光学与光电子学计量

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第201页（7080字）

是研究紫外、可见和红外波段(10nm-1mm)光辐射测量、光信息测量和光与物质相互作用特性测量的科学技术领域，是近代高科技的重要组成部分，已广泛地应用于光纤通信、光纤传感、光计算机、激光加工、激光印刷、激光存贮、激光分离同位素、燃烧的光谱诊断、资源的遥感、遥测、环境保护、激光医学、激光核聚变、激光武器等科学技术和生产领域。

1729年布盖(Bougrer)发明了比较天体亮度的光度计，1760年朗伯(Lambert)提出了单色光通过均匀物质时的吸收定律，他发现：一个亮度在各个方向上都相等的发光面，在某一个方向上的发光强度等于这个面垂直方向上的发光强度1₀乘以方向角余弦，称为朗伯定律。之后，各种目视光度计相继问世。当时，使用“烛光”为标准光源，测定蜡烛在水平方向上的发光强度，后来相继采用菜油灯、戍烷灯、纯乙酸戍酯灯(亥夫纳，Hefner灯)。1881年国际电工技术委员会把烛光规定为光度的国际性单位，规定将1磅鲸鱼油脂制成6支蜡烛，以每小时120格令的速度燃烧时，在水平方向上的发光强度为1烛光。19世纪末20世纪初热辐射基本定理：基尔霍夫定律、斯忒藩－波耳兹罗定律、维恩定律、普朗克辐射定律的建立，为辐射量度学和光度学奠定了理论基础。之后，黑体空腔理论的研究，指导了设计和研制空腔黑体，建立了高温、中温、低温空腔黑体作为辐射标准。

在光度基准方面，1909年英、法、美三国协议，采用由戍烷灯导出并用一组炭丝白炽灯保持的“国际烛光”，白炽灯的稳定性较好，但复现性较差，几乎无法制出两只发光强度一样的白炽灯。1937年国际计量大会决定使用铂金凝固温度下的全辐射体为光度基准，使用“新烛光”单位，并定义：全辐射体在凝固温度下的亮度为60新烛光每平方厘米。1新烛光等于1／1．005国际烛光。1948年第9届国际计量大会通过用拉丁名称坎德拉(Candela)取代新烛光。1967年第13届国际计量大会决定将(坎德拉)₁₉₄₈定义改为：(坎德拉)₁₉₆₇是在101325N·m^－2压力下处于铂凝固温度的黑体的1／600000m²表面在垂直方向上的发光强度。由发光强度可以导出光通量、光量、亮度、光出射度、照度、曝光量等一系列光度量标准。

辐射度量的基准和标准将已知温度的黑体作为基准。从1200K到3000K的黑体大都用大电流加热石墨管或圆柱体作黑体，大约一小时内精度和稳定性优于1%。从200K到1200K都是用电热丝加热各种金属腔作黑体，精度大约100h内为1%。

虽然用于光度的白金点黑体长期稳定性优于0．01%，但低溶点的黑体可提供非常稳定的辐射。金点(1337K)黑体长期稳定性优于0．1%。锑点(505K)、锌点(692K)和金点黑体一样好。

对于温度高于1200K，通常用钨带灯或溴钨灯与黑体进行比较后作为传递标准。除此之外，还可用标准接收器作为辐射度标准或基准，其中以电校准绝对接收器最为成熟。此外，美国国家标准局(NBS)70年代还研制了热释电型的绝对辐射计，1980年由盖斯特(Guist)等人研制成功已确定量子效率的自校准硅光电二极管。英国国家物理实验室(NPL)研制的氦冷却小型绝对辐射计，用它来确定的斯忒藩——波耳兹曼常数与计算值在10^-4以内一致，它与NBS的自校准硅光电二极管进行比对，一致性达到±0．2%。

近年来，很多国家把已建立的同步辐射加速器作为辐射标准。在紫外辐射标准方面，美国NBS研制了壁稳氩弧作基准，用氢灯和小氩弧作为传递标准。

光源的辐射强度是一个客观的量，它是光源在给定方向的单位立体角上发出的辐射功率(辐射通量)。但是光源的发光强度是一个带主观因素的量，它除了与光源的辐射强度有关外，还与人眼的视觉有关。根据对一定数量的正常人眼相对光谱灵敏度的计量和统计，国际照明委员会先后规定了国际平均眼明(白昼)视觉光谱光效率函数V(λ)和暗(黄昏)视觉光谱光效率函数V’(λ)。发光强度I_v光谱辐射强度I_e，λ之间的关系可用下式表示：

