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發(fā)光強(qiáng)度的基本單位坎德拉是國(guó)際單位制(SI)七個(gè)基本單位之一，用符號(hào)“cd ”表示。

光是人類生物以至自然界賴以生存和發(fā)展的一種重要物質(zhì)。人的眼睛等感覺器官?gòu)耐饨缃邮盏娜啃畔⒅校邪俜种呤陨蟻碜怨?。隨著科學(xué)的進(jìn)步，人類對(duì)光的認(rèn)識(shí)也經(jīng)歷了由現(xiàn)象到本質(zhì)的發(fā)展過程，光學(xué)計(jì)量正是伴隨這一認(rèn)識(shí)過程而產(chǎn)生和發(fā)展的。發(fā)光強(qiáng)度的原始計(jì)量依賴于人眼的感覺。大約二百年前，人們已使用“燭光”作為發(fā)光強(qiáng)度的單位，它表示在水平方向上觀察一支蠟燭發(fā)光的強(qiáng)度，這些蠟燭包括1860年英國(guó)都市氣燈法規(guī)所采用的“鯨蠟”，以及后來菜油燈、戊烷燈和純乙酸乙酯燈等標(biāo)準(zhǔn)光源。

科學(xué)家們很早就從理論上開始探討討發(fā)光強(qiáng)度的定義。早在18世紀(jì)，介紹目視光度測(cè)量方法以及光通量、發(fā)光強(qiáng)度、照度、亮度等重要光度學(xué)參數(shù)的專著就已問世。1881年，國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)根據(jù)科技發(fā)展和要求，把“燭光”規(guī)定為國(guó)際性單位，并定義為將一磅鯨魚油脂制成六支蠟燭，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(qiáng)度為1燭光。從這個(gè)定義可以看出，發(fā)光強(qiáng)度與燃料、燈芯、火焰高 度等因素有關(guān)，因此它的復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性都不理想。

1879年，維奧列(J. Violle)建議采用凝固過程的純白金槽一平方厘米表面發(fā)出的光強(qiáng)度作為發(fā)光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，但由于當(dāng)時(shí)鉑純度不高，導(dǎo)致試驗(yàn)重復(fù)性較差而未能采用。1879年,愛迪生(T.Edison)發(fā)明白熾燈，人工照明變成現(xiàn)實(shí)，同時(shí)也促進(jìn)了光學(xué)計(jì)量的發(fā)展。

1909年，英國(guó)、法國(guó)和美國(guó)為了統(tǒng)一和提高國(guó)際范圍的發(fā)光強(qiáng)度，協(xié)議采用碳絲白熾燈定義發(fā)光強(qiáng)度，即由戊烷燈導(dǎo)出并用一組45個(gè)碳絲白熾燈所組成的平均發(fā)光強(qiáng)度，稱之為“國(guó)際燭光”。碳絲白熾燈的穩(wěn)定性較好，但復(fù)現(xiàn)性較差，幾乎無法制造出兩個(gè)發(fā)光強(qiáng)度一樣的白熾燈，因此這個(gè)基準(zhǔn)只是暫時(shí)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(fā)光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。1937年，國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)和國(guó)際計(jì)量文員會(huì)決定從1940年起使用“新燭光”自拍為發(fā)光強(qiáng)度單位，并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(diǎn)(2042.15K)上，絕對(duì)黑體1cm²面積的1/60部分的發(fā)光強(qiáng)度為1燭光。由于第二次世界大戰(zhàn)的耽擱，這一標(biāo)準(zhǔn)沒有執(zhí)行。1946年，國(guó)際計(jì)量委員會(huì)根據(jù)1933年第8屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)授權(quán)，決定頒布1舊燭光=1.005新燭光。

1948年，第9屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過用拉丁文-----candela(坎徳拉)取代新燭光，坎德拉意為“用獸油制作的蠟燭。”1967年，第13屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)考慮到這個(gè)定義的措辭還欠嚴(yán)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l/600000㎡表面在垂直方向上的光強(qiáng)度。1971 年，由于壓力單位專門命名為“帕斯卡”，第14屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)將坎德拉的定義改為：坎德拉是在101325帕斯卡下，處于鉑凝固溫度的黑體的 1/600000㎡表面在垂點(diǎn)方向上的光強(qiáng)度。按照這個(gè)發(fā)光強(qiáng)度定義，世界許多國(guó)家都建立了坎德拉的黑體輻射基準(zhǔn)，并進(jìn)行了國(guó)際比對(duì)。

