發光強度

發光強度

來自 孫氏照明 的圖片

中文名：發光強度 外文名：luminous intensity 簡 稱：光強, 光度 國際單位：candela（cd, 坎德拉) 計 算：基爾霍夫積分定理計算 學 科：光度學

發光強度（Luminous intensity），在光度學中簡稱光強或光度。用於表示光源給定方向上單位立體角內光通量的物理量，國際單位為坎德拉，符號：cd，以前又稱燭光、支光。

發光強度的定義考慮人的視覺因素和光學特點，是在人的視覺基礎上建立起來的。

容易混淆的是, 在光學中, 光強往往指單位面積的輻射功率, 由於人眼對不同波長光的相對視見率不同，所以不同波長光的輻射功率相等時，其光通量並不相等。

目錄

坎德拉的定義

1948年第9屆國際計量大會決定用一種絕對黑體輻射器作標準，並給予發光強度以現在的命名：candela（cd，坎德拉）。

1967年第13屆國際計量大會定義（現已作廢）：「在101,325 Pa的壓強下，處於鉑凝固點溫度的黑體的1/600 000平方米表面在垂直方向上的發光強度。」

1979年第16屆國際計量大會通過決議，廢除上述定義，規定新定義為：

「坎德拉是發出540 x 10^12Hz 頻率的光的單色輻射源在給定方向上的發光強度，該方向上的輻射強度為 1/683 W/sr。」

發光強度的物理表達式

發光體在給定方向上的發光強度是該發光體在該方向的立體角元dΩ內傳輸的光通量dΦ除以該立體角元所得之商，即單位立體角的光通量。單位為坎德拉（cd），光通量單位為流明（lm），立體角單位為sr，故1cd=1 lm/sr。

光度計量學與國際基本單位坎德拉

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。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。隨着科學的進步，人類對光的認識也經歷了由現象到本質的發展過程，光學計量正是伴隨這一認識過程而產生和發展的。發光強度的原始計量依賴於人眼的感覺。大約二百年前，人們已使用「燭光」作為發光強度的單位，它表示在水平方向上觀察一支蠟燭發光的強度，這些蠟燭包括1860年英國都市氣燈法規所採用的「鯨蠟」，以及後來菜油燈、戊烷燈和純乙酸乙酯燈等標準光源。

科學家們很早就從理論上開始探討討發光強度的定義。早在18世紀，介紹目視光度測量方法以及光通量、發光強度、照度、亮度等重要光度學參數的專著就已問世。1881年，國際電工技術委員會根據科技發展和要求，把「燭光」規定為國際性單位，並定義為將一磅鯨魚油脂製成六支蠟燭，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。從這個定義可以看出，發光強度與燃料、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(J. Violle)建議採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，但由於當時鉑純度不高，導致試驗重複性較差而未能採用。1879年,愛迪生(T.Edison)發明白熾燈，人工照明變成現實，同時也促進了光學計量的發展。

1909年，英國、法國和美國為了統一和提高國際範圍的發光強度，協議採用碳絲白熾燈定義發光強度，即由戊烷燈導出並用一組45個碳絲白熾燈所組成的平均發光強度，稱之為「國際燭光」。碳絲白熾燈的穩定性較好，但復現性較差，幾乎無法製造出兩個發光強度一樣的白熾燈，因此這個基準只是暫時性的。

1908年，利用浸沒在盛有凝固鉑的槽中的黑體被建議作為發光強度標準。1937年，國際照明委員會(CIE)和國際計量文員會決定從1940年起使用「新燭光」自拍為發光強度單位，並定義為全輻射體在鉑凝固溫度下的亮度為為60新燭光每平方厘米，既在鉑凝固點(2042.15K)上，絕對黑體1cm²面積的1/60部分的發光強度為1燭光。由於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屆國際計量大會授權，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(坎徳拉)取代新燭光，坎德拉意為「用獸油製作的蠟燭。」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，處於鉑凝固溫度的黑體的l/600000㎡表面在垂直方向上的光強度。1971 年，由於壓力單位專門命名為「帕斯卡」，第14屆國際計量大會將坎德拉的定義改為：坎德拉是在101325帕斯卡下，處於鉑凝固溫度的黑體的 1/600000㎡表面在垂點方向上的光強度。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，並進行了國際比對。

