家研究發(fā)現，人的眼睛等感覺(jué)器官，從外界接收的全部信息中，有百分之七十以上來(lái)自光．人類(lèi)對光的認識，也經(jīng)歷了由現象到本質(zhì)的發(fā)展過(guò)程，光學(xué)計量也正是伴隨著(zhù)這一認識過(guò)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(guò)人眼的感覺(jué)進(jìn)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，英國都市氣燈法規所采用的“鯨蠟”．后來(lái)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(shí)，科學(xué)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(zhù)作《關(guān)于光分度的光學(xué)實(shí)驗》，這無(wú)疑可認為是目視光度測量的第一個(gè)重要嘗試．1760年，朗白在他的一部專(zhuān)著(zhù)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(xué)參數，還闡明了它們之間的數學(xué)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(huì )根據科學(xué)技術(shù)的發(fā)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(yú)油脂制成六支蠟燭，以每小時(shí)120格令的速度燃燒時(shí)，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(gè)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(guò)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(lái)的光度的發(fā)展有一定的影響．

1879年，愛(ài)迪生發(fā)明白熾燈，人工照明變成現實(shí)，同時(shí)也促進(jìn)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，為了統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(gè)炭絲白熾燈所組成的平均發(fā)光強度．并稱(chēng)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(wú)法制出兩個(gè)發(fā)光強度一樣的白熾燈，因此這個(gè)基準不完全令人滿(mǎn)意，只能是暫時(shí)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(méi)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(gè)從理論上解決發(fā)光強度的方法，采用這個(gè)原理，新的光度單位將建立在鉑凝固點(diǎn)溫度時(shí)的黑體的光輻射上．于是，1937年，國際照明委員會(huì )（CIE）和國際計量委員會(huì )決定從1940年起使用“新?tīng)T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?tīng)T光每平方厘米．

也就是說(shuō)在鉑凝固點(diǎn)（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的耽擱，這一標準沒(méi)有執行．

1946年，國際計量委員會(huì )根據1933年第8屆國際計量大會(huì )授予的權力，決定頒布：

1舊燭光=1．005新?tīng)T光．

1948年，第9屆國際計量大會(huì )通過(guò)用拉丁文——candela（坎德拉）取代新?tīng)T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(huì )考慮到這個(gè)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(huì )，通過(guò)了壓力的單位牛頓每平方米的專(zhuān)門(mén)名稱(chēng)“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(gè)定義有兩個(gè)名詞需要解釋一下：

1．鉑的凝固點(diǎn)：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(gè)過(guò)程中，雖然它們共存時(shí)的溫度是固定的，但它們卻不能固定在任何一個(gè)狀態(tài)上，在給定固體加熱的過(guò)程中，其溫度逐漸上升，在剛一熔化時(shí)溫度是固定的，固體完全熔化后又開(kāi)始升溫，在它們的交接處就是凝固點(diǎn)．

2．黑體：黑體是一種假想的能量輻射源，在評價(jià)其他輻射源時(shí)，用它作為比較光源和參考光源，它是一種其輻射僅依賴(lài)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(cháng)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(lái)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(huì )反射到外面．若將這個(gè)金屬塊換為在凝固點(diǎn)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(shí)際上，根據物理學(xué)的表現形式，完全的發(fā)光體也就是完全的黑體．

按照這個(gè)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(jìn)行了國際比對．

三、坎德拉的最新定義

70年代，幾個(gè)國家實(shí)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(lái)看，相差約為±1％．這表明各國在復現坎德拉時(shí)，可能還存在著(zhù)尚未發(fā)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(wèn)題．于是，人們重新開(kāi)始考慮坎德拉的定義．與此同時(shí)，輻射計量技術(shù)迅速發(fā)展，有些國家已經(jīng)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(huì )和輻射度咨詢(xún)委員會(huì )（CCPR）的支持，并鼓勵有條件的國家用實(shí)驗方法測量Km值（明視覺(jué)最大光譜光視效能，其值為 6831m／W）．到 1977年為止，已有10個(gè)國家（包括中國）的計量研究部門(mén)將自己的測量值通知該委員會(huì )，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(kāi)的第16屆國際計量大會(huì )上廢除了國際計量委員會(huì )根據1933年第8屆國際計量大會(huì )授權，于1946年決定并經(jīng)1948年第9屆國際計量大會(huì )批準和第13屆國際計量大會(huì )修訂的坎德拉定義．同時(shí)，通過(guò)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(cháng)約為555nm，它是人眼感覺(jué)最靈敏的波長(cháng)．

這個(gè)定義的優(yōu)點(diǎn)是容易復現，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(jiǎn)單的關(guān)系就能研制出各種實(shí)驗方法，并能較好地控制實(shí)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(jiǎn)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(shí)驗裝置．

1．坎德拉的復現原理

由光度學(xué)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(jué)最大光譜效能，V（λ）為CIE標準光度觀(guān)察的光譜效率．

當放入V（λ）濾光器時(shí)，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(xiàn)通過(guò)濾光器后的光程修正．

由上面兩個(gè)公式可以看出，不放濾光器時(shí)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(gè)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(jìn)行計算，而用相對光譜功率分布Ek,λ所代替

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