发光强度查看源代码讨论查看历史

发光强度

来自 孙氏照明 的图片

中文名：发光强度 外文名：luminous intensity 简 称：光强, 光度 国际单位：candela（cd, 坎德拉) 计 算：基尔霍夫积分定理计算 学 科：光度学

发光强度（Luminous intensity），在光度学中简称光强或光度。用于表示光源给定方向上单位立体角内光通量的物理量，国际单位为坎德拉，符号：cd，以前又称烛光、支光。

发光强度的定义考虑人的视觉因素和光学特点，是在人的视觉基础上建立起来的。

容易混淆的是, 在光学中, 光强往往指单位面积的辐射功率, 由于人眼对不同波长光的相对视见率不同，所以不同波长光的辐射功率相等时，其光通量并不相等。

坎德拉的定义

1948年第9届国际计量大会决定用一种绝对黑体辐射器作标准，并给予发光强度以现在的命名：candela（cd，坎德拉）。

1967年第13届国际计量大会定义（现已作废）：“在101,325 Pa的压强下，处于铂凝固点温度的黑体的1/600 000平方米表面在垂直方向上的发光强度。”

1979年第16届国际计量大会通过决议，废除上述定义，规定新定义为：

“坎德拉是发出540 x 10^12Hz 频率的光的单色辐射源在给定方向上的发光强度，该方向上的辐射强度为 1/683 W/sr。”

发光强度的物理表达式

发光体在给定方向上的发光强度是该发光体在该方向的立体角元dΩ内传输的光通量dΦ除以该立体角元所得之商，即单位立体角的光通量。单位为坎德拉（cd），光通量单位为流明（lm），立体角单位为sr，故1cd=1 lm/sr。

光度计量学与国际基本单位坎德拉

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，光学计量正是伴随这一认识过程而产生和发展的。发光强度的原始计量依赖于人眼的感觉。大约二百年前，人们已使用“烛光”作为发光强度的单位，它表示在水平方向上观察一支蜡烛发光的强度，这些蜡烛包括1860年英国都市气灯法规所采用的“鲸蜡”，以及后来菜油灯、戊烷灯和纯乙酸乙酯灯等标准光源。

科学家们很早就从理论上开始探讨讨发光强度的定义。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。1881年，国际电工技术委员会根据科技发展和要求，把“烛光”规定为国际性单位，并定义为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。从这个定义可以看出，发光强度与燃料、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)建议采用凝固过程的纯白金槽一平方厘米表面发出的光强度作为发光强度标准，但由于当时铂纯度不高，导致试验重复性较差而未能采用。1879年,爱迪生(T.Edison)发明白炽灯，人工照明变成现实，同时也促进了光学计量的发展。

1909年，英国、法国和美国为了统一和提高国际范围的发光强度，协议采用碳丝白炽灯定义发光强度，即由戊烷灯导出并用一组45个碳丝白炽灯所组成的平均发光强度，称之为“国际烛光”。碳丝白炽灯的稳定性较好，但复现性较差，几乎无法制造出两个发光强度一样的白炽灯，因此这个基准只是暂时性的。

1908年，利用浸没在盛有凝固铂的槽中的黑体被建议作为发光强度标准。1937年，国际照明委员会(CIE)和国际计量文员会决定从1940年起使用“新烛光”自拍为发光强度单位，并定义为全辐射体在铂凝固温度下的亮度为为60新烛光每平方厘米，既在铂凝固点(2042.15K)上，绝对黑体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耽搁，这一标准没有执行。1946年，国际计量委员会根据1933年第8届国际计量大会授权，决定颁布1旧烛光=1.005新烛光。

1948年，第9届国际计量大会通过用拉丁文-----candela(坎徳拉)取代新烛光，坎德拉意为“用兽油制作的蜡烛。”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l/600000㎡表面在垂直方向上的光强度。1971 年，由于压力单位专门命名为“帕斯卡”，第14届国际计量大会将坎德拉的定义改为：坎德拉是在101325帕斯卡下，处于铂凝固温度的黑体的 1/600000㎡表面在垂点方向上的光强度。按照这个发光强度定义，世界许多国家都建立了坎德拉的黑体辐射基准，并进行了国际比对。

