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光学基本物理量“发光光强”定义、公式及注解中不妥及错误的探讨

放大字体  缩小字体 发布日期:2023-03-08 来源:中国半导体照明网作者:李自力浏览次数:1646

 摘要:自然界中最基本的七个物理量(时间、长度、质量、温度、电流、光强、物质的量)中的光学基本物理量为“光强”(发光强度),其它重要的导出物理量“光通量”“照度”“光出射度”“亮度”则由“光强”而来。这些光学术语在国际电工委员会的系列标准IEC 60050《国际电工词汇》中的IEC60050.845:2020《International electrotechnical vocabulary(IEV) Part 845:Lighting》(国际电工词汇 第845部分:照明)进行了定义。作为国际标准定义的最基础物理量术语是全球须遵循的共识,其重要性不言而喻,理应严谨准确。然而却出现了较多模糊不清晰、不妥和错误,可能对光学界产生不良后果。(相关对应的辐射强度、光子强度等也有相同的问题,这里不再赘述)

引言

人类社会需要标准化来规范各领域各方面的行为,标准化是人类文明进步的重要标志。如果没有统一的标准化,世界将是混乱的。国际上有三大标准化组织,其一为成立于1865年的《国际电信联盟(ITU)》;其二为成立于1906年的《国际电工委员会(IEC,International Electrotechnical Commission)》;第三为成立于1947年的《国际标准化组织(ISO)》,这三大标准化组织的主要活动是制定国际标准,协调世界范围的标准化工作,组织各成员国和技术委员会进行情报交流,以及与其他国际组织进行合作,共同研究有关标准化问题,这三大组织之间针对领域分工有所侧重。可见《国际电工委员会》是极其权威的标准化组织机构。

自然界有最基本的七个物理量(时间、长度、质量、温度、电流、光强、物质的量),其中“光强”(发光强度)是光学领域的基本物理量,由“光强”而来的“导出物理量”有“光通量”“照度”“光出射度”“亮度”等,对这些光学最基础的物理量术语进行定义的最新2020年版国际标准IEC60050.845:2020《International Electrotechnical vocabulary(IEV)Part 845:Lighting》(国际电工词汇 第845部分:照明)是全球光学领域应遵循的共识,其重要性不言而喻,作为“亮点”它补全了该标准早期1987版本中以“数理公式”代替“定义”以及国际标准化组织的ISO 31-6:1992版《量和单位 第6部分:光及有关电磁辐射》中所没有的“定义”,也细化了很多方面。但是术语标准的定义等应该表达的既简要概括全、又更要严谨准确,如果出现混淆模糊不清,甚至原则性错误,则后果严重。然而,作者经深入研究,发现标准中的这些术语定义出现了很多不严谨、不清晰、不妥和错误。限于篇幅,这里只分析探讨该标准中光度学最重要的基本物理量“发光强度”(以下简称光强,并且本文不涉及对应的辐射强度、光子强度等术语相同错误,其它物理量问题另文探讨)。 

2 光学基本物理量“光强”术语定义的标准

标准准确的前提是可溯源,因此需要严谨、再严谨,特别是被溯源的源头术语。ISO 31-6:1992年《量和单位 第6部分:光及有关电磁辐射》没有给出定义和公式,备注只描述了“光强是基本量之一”。而更早的IEC60050.845:1987年版中“光强”术语中把定义简化为对公式的解释,最新的IEC60050.845:2020对光学物理量术语的定义等方面描述全面,然而该标准中这些源头术语也同样存在不同程度的不妥和错误。

3 IEC60050.845:2020标准“光强”术语错误的分析探讨

3.1术语“光强”(845-21-045)

3.1.1标准原文

Luminous intensity

Density of luminous flux with respect to solid angle in the specified direction.

Iv = dФv/dΩ

WhereФv is the luminous flux emitted in a specified direction, and Ω is the solid angle containing that direction.

Note 1 to entry: For practical realization of the quantity, the source is approximated by a point source.

......