20世紀(jì)70年代，幾個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室利用黑體輻射基準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)坎德拉，其數(shù)據(jù)差異較大，從幾次國(guó)際比對(duì)的結(jié)果來看，相差約為±1%。這表明各國(guó)在復(fù)現(xiàn)坎德拉時(shí)，可能存在尚未發(fā)現(xiàn)的系統(tǒng)誤差，暴露了坎德拉定義存在的問題。于是，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(guó)際計(jì)量委員會(huì)光度和輻射度咨詢委員會(huì)(CCPR)的支持，并鼓勵(lì)有條件的國(guó)家用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量Km值(明視覺最大光譜光視效能，其值為683lm/W)。到1977年，包括我國(guó)在內(nèi)已有10個(gè)國(guó)家的計(jì)量院測(cè)量出Km，大多數(shù)國(guó)家的測(cè)量值接近683lm/W，與理論計(jì)算恰好相符。于是，CCPR決定采納683lm/W作為Km值，以保持光度單位的延續(xù)性。

1979年10月8日，第16屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過了一項(xiàng)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(qiáng)度，該光源發(fā)出頻率為540 x 10¹²赫茲的單色輻射，且在此方向上的輻射強(qiáng)度為1/683瓦特每球面度。定義中的540 x 10¹²赫茲輻射波長(zhǎng)約為555nm,它是人眼感覺最靈敏的波長(zhǎng)。這個(gè)定義的優(yōu)點(diǎn)是容易復(fù)現(xiàn)，并能較好地控制實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度。

隨眷人類對(duì)光的了解和運(yùn)用，創(chuàng)造出了更多的探測(cè)手段來感知和測(cè)量 光, 光學(xué)計(jì)量 已經(jīng)不再受到人眼視覺響應(yīng)函數(shù)的局限。從深紫外到遠(yuǎn)紅外， 從強(qiáng)激光到單光子，光學(xué)計(jì)量所覆蓋的范圍越來越廣，從光度計(jì)量逐步擴(kuò)展為輻射度計(jì)量，支撐國(guó)民經(jīng)濟(jì)多個(gè)領(lǐng)域的快速發(fā)展。其中，比較突出的應(yīng)用領(lǐng)域包括以下方面：

(一)服務(wù)高精度對(duì)地觀測(cè)輻射定標(biāo)需求

全球氣候變化由于涉及人類的生存環(huán)境，已成為科學(xué)界的研究熱點(diǎn)問題。從距離我們1.5億公里、表面溫度高達(dá)5778K的太陽(yáng)，每時(shí)每刻平均有約340.4W/㎡的光輻射能量到達(dá)地球，其中約99.9W/㎡的輻射能量被地球表面及大氣與云層反射，而同時(shí)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(cè)量數(shù)據(jù)表明，全球氣候證逐漸發(fā)生著變化。對(duì)于氣候變化的觀測(cè)，其中一項(xiàng)重要的任務(wù)是地球能量平衡的精密測(cè)量，主要手段是通過全球立體觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)來定量分析地球接受和釋放輻射能量的差異。

英國(guó)NPL已開展太空輻射定標(biāo)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)研究，期望能在太空中將輻射量值溯源至國(guó)際基本單位。美國(guó)NIST已開展地基月球及其他星球的輻射度測(cè)量研究，可將月球和其他星球作為標(biāo)準(zhǔn)輻射源，完成太空中觀測(cè)儀器的在軌定標(biāo)。德閏PTB建立了低背景中遠(yuǎn)紅外輻射定標(biāo)系統(tǒng)，可滿足太空觀測(cè)儀器在中遠(yuǎn)紅外的輻射定標(biāo)需求。中國(guó)計(jì)量院正在開展的研究有：將太陽(yáng)輻射照度的測(cè)量結(jié)果溯源至低溫輻射計(jì)以滿足測(cè)量精度要求;建立中遠(yuǎn)紅外光譜輻射亮度基準(zhǔn)系統(tǒng)，通過低溫變溫黑體完成紅外輻射亮度定標(biāo)，滿足地球發(fā)射紅外輻射亮度的測(cè)量需求。通過這些研究工作可為對(duì)地觀測(cè)儀器提供準(zhǔn)確可靠地定標(biāo)服務(wù)，對(duì)全球氣候變化觀測(cè)以及保護(hù)地球環(huán)境具有重要意義。