这里，K(λ)是光谱光视效率的转换因子，K_m是波长为555nm时的K(λ)值。

根据一些国家的测量和计算，1977年国际计量委员会规定K_m值为6831m·w^－1。对于暗视觉发光量的系统，这个值的变化只有3%，因此保证了令人满意的连续性。1979年第16届国际计量大会决定废除(坎德拉)₁₉₆₇定义，采用(坎德拉)₁₉₇₉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1／683W·Sr^－1。定义中，540×10¹²Hz辐射波长约为555nm，它是人眼感觉最灵敏的波长。

光度、辐射度新基准的建立及确定其量值传递系统，保证光度、辐射度量的准确、一致、可靠；发展光度、辐射量度的测量方法与技术；研究用于光度、辐射度测量的光电、热电探测元、器件，发展智能化光度，辐射度测量系统等，是近代研究热点。

1990年，国际新标准ISO／DIS，31－6，1990《光及有关电磁辐射的量和单位》中新规定了光子数、光子通量、光子强度、光子亮度、光子出射度、光子照度、光子量等一系列光子度量来描述光子强度的空间分布和传播特性。根据光辐射量子理论可以确定描述微观物理的光子量和辐射度量之间对应关系，通过普朗克常数将两者联系在一起。由于近代光电子科技的发展，促进了光电子工业的兴起以及光子时代的出现，因此光子度量学是近代研究的一个新领域。

1665年胡克(Hooke)发现了薄膜所产生的彩色现象。但是，只是当牛顿于1666年发现日光可以用三棱镜分解成各种颜色，并且确定每一种纯颜色各由一个折射率来标志的时候，才对颜色的基本性质搞清楚。

1801年，扬(Yong)提出红、绿、蓝3种色光按一定比例可以混合成日光。1860年，赫姆霍兹(Helmoltz)完善了扬的理论，发展成为较完整的三色学说。1878年，赫林(Heiing)提出了一种四色对抗学说，他认为在视网膜中有三对感光视素，一对是红／绿视素，对红光和绿光响应；一对是黄／蓝视素，对黄光和蓝光响应；还有一对白／黑视素，只要有光就响应。在三色混合实验中发现，任何一种颜色均可用3种原色红(R)、绿(G)、蓝(B)的匹配而成。1929年，莱特(Wright)用目视三色光度计进行颜色匹配，所选用的三基色为红(650nm)、绿(530nm)、蓝(460nm)，但是在匹配460～530nm光谱色和650nm时三色系数要出现负值。1931年吉尔德(Grild)用色温为2900K的白炽灯通过一定带宽的红(630nm)、绿(540nm)、蓝(460nm)三原色相加匹配得到的日光(色温为4800K)，三色系数是等量的。

为了统一色度计量，1931年国际照明委员会(CIE)在莱德和吉尔德工作基础上，用红(700nm)、绿(546．1nm)、蓝(435．8nm)的三基色和等能量日光(E)光源为标准，建立了视角小于2°的CIE1931X系统，为了在色度图上能以均匀距离来表示颜色的表色系统，用X、Y、Z3个数值表示一种颜色，称为三刺激值。此系统仅适用于2°视场的中央视觉的观察条件，为了适应大场视的观察条件，1964年CIE规定了10°大视场的CIE1964补充标准色度观察者三刺激值和相应的色度图，称为CIE1964补充标准色度学系统。

由于CIE(x，y)色度图在表示颜色差别方面不够理想，空间上的距离变化不完全代表视觉上的相等差别。1960年CIE根据麦克亚当(MacAdam)的工作制定了“均匀色度标尺图，”也称CIE1960UCS图。

在颜色测量时，若对颜色测量的准确度要求不太高，可以用系统的颜色图谱的色标进行目视比色，国际上常用的有孟塞尔(Munsell)表色系，它以色调(H)、明度(V)和彩度(C)为基础系列地排列的色卡。1931年美国最早出版了《孟塞尔颜色图谱》，以后在1939年和1943年分别经美国国家标准局和美国光学学会修订出版了《孟塞尔颜色图册》，这本图册的新版包括两套样品，一套为无光泽样品，1973年出版的样品数有1150块颜色样品，32块由白到黑的中性色样品。

另一套为有光泽样品，1974年出版的样品数有1450块颜色样品和37块由白到黑的中性色样品。

1800年英国赫舍尔(Herschel)用灵敏的温度计研究太阳的热分布时，发现在可见区太阳光谱的红端有很强的热辐射，1843年梅伦尼(Melloni)对热辐射的反射、折射、吸收等实验证实了红外线的存在。