Note 5 to entry: The luminous intensity is expressed in candela (cd = lm·m-2·sr-1)

 

3.1.2 中文翻译

术语名称:光强

理论定义:相对于指定方向上立体角的光通量密度 

数理公式:I v= dФv/dΩ

公式注释:其中,Фv是指定方向上发射的光通量,Ω是包含该方向的立体角

定义附注1:为了现实中获得该量,把“点源”近似作为“源”

定义附注5:发光强度单位为“坎德拉”(cd = lm·m-2·sr-1)

 

3.10.3分析讨论

1)理论定义描述的是“面”问题,数理公式讲的是“点”问题,公式注释解释的是“面”问题,定义附注5讲的是大“角”和大“面”问题,它们之间所描述的问题不一致。

 

2)由数理可知,当立体角Ω大小变化时,光通量Фv也随之单调变化,Фv是Ω的可导函数时,以定义中的指定方向为中心轴线的微小立体角增量取极限得到导数Iv= dФv/dΩ,即获得“光源”上该点在指定方向上的“光强”。微小立体角趋于零(即dΩ),也就是说定义的“光强”几乎就是指定方向这一根中心轴线光线形成的光强,因此,“光强”定义不能描述为“......光通量(立体角)密度”,而如果要表达“......光通量角密度”应该用公式Iv =Фv/Ω,这时“光强”也可称为“平均(立体角)光强”,请参考术语“平均LED强度”。

 

3)因为公式Iv= dФv/dΩ 的分母中没有出现面积符号“A”,光强与发光面积没有直接关系,此外,“定义附注1”的内容反过来说就是自然界中一定具体尺寸的实际“点源”需拉长测量距离来近似模拟理论上的术语“光源”,这和“点源”定义一起就反证了即使近距离观看,“光源”也是尺寸非常非常小,而其上的一个“实点”尺寸更趋近于零,反证了“光强”是有关于“光源”上一个“实点”的,“光强”定义与发光面积没有直接关系。因此“光强”定义也不能描述为“.......光通量(面)密度”。

 

3)定义附注5中光强单位用坎德拉表示且有(cd = lm·m-2·sr-1),而cd = lm·m-2·sr-1有“单位面积、单位球面度的光通量”的意思。

①“每单位面积的光通量”似乎是“光通量(面)密度”概念。这里再举例“平均LED强度”术语,它其中指明是引用国际照明委员会出版物CIE127:2007《LED测量》(行业非常重要的标志性出版物,也常称为标准)。术语名中没有“光”字,却使用与“光强”相同的单位candela,这说明它是“光强”的一种。限于篇幅,这里只简述其中“条件A”的“平均LED强度ILED,A”(此处错误,与CIE 127搞反了)定义的内容“距离LED发光二极管顶端并在机械轴上100mm处的100mm2圆孔(孔径11.3mm)上的平均照度,......”。LED发光芯片是有一定面积的,且此距离下的芯片尺寸远达不到面积趋近于零,且每一个LED芯片之间的面积都是不相等的,而定义和实际测量都根本不涉及芯片面积,实际上再加上封装透镜后就更无法准确测得芯片的发光面积,这就不可能得出芯片“每平米的光通量”或“光通量(面)密度”,所以同一IEC60050.845标准中的术语“平均LED强度”也反证了术语“光强”定义的“......光通量(面)密度”是错误的,综上所述,应删除cd = lm·m-2·sr-1中的“m-2”。

②再分析“每球面度的光通量”,cd = lm·m-2·sr-1中分母含“每球面度”(sr-1)有“光通量(立体角)密度”意义。从“球面度sr”(845-21-034)的定义中可知,当把“平均LED强度”的“条件A”中的球半径(100mm)作为测量距离时,则对应立体角所截取的球面面积为r2=100mmx100mm=10000mm2,可见这比规定的照度探头面积100mm2大了100倍,所以“平均LED强度”作为一种“光强”,却使用比“光强”单位“每球面度光通量”小得多的“立体角”来测量,反证了用大尺寸“立体角”来表达“光强”至少有点不妥,所以“光强”理论定义应不能描述为“......光通量(立体角)密度”。

 