20世紀70年代，幾個國家實驗室利用黑體輻射基準復現坎德拉，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，可能存在尚未發現的系統誤差，暴露了坎德拉定義存在的問題。於是，人們重新開始考慮坎德拉的定義。1975年，布萊文(W.R.Blevin)等人提出重新定義坎德拉，得到國際計量委員會光度和輻射度諮詢委員會(CCPR)的支持，並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683lm/W)。到1977年，包括中國在內已有10個國家的計量院測量出Km，大多數國家的測量值接近683lm/W，與理論計算恰好相符。於是，CCPR決定採納683lm/W作為Km值，以保持光度單位的延續性。

1979年10月8日，第16屆國際計量大會通過了一項關於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 x 1012赫茲的單色輻射，且在此方向上的輻射強度為1/683瓦特每球面度。定義中的540 x 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，並能較好地控制實驗的準確度。

光學輻射度的重要應用

隨眷人類對光的了解和運用，創造出了更多的探測手段來感知和測量 光, 光學計量 已經不再受到人眼視覺響應函數的局限。從深紫外到遠紅外， 從強激光到單光子，光學計量所覆蓋的範圍越來越廣，從光度計量逐步擴展為輻射度計量，支撐國民經濟多個領域的快速發展。其中，比較突出的應用領域包括以下方面：

(一)服務高精度對地觀測輻射定標需求

全球氣候變化由於涉及人類的生存環境，已成為科學界的研究熱點問題。從距離我們1.5億公里、表面溫度高達5778K的太陽，每時每刻平均有約340.4W/㎡的光輻射能量到達地球，其中約99.9W/㎡的輻射能量被地球表面及大氣與雲層反射，而同時約239.9W/㎡的能量通過紅外熱輻射的方式從地球向空間釋放。測量數據表明，全球氣候證逐漸發生着變化。對於氣候變化的觀測，其中一項重要的任務是地球能量平衡的精密測量，主要手段是通過全球立體觀測網絡來定量分析地球接受和釋放輻射能量的差異。

英國NPL已開展太空輻射定標實驗的關鍵技術研究，期望能在太空中將輻射量值溯源至國際基本單位。美國NIST已開展地基月球及其他星球的輻射度測量研究，可將月球和其他星球作為標準輻射源，完成太空中觀測儀器的在軌定標。德閏PTB建立了低背景中遠紅外輻射定標系統，可滿足太空觀測儀器在中遠紅外的輻射定標需求。中國計量院正在開展的研究有：將太陽輻射照度的測量結果溯源至低溫輻射計以滿足測量精度要求;建立中遠紅外光譜輻射亮度基準系統，通過低溫變溫黑體完成紅外輻射亮度定標，滿足地球發射紅外輻射亮度的測量需求。通過這些研究工作可為對地觀測儀器提供準確可靠地定標服務，對全球氣候變化觀測以及保護地球環境具有重要意義。

(二)支持國家高端激光技術發展

激光核聚變是以高功率機關作為驅動器的慣性約束核聚變。神光裝置作為核聚變的驅動是當前中國規模最大、國際上為數不多的高性能高功率激光裝置，是中國綜合國力在科技領域的標誌性體現，其作用和意義不亞於當年的「兩彈」，為中國慣性約束聚變研究做出了重大貢獻。為了保障靶體聚變的效果，激光輸出必須達到一定能量，不同組束輸出要具有一致性，因此必須對每束激光的輸出參數進行精密測量。神光Ⅲ號單束激光具有極高的功率和能量輸出

(1012W，104J)，易損傷各種接收材料，使脈衝能量測量面臨巨大挑戰。為了解決神光Ⅲ號測量問題，中國計量院在強激光能量計量與探測領域進行了大量的研究，先後研製了多套電校準絕對型強激光能量標準器、多口徑激光能量監測探測器，針對神光Ⅲ號專用測量設備提出了多種校準方法，並搭建實驗裝置進行量值傳遞與性能測試，解決了神光Ⅲ號研製過程中遇到的計量測試問題。