(二)支持國(guó)家高端激光技術(shù)發(fā)展

激光核聚變是以高功率機(jī)關(guān)作為驅(qū)動(dòng)器的慣性約束核聚變。神光裝置作為核聚變的驅(qū)動(dòng)是當(dāng)前我國(guó)規(guī)模最大、國(guó)際上為數(shù)不多的高性能高功率激光裝置，是我國(guó)綜合國(guó)力在科技領(lǐng)域的標(biāo)志性體現(xiàn)，其作用和意義不亞于當(dāng)年的“兩彈”，為我國(guó)慣性約束聚變研究做出了重大貢獻(xiàn)。為了保障靶體聚變的效果，激光輸出必須達(dá)到一定能量，不同組束輸出要具有一致性，因此必須對(duì)每束激光的輸出參數(shù)進(jìn)行精密測(cè)量。神光Ⅲ號(hào)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，使脈沖能量測(cè)量面臨巨大挑戰(zhàn)。為了解決神光Ⅲ號(hào)測(cè)量問題，中國(guó)計(jì)量院在強(qiáng)激光能量計(jì)量與探測(cè)領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究，先后研制了多套電校準(zhǔn)絕對(duì)型強(qiáng)激光能量標(biāo)準(zhǔn)器、多口徑激光能量監(jiān)測(cè)探測(cè)器，針對(duì)神光Ⅲ號(hào)專用測(cè)量設(shè)備提出了多種校準(zhǔn)方法，并搭建實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行量值傳遞與性能測(cè)試，解決了神光Ⅲ號(hào)研制過程中遇到的計(jì)量測(cè)試問題。

(三)助力太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)進(jìn)步

近年來發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的是太陽(yáng)能光伏發(fā)電。為了合理評(píng)估已裝機(jī)光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電性能，對(duì)太陽(yáng)能產(chǎn)品的貿(mào)易做公平公正定價(jià)，以及促進(jìn)太陽(yáng)能新產(chǎn)品和新技術(shù)的研發(fā)，都亟需光伏參數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)量。針對(duì)光伏行業(yè)提出的太陽(yáng)電池計(jì)量、生產(chǎn)裝備計(jì)量、太陽(yáng)能光伏工程系統(tǒng)計(jì)量等需求，中國(guó)計(jì)量院研制完成了標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池和光伏相關(guān)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，一級(jí)多項(xiàng)校準(zhǔn)測(cè)試能力，解決了光伏生產(chǎn)、檢測(cè)和認(rèn)證機(jī)構(gòu)計(jì)量所需，已為國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值超過80%以上的光伏企業(yè)以及國(guó)際在華知名認(rèn)證機(jī)構(gòu)和國(guó)內(nèi)質(zhì)檢機(jī)構(gòu)提供量值傳遞服務(wù)。服務(wù)范圍已覆蓋我國(guó)大陸、香港、臺(tái)灣，并應(yīng)邀至美國(guó)、瑞士、德國(guó)、澳大利亞、新加坡、南非等國(guó)家提供計(jì)量校準(zhǔn)服務(wù)，為提高產(chǎn)品質(zhì)量提供技術(shù)支持，并有助于出口測(cè)量國(guó)際互認(rèn)。

(四)支撐照明、顯示以及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)

人工照明能源消耗巨大。我國(guó)照明用電量約占總發(fā)電量的10%左右。建設(shè)部統(tǒng)計(jì)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(guó)總發(fā)電量的4%~5%,超過整個(gè)三峽水力發(fā)電工程的年發(fā)電能力。半導(dǎo)體固態(tài)照明LED是當(dāng)今世界上最有可能替代傳統(tǒng)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(dāng)于20支傳統(tǒng)白熾燈的光輸出，這種低能耗的綠色光源，具有廣闊的應(yīng)用前景。電視、電腦、廣告屏等大量采用LED作為背光照明光源，評(píng)價(jià)LED光源的節(jié)能效果，研究LED光源下的可見度和舒適度等需要準(zhǔn)確測(cè)量LED的光學(xué)參數(shù)。

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(chǎn)出的農(nóng)業(yè)植物工廠。人工光照已成為農(nóng)作物植物生產(chǎn)的重要補(bǔ)充手段之一，多年來在農(nóng)業(yè)植物領(lǐng)域使用的人工光源主要有高壓鈉燈、熒光燈、金屬鹵素?zé)?、白熾燈等，能耗費(fèi)用約占全部運(yùn)行成本的50%~60%。據(jù)農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)植物組培的總面積在2000萬平米以上，產(chǎn)值200億元左右。建立可靠的LED量值計(jì)量體系和相應(yīng)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，可更好地為節(jié)能照明、顯示和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展保駕護(hù)航。