③“光强”是指定方向为中心轴线的“立体角元”趋近于零(dΩ)的几乎一条“光线”光通量形成的光强,而“单位球面度”中如此大的“立体角”也就包含了无穷多方向上的无穷多条光线,这也不符合“指定方向”的含义。立体角趋近于零(dΩ)时(“球面度sr”也随之趋近于零)是“光强”的初衷,国际计量大会批准的至今常用光强单位坎德拉的等式 cd = lm·sr-1(每球面度流明)可能有问题。按本标准的术语“流明”(845-21-084)光通量国际单位是“流明”是“一个1cd光强的均匀点源发射的、在1个单位立体角内的光通量”并且它是延续了在“the 9th general conference of weights and measures(1948)”(1948年第9届国际计量大会)上批准的。其重点是“均匀点源”它在各方向发出的光通量大小与球面度大小的比值是恒定不变的,即在任何方向的光强都是“1cd”。严格来说,自然界大多数光源为各向异性非均匀发光的光源,特别是对于投光灯类投射角度非常窄的光源,光强单位坎德拉的等式 cd = lm·sr-1是否能正确或正确使用?为了便于理解,举“电流密度J =电流强度I/截面积S”为例,例如“J = 1安培/1平方分米= 100安培/1平方米”是在这1平方米中的电流强度均匀分布时成立,对于非均匀分布的,以测得的局部密度来替代考核的整个截面密度是不正确的。同理,只有各方向光通量均匀分布的“光源”,cd = lm·sr-1才成立,而现实自然界中很多是非均匀各向异性光源。所以,应删除错误的定义附注5中的( cd = lm·m-2·sr-1)表达式,甚至对长期以来定义解读为“流明每球面度”的光强( cd = lm·sr-1)也应好好重新考虑完善。

 

4)无论是“自发光光源”、或者是自身不发光而靠反射或透射光的“二次光源”,只要有出射“光”,就有“光强”。公式注释中“Фv光通量”使用了“emited(发射的)”,而术语“光通量”本身的公式注释中“Where Qv is the luminous energy emitted, transferred or received,......”,实质相当于“光通量Фv”的“光能量Qv”却使用了“emitted, transferred or received”,相同物理意义却前后所用的单词出现模糊不清甚至歧义。

 

3.1.4建议

1)建议理论定义由“Density of luminous flux with respect to solid angle in the specified direction.”改为“luminous flux emitting and/or transferring in a solid angle element which approached to zero and contained the specified direction at a point of a surface of a light source”(光源上的一点向指定方向上、在包含该方向且趋于零的立体角元内发射和/或转移的光通量)。

2)建议公式注释由“WhereФv is the luminous flux emitted in a specified direction, andΩ is the solid angle containing that direction.”改为“Where  dФv is the luminous flux emitted and/or transferred in a specified direction, and dΩ is the solid angle element which  containing that direction.”(其中,dФv是向指定方向上发射的和/或转移的光通量,dΩ是包含该方向的立体角元)。

3)建议删除定义附注5中的( cd = lm·m-2·sr-1),修改为“Note 5 to entry: The luminous intensity is expressed in candela”(注5:发光强度单位为“坎德拉”)。

 

4)建议重新考虑完善长期以来被国际权威机构所定义使用的 cd = lm·sr-1问题,并对cd = lm·sr-1的使用条件进行限定说明或者完善。

 

4 总结

    IEC60050.845:2020《International electrotechnical vocabulary(IEV) Part 845: Lighting》(国际电工词汇 第845部分:照明)国际标准定义的最基础物理量术语是全球须遵循的共识,几乎概括了所有光学包括照明词汇的术语定义,是非常重要的源头国际标准,其应该准确无误,然而该标准的上述光度学术语以及对应的辐射度、光子度学等术语都存在上述类似不妥和错误。此外,可能还存在其它术语的不妥和错误,有待后续分析探讨,希望这个非常重要的光学术语国际标准能尽快完善。

 
作者简介
 
李自力   广东产品质量监督检验研究院
 
1988年毕业于电子科技大学物理电子光电专业硕士研究生。拥有3年集成电路微细加工设备研发经历,8年大型国有电光源企业研发经理和品管经理经历,8年多个企业扭亏和新建厂的系统工程负责人经历,10年大型照明CCC检测实验室主任经历,5年广东省市场监管局缺陷产品召回管理中心主持日常工作负责人经历,4年IEC智能照明标准制定工作组专家经历。
 
多次参加国家“863”及国家“战略性先进电子材料”重点专项评审以及多次国家CCC强制性认证照明实验室的专项核查等。是国家科技部工信部等多个部委专家库专家,进入广东省委组织部高层次人才库。
 

 

 
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