(三)助力太陽能光伏發電產業進步

近年來發展最快、應用最廣的是太陽能光伏發電。為了合理評估已裝機光伏發電系統的發電性能，對太陽能產品的貿易做公平公正定價，以及促進太陽能新產品和新技術的研發，都亟需光伏參數的準確計量。針對光伏行業提出的太陽電池計量、生產裝備計量、太陽能光伏工程系統計量等需求，中國計量院研製完成了標準太陽電池和光伏相關計量標準裝置，一級多項校準測試能力，解決了光伏生產、檢測和認證機構計量所需，已為國內生產總值超過80%以上的光伏企業以及國際在華知名認證機構和國內質檢機構提供量值傳遞服務。服務範圍已覆蓋中國大陸、香港、台灣，並應邀至美國、瑞士、德國、澳大利亞、新加坡、南非等國家提供計量校準服務，為提高產品質量提供技術支持，並有助於出口測量國際互認。

(四)支撐照明、顯示以及現代農業

人工照明能源消耗巨大。中國照明用電量約占總發電量的10%左右。建設部統計顯示，目前景觀照明和路燈等功能照明，其年用電量約占全國總發電量的4%~5%,超過整個三峽水力發電工程的年發電能力。半導體固態照明LED是當今世界上最有可能替代傳統光源的新型人工光源。最新的研究成果顯示，在相同的輸入功率下，LED可相當於20支傳統白熾燈的光輸出，這種低能耗的綠色光源，具有廣闊的應用前景。電視、電腦、廣告屏等大量採用LED作為背光照明光源，評價LED光源的節能效果，研究LED光源下的可見度和舒適度等需要準確測量LED的光學參數。

人類可以利用高效的光源提供日常生活所需的照明，也可以建立高產出的農業植物工廠。人工光照已成為農作物植物生產的重要補充手段之一，多年來在農業植物領域使用的人工光源主要有高壓鈉燈、熒光燈、金屬鹵素燈、白熾燈等，能耗費用約占全部運行成本的50%~60%。據農業部統計，目前中國植物組培的總面積在2000萬平米以上，產值200億元左右。建立可靠的LED量值計量體系和相應的計量標準技術，可更好地為節能照明、顯示和現代農業的發展保駕護航。

單光子計量與量子坎德拉

隨着量子物理的快速發展，人類對「光」的認知和掌握達到了新的高度，更深入了解「光」既是波又是粒子的奇妙特性，近年來，更是隨着糾纏光子等的創新探索而揭開了量子信息技術研究應用的新篇章。得益於量子光學技術的迅猛發展，單光子探測器、單光子源、可分辨光子數探測器、突破標準量子極限的光子探測等關鍵技術都得到了突破性的發展，一方面促進了光輻射計量標準技術的發展，另一方面則對單光子計量提出了全新的挑戰。

(一)量子坎德拉：基於光子數的坎德拉量子化定義

隨着光子探測技術能力的不斷發展，電磁輻射的量子本質使得人們開始考慮將光子數目作為光輻射計量標準溯源到國際基本單位的一種基本方式。如果已知這些光子的頻率，那麼通過光子計數技術得到光子的數目，就可以知曉光譜輻射的能量。雖然當前條件還不成熟，但是國際光度與光輻射諮詢委員會已開始探討基於光子數重新定義國際基本單位坎德拉的可能，並將長遠目標設定為：坎德拉是在給定方向上，頻率為540 x 1012Hz的單色光源發出4.092 x 1015光子數/秒/立體角的光源發光強度。

(二)世界各國面向量子坎德拉的科學研究計劃

美國是國際上最早全面開展面向光子計量標準關鍵技術研究的國家，迄今所取得的關鍵技術成果包括：基於關聯光子的探測器量子效率定標技術、探測效率高於90 %的高速超導納米線單光子探測器、探測效率高於95%並可分辨光子數的超導轉變邊沿傳感器單光子探測系統、基於高效吸收碳納米管陣列的nW級光纖耦合絕對低溫輻射計、利用超導轉變邊沿傳感器監測的PW級絕對低溫輻射計等。

歐盟自2008年開始正式以「量子坎德拉」冠名的研究計劃，主要包括三個關鍵部分：

(1)研製量子效率可預測探測器，提高光電效應所產生電子的內探測效率，並利用多次反射提高系統吸收效率，從而獲得在(400〜800 )nm波段不確定度達到80xl0-6的絕對定標能力;

(2)研製高性能單光子源與探測技術、發展可操控單光子源以及可分辨光子數的超導單光子探測技術;

(3)通過關聯光子絕對定標方法，實現光譜輻射功率測量結果從經典水平到量子水平的有效銜接。

1坎德拉有多亮？人眼為什麼能看到五光十色？如何衡量發光強度？