11. 第十一章 基本单位坎德拉的发展历程

第十一章

基本单位

坎德拉的发展历程中国计量大学《计量学概论》课程组目录01第一节发光强度单位的物理概念02第二节早期发光强度单位“烛光”的变迁03第三节基于铂凝固点黑体基准的坎德拉定义04第四节基于辐射功率测量的坎德拉定义05第五节坎德拉定义的最新发展第一节

最早的发光强度单位——烛光PARTONE发光强度单位的物理概念光度学是考虑人眼主观因素的计量学科，涉及心理学、生理学、物理学。发光强度是SI基本单位之一，单位“坎德拉”（cd）。光通量、照度、亮度等单位由坎德拉导出。光对人类信息接收至关重要（70%以上信息来自光）。早期光测量的探索古代：星等分类、欧几里得几何光学。17世纪：缺乏直接测光仪器。惠更斯尝试比较天狼星与太阳强度。1725年布格尔发明“比日计”，首次用眼睛比较光源强度。牛顿《光学》贡献视觉机理研究。1760年朗伯奠定光度学体系：定义光通量、发光强度、照度、亮度。提出照度叠加定律、平方反比定律、余弦定律等。光度学体系的建立01烛光（candlepower,cp）作为最早单位：特定蜡烛（如鲸鱼油蜡烛）在规定条件下点燃。火焰水平方向发光强度=1烛光。1881年IEC批准为国际标准。1cp≈0.981cd。早期“烛光”的定义02可见分光光度计各国采用不同火焰光源：法国：卡索尔灯（菜籽油，≈10烛光）。英国：戊烷灯（≈1烛光）。德国等：赫夫纳烛光（HK，1HK≈0.92cd）。问题：受燃料、火焰高度、环境影响，复现性差。火焰基准的多样化011909年美、英、法采用白炽基准（45个碳丝灯平均值）。1921年CIE命名为“国际烛光”（ic）。1HK=0.9ic。仍存在复制困难，逐渐转向黑体辐射原理。国际烛光的出现02第二节

基于铂凝固点黑体的坎德拉定义小数烛光与黑体基准的提出1889年IEC采用“小数烛光”（1cm²铂凝固面发光强度的1/20）。法国用小数烛光作为发光强度的法定单位，但因为稳定性差，几年之后便被赫夫纳灯替代了。1900年普朗克黑体辐射理论为新基准奠定基础。1908年提出铂凝固点黑体作为光度原级标准。从“新烛光”到“坎德拉”1900年：普朗克解决黑体辐射公式

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理论基础。1908年：韦得勒与布吉斯提出用铂凝固点黑体作标准。1946年：CIPM颁布“新烛光”定义：“铂凝固温度黑体的亮度=60发光强度单位/cm²。”1948年：第9届CGPM批准，统一全球单位。名称由“newcandle”改为拉丁文“candela”（cd），中文音译“坎德拉”。定义：全辐射体在铂凝固温度下光亮度为60cd/cm²。铂凝固点温度：2042K（高纯金属相变点，稳定）。马克斯·普朗克坎德拉成为SI基本单位及后续修正1960年：第11届CGPM将坎德拉列为SI基本单位。1967年：第13届CGPM修正定义：“在101325Pa压力下，铂凝固温度黑体1/600000m²表面垂直方向的发光强度。”补充压力条件（1标准大气压），更严谨。1971年：中国建立铂凝固点黑体光度基准（不确定度0.33%）。问题：技术复杂、昂贵；仅9国建基准；国际比对偏差大（1969年：1.6%~2.1%）；无法标定高色温光源；光度与辐射度无固定关系。黑体辐射公式的诞生第三节

基于辐射功率测量的

坎德拉定义坎德拉新定义的提出1971年：CCP更名为CCPR（光度和辐射度咨询委员会）。1974年：布莱温提出直接测量辐射功率复现单位。1975年：CCPR建议：用固定单色辐射光视效能定义单位；测定明视觉最大光谱光视效能Km。各国测定平均值：Km=683lm/W（对应频率540×10¹²Hz，波长555nm）。1979年：第16届CGPM通过新定义：“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540×10¹²Hz的单色辐射，且在此方向上的辐射强度为(1/683)W/sr。”。坎德拉新定义的优点及实施状况隐含Km=683lm/W（人眼最敏感波长555nm）。建立光度与辐射度的联系。复现方法开放，技术门槛降低。国际一致性提高（1985年后比对偏差<1.0%）。中国1982年建立新基准，偏差<0.2%，1985年获国家科技进步一等奖。光谱曲线图第四节

坎德拉定义的最新发展基本单位“坎德拉”的最新定义2018年第26届国际计量大会（CGPM）决定国际单位制（SI）的7个基本单位采用7个定义常量来表述。坎德拉虽未被重新定义，但为适应其他单位定义的变化，坎德拉定义的表述改为：

“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lm·W-1即cd·sr·W-1或cd·sr·kg-1·m-2·s3表示时，将其固定数值取为683来定义坎德拉，其中千克、米、秒分别用普朗克常量h、真空中的光速c和铯-133原子不受干扰的基态超精细跃迁频率Δν（Cs）定义。”

根据这一最新定义，坎德拉是由频率为v=540×1012Hz的单色辐射发光效率的固定数值Kcd=683cd·sr·kg-1·m-2·s3的确切关系来定义：光视效能“坎德拉”定义中的“光视效能”，是描述单位辐射通量Φe和光通量Φv的一个关系量，用K表示。最大光谱光视效能Km=683lm/W，在国际单位制（SI）的7个基本量中，发光强度是唯一一个生理、心理、物理量，而不是纯物理量。人眼视觉特性：明视觉（V(λ)，555nm，锥体细胞主导）。暗视觉（V′(λ)，507nm，杆体细胞主导）。定义中出现的单位：W=kg·m²/s³（功率单位）sr（球面度，立体角单位）。01人眼的视觉神经对各种不同波长光的感光灵敏度是不一样的。人眼的视网膜上有锥体细胞和杆体细胞两种感光细胞02发光强度单位发展的意义及趋势从火焰→白炽灯→黑体→探测器基准。光度基准变化过程

发光强度单位的演变过程不但是由于科学和技术进步的推动，同时也是计量学对工业、科学和社会高精度测量的实际需要做出的反应，以建立一个高度稳定和统一实现的测量系统。

在这一过程中从对复现方式和方法做严格规定到不做任何规定，到可以采用不同的技术路线，这种变革有利于复现技术及光度和辐射度测量技术的发展，顺应了计量基准的发展趋势和规律。

量子化是光学计