20世纪70年代，几个国家实验室利用黑体辐射基准复现坎德拉，其数据差异较大，从几次国际比对的结果来看，相差约为±1%。这表明各国在复现坎德拉时，可能存在尚未发现的系统误差，暴露了坎德拉定义存在的问题。于是，人们重新开始考虑坎德拉的定义。1975年，布莱文(W.R.Blevin)等人提出重新定义坎德拉，得到国际计量委员会光度和辐射度咨询委员会(CCPR)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683lm/W)。到1977年，包括中国在内已有10个国家的计量院测量出Km，大多数国家的测量值接近683lm/W，与理论计算恰好相符。于是，CCPR决定采纳683lm/W作为Km值，以保持光度单位的延续性。

1979年10月8日，第16届国际计量大会通过了一项关于重新定义坎德拉的重要决定，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 x 1012赫兹的单色辐射，且在此方向上的辐射强度为1/683瓦特每球面度。定义中的540 x 1012赫兹辐射波长约为555nm,它是人眼感觉最灵敏的波长。这个定义的优点是容易复现，并能较好地控制实验的准确度。

光学辐射度的重要应用

随眷人类对光的了解和运用，创造出了更多的探测手段来感知和测量 光, 光学计量 已经不再受到人眼视觉响应函数的局限。从深紫外到远红外， 从强激光到单光子，光学计量所覆盖的范围越来越广，从光度计量逐步扩展为辐射度计量，支撑国民经济多个领域的快速发展。其中，比较突出的应用领域包括以下方面：

(一)服务高精度对地观测辐射定标需求

全球气候变化由于涉及人类的生存环境，已成为科学界的研究热点问题。从距离我们1.5亿公里、表面温度高达5778K的太阳，每时每刻平均有约340.4W/㎡的光辐射能量到达地球，其中约99.9W/㎡的辐射能量被地球表面及大气与云层反射，而同时约239.9W/㎡的能量通过红外热辐射的方式从地球向空间释放。测量数据表明，全球气候证逐渐发生着变化。对于气候变化的观测，其中一项重要的任务是地球能量平衡的精密测量，主要手段是通过全球立体观测网络来定量分析地球接受和释放辐射能量的差异。

英国NPL已开展太空辐射定标实验的关键技术研究，期望能在太空中将辐射量值溯源至国际基本单位。美国NIST已开展地基月球及其他星球的辐射度测量研究，可将月球和其他星球作为标准辐射源，完成太空中观测仪器的在轨定标。德闰PTB建立了低背景中远红外辐射定标系统，可满足太空观测仪器在中远红外的辐射定标需求。中国计量院正在开展的研究有：将太阳辐射照度的测量结果溯源至低温辐射计以满足测量精度要求;建立中远红外光谱辐射亮度基准系统，通过低温变温黑体完成红外辐射亮度定标，满足地球发射红外辐射亮度的测量需求。通过这些研究工作可为对地观测仪器提供准确可靠地定标服务，对全球气候变化观测以及保护地球环境具有重要意义。

(二)支持国家高端激光技术发展

激光核聚变是以高功率机关作为驱动器的惯性约束核聚变。神光装置作为核聚变的驱动是当前中国规模最大、国际上为数不多的高性能高功率激光装置，是中国综合国力在科技领域的标志性体现，其作用和意义不亚于当年的“两弹”，为中国惯性约束聚变研究做出了重大贡献。为了保障靶体聚变的效果，激光输出必须达到一定能量，不同组束输出要具有一致性，因此必须对每束激光的输出参数进行精密测量。神光Ⅲ号单束激光具有极高的功率和能量输出

(1012W，104J)，易损伤各种接收材料，使脉冲能量测量面临巨大挑战。为了解决神光Ⅲ号测量问题，中国计量院在强激光能量计量与探测领域进行了大量的研究，先后研制了多套电校准绝对型强激光能量标准器、多口径激光能量监测探测器，针对神光Ⅲ号专用测量设备提出了多种校准方法，并搭建实验装置进行量值传递与性能测试，解决了神光Ⅲ号研制过程中遇到的计量测试问题。