隨著量子物理的快速發(fā)展，人類對(duì)“光”的認(rèn)知和掌握達(dá)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，更是隨著糾纏光子等的創(chuàng)新探索而揭開了量子信息技術(shù)研究應(yīng)用的新篇章。得益于量子光學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，單光子探測(cè)器、單光子源、可分辨光子數(shù)探測(cè)器、突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限的光子探測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)都得到了突破性的發(fā)展，一方面促進(jìn)了光輻射計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展，另一方面則對(duì)單光子計(jì)量提出了全新的挑戰(zhàn)。

(一)量子坎德拉：基于光子數(shù)的坎德拉量子化定義

隨著光子探測(cè)技術(shù)能力的不斷發(fā)展，電磁輻射的量子本質(zhì)使得人們開始考慮將光子數(shù)目作為光輻射計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)溯源到國(guó)際基本單位的一種基本方式。如果已知這些光子的頻率，那么通過光子計(jì)數(shù)技術(shù)得到光子的數(shù)目，就可以知曉光譜輻射的能量。雖然當(dāng)前條件還不成熟，但是國(guó)際光度與光輻射咨詢委員會(huì)已開始探討基于光子數(shù)重新定義國(guó)際基本單位坎德拉的可能，并將長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)設(shè)定為：坎德拉是在給定方向上，頻率為540 x 10¹²Hz的單色光源發(fā)出4.092 x 10¹⁵光子數(shù)/秒/立體角的光源發(fā)光強(qiáng)度。

(二)世界各國(guó)面向量子坎德拉的科學(xué)研究計(jì)劃

美國(guó)是國(guó)際上最早全面開展面向光子計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)研究的國(guó)家，迄今所取得的關(guān)鍵技術(shù)成果包括：基于關(guān)聯(lián)光子的探測(cè)器量子效率定標(biāo)技術(shù)、探測(cè)效率高于90 %的高速超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器、探測(cè)效率高于95%并可分辨光子數(shù)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變邊沿傳感器單光子探測(cè)系統(tǒng)、基于高效吸收碳納米管陣列的nW級(jí)光纖耦合絕對(duì)低溫輻射計(jì)、利用超導(dǎo)轉(zhuǎn)變邊沿傳感器監(jiān)測(cè)的PW級(jí)絕對(duì)低溫輻射計(jì)等。

歐盟自2008年開始正式以“量子坎德拉”冠名的研究計(jì)劃，主要包括三個(gè)關(guān)鍵部分：(1)研制量子效率可預(yù)測(cè)探測(cè)器，提高光電效應(yīng)所產(chǎn)生電子的內(nèi)探測(cè)效率，并利用多次反射提高系統(tǒng)吸收效率，從而獲得在(400?800 )nm波段不確定度達(dá)到80xl0^-6的絕對(duì)定標(biāo)能力;(2)研制高性能單光子源與探測(cè)技術(shù)、發(fā)展可操控單光子源以及可分辨光子數(shù)的超導(dǎo)單光子探測(cè)技術(shù);(3)通過關(guān)聯(lián)光子絕對(duì)定標(biāo)方法，實(shí)現(xiàn)光譜輻射功率測(cè)量結(jié)果從經(jīng)典水平到量子水平的有效銜接。

我國(guó)自“十一五”期間就開始了面向坎德拉量子化的光子計(jì)量初步研究工作，并在關(guān)聯(lián)光子絕對(duì)定標(biāo)等光子定標(biāo)技術(shù)上奠定了較好的基礎(chǔ);到“十二五”期間，已經(jīng)形成了面向單光子探測(cè)和微弱光輻射計(jì)量較為全面的校準(zhǔn)測(cè)量能力。自“十三五”開始以來，中國(guó)計(jì)量院已經(jīng)在光子計(jì)量相關(guān)的重點(diǎn)領(lǐng)域開展了進(jìn)一步科研工作，具體包括：可見近紅外波段低溫輻射計(jì)連續(xù)絕對(duì)定標(biāo)技術(shù)研究，可預(yù)知量子效率探測(cè)器絕對(duì)定標(biāo)技術(shù)研究，寬波段、寬量程關(guān)聯(lián)光子絕對(duì)定標(biāo)技術(shù)研究，基于超導(dǎo)轉(zhuǎn)變邊沿傳感器的可分辨光子數(shù)精密測(cè)量系統(tǒng)研究，芯片級(jí)標(biāo)準(zhǔn)光子輻射源關(guān)鍵技術(shù)研究等。預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)光子計(jì)量整體能力將達(dá)到與美國(guó)和歐盟相近的水平，成為國(guó)際上在光子計(jì)量領(lǐng)域具備較強(qiáng)綜合能力的先進(jìn)國(guó)家計(jì)量院之一。