(三)助力太阳能光伏发电产业进步

近年来发展最快、应用最广的是太阳能光伏发电。为了合理评估已装机光伏发电系统的发电性能，对太阳能产品的贸易做公平公正定价，以及促进太阳能新产品和新技术的研发，都亟需光伏参数的准确计量。针对光伏行业提出的太阳电池计量、生产装备计量、太阳能光伏工程系统计量等需求，中国计量院研制完成了标准太阳电池和光伏相关计量标准装置，一级多项校准测试能力，解决了光伏生产、检测和认证机构计量所需，已为国内生产总值超过80%以上的光伏企业以及国际在华知名认证机构和国内质检机构提供量值传递服务。服务范围已覆盖中国大陆、香港、台湾，并应邀至美国、瑞士、德国、澳大利亚、新加坡、南非等国家提供计量校准服务，为提高产品质量提供技术支持，并有助于出口测量国际互认。

(四)支撑照明、显示以及现代农业

人工照明能源消耗巨大。中国照明用电量约占总发电量的10%左右。建设部统计显示，目前景观照明和路灯等功能照明，其年用电量约占全国总发电量的4%~5%,超过整个三峡水力发电工程的年发电能力。半导体固态照明LED是当今世界上最有可能替代传统光源的新型人工光源。最新的研究成果显示，在相同的输入功率下，LED可相当于20支传统白炽灯的光输出，这种低能耗的绿色光源，具有广阔的应用前景。电视、电脑、广告屏等大量采用LED作为背光照明光源，评价LED光源的节能效果，研究LED光源下的可见度和舒适度等需要准确测量LED的光学参数。

人类可以利用高效的光源提供日常生活所需的照明，也可以建立高产出的农业植物工厂。人工光照已成为农作物植物生产的重要补充手段之一，多年来在农业植物领域使用的人工光源主要有高压钠灯、荧光灯、金属卤素灯、白炽灯等，能耗费用约占全部运行成本的50%~60%。据农业部统计，目前中国植物组培的总面积在2000万平米以上，产值200亿元左右。建立可靠的LED量值计量体系和相应的计量标准技术，可更好地为节能照明、显示和现代农业的发展保驾护航。

单光子计量与量子坎德拉

随着量子物理的快速发展，人类对“光”的认知和掌握达到了新的高度，更深入了解“光”既是波又是粒子的奇妙特性，近年来，更是随着纠缠光子等的创新探索而揭开了量子信息技术研究应用的新篇章。得益于量子光学技术的迅猛发展，单光子探测器、单光子源、可分辨光子数探测器、突破标准量子极限的光子探测等关键技术都得到了突破性的发展，一方面促进了光辐射计量标准技术的发展，另一方面则对单光子计量提出了全新的挑战。

(一)量子坎德拉：基于光子数的坎德拉量子化定义

随着光子探测技术能力的不断发展，电磁辐射的量子本质使得人们开始考虑将光子数目作为光辐射计量标准溯源到国际基本单位的一种基本方式。如果已知这些光子的频率，那么通过光子计数技术得到光子的数目，就可以知晓光谱辐射的能量。虽然当前条件还不成熟，但是国际光度与光辐射咨询委员会已开始探讨基于光子数重新定义国际基本单位坎德拉的可能，并将长远目标设定为：坎德拉是在给定方向上，频率为540 x 1012Hz的单色光源发出4.092 x 1015光子数/秒/立体角的光源发光强度。

(二)世界各国面向量子坎德拉的科学研究计划

美国是国际上最早全面开展面向光子计量标准关键技术研究的国家，迄今所取得的关键技术成果包括：基于关联光子的探测器量子效率定标技术、探测效率高于90 %的高速超导纳米线单光子探测器、探测效率高于95%并可分辨光子数的超导转变边沿传感器单光子探测系统、基于高效吸收碳纳米管阵列的nW级光纤耦合绝对低温辐射计、利用超导转变边沿传感器监测的PW级绝对低温辐射计等。

欧盟自2008年开始正式以“量子坎德拉”冠名的研究计划，主要包括三个关键部分：

(1)研制量子效率可预测探测器，提高光电效应所产生电子的内探测效率，并利用多次反射提高系统吸收效率，从而获得在(400〜800 )nm波段不确定度达到80xl0-6的绝对定标能力;

(2)研制高性能单光子源与探测技术、发展可操控单光子源以及可分辨光子数的超导单光子探测技术;

(3)通过关联光子绝对定标方法，实现光谱辐射功率测量结果从经典水平到量子水平的有效衔接。

1坎德拉有多亮？人眼为什么能看到五光十色？如何衡量发光强度？