1801年瑞脱尔(Writher)发现可见区太阳光谱的紫端有很强的感光作用，从实验上发现了紫外线。1814年，夫琅和费(Fraunhafer)发明了用准直光管、三棱镜、望远镜组成的分光镜，它用分光镜测量了太阳光谱中的暗线，并初步确认了约700条太阳光谱中的暗线，1822年，他用透射光栅精确地测定了钠的黄线。1859年，基尔霍夫(Kirchhoff)和本生(Bunsen)检验了一批纯金属元素的火焰光谱和火花光谱，编制了很完整的太阳光谱图和许多金属元素光谱图。1868年，埃斯屈朗(Angstron)在对太阳光谱作了大量研究后，给出了近千条太阳光谱线表，并精确地确定了绝对波长。

1893年，迈克耳逊(Michelson)采用干涉法，以巴黎的标准米尺对镉(Cd)元素的3条谱线波长进行了测量。1900年，法卜利－珀罗(Fabry-Perot)用多光束干涉法精确地测量了波长。

1906年，迈克耳逊精确地对镉红线进行了绝对测量，得到

λ_CD=643．8469nm

1927年，国际协议决定将这条谱线作为光谱长度标准。在实际使用中，由于同位素的超精细结构和多普勒增宽的影响，使复现性受到限制。

1960年，第11届国际计量大会提出用⁸⁶Kr灯发射的606nm的橙黄色光谱线作为波长标准，建立了米定义：米的长度等于⁸⁶Kr原子的2P₁₀和2d₅能级间跃迁所对应的辐射在真空中波长的1650763．75倍。国际计量委员会还规定了氪灯的工作条件，氪灯线的真空波长为：

λ_kr=605．780210₃nm

在光谱测量中将谱线直接与⁸⁶Kr波长标准进行比对是很不方便的，因此国际上又规定了铁谱线和惰性气体的谱线作为次级标准。由于激光技术的发展，1982年已经能精确地测定光在真空中的速度，光速是一个不变量，1983年10月第17届国际计量大会通过了新的米定义：米是光在真空中于1／299792458秒时间间隔所经路径的长度。

根据国际计量委员会的推荐，米的实现方法有时间法、频率法和辐射波长法3种，它们都是建立在真空中光速C为确定值的基础上，即C=299792458m／s，1983年国际计量委员会推荐了5种激光辐射波长和两种同位素单色光辐射的真空波长和频率值，用它们中的任一条光谱线均可实现米。

在19世纪波动光学、干涉和衍射理论的发展基础上，20世纪中下叶，光学材料、光学零部件、光学仪器与光学系统性能的测试方法与技术日趋成熟：光学玻璃、光学晶体、光学塑料和光学薄膜的光性测量和检测标准，光学胶片的光学密度、速度、反差、鉴别率极限及调制传递函数、光学传递函数、线扩散函数和点扩散函数的测量；光学镜头、光学分划板、光学棱镜、光栅、光学滤光片、偏振器件、法卜利——珀罗干涉具、光学空间滤波器和光学码等光学零部件的光性测量和检测标准；成像透镜的曲率半径、焦距、屈光度及望远系统、显微镜、投影系统和照相系统的象差、畸变、鉴别率极限、调制传递函数、光学传递函数、线扩散函数和点扩散函数的测量。

19世纪末赫克发现了光电效应，20世纪初普朗克的量子理论、爱因斯坦(Einstein)的光子假说，建立了光的量子理论，光电效应开始应用。50年代，半导体材料物理的研究，进而对内光电效应(光电导、光生伏特)、热电效应进行深入研究。60年代各种热电、光电探测元、器件迅速发展起来，相应地发展了热电、光电材料及热电、光电探测元件及成像器件和光电子系统性能的测试方法与技术的研究：热电材料、热电材料、新型外光电材料和内光电材料光电参数的测量；辐射热电偶、热敏电阻、热电等光探测器光电特性的测量；光电管、光电倍增管、光敏电阻(光导管)、光电池、光电二极管等光电探测器特性的测量；光电摄象器件以及近年来发展起来的电荷耦合器件(CCD)的光谱灵敏度、像元分辩率等器件参数的测量；80年代以来，光电子成像系统、光电子跟踪系统、光电子对抗系统、光电子图像处理系统、光电子信息传输和处理系统、光电子机械视觉系统等性能的测试方法与技术的研究迅速发展。

20世纪50年代发光材料有了较快的发展，70年代发光器件、显示器件和大屏幕显示系统相继发展起来，相应地发展了发光材料、发光器件、显示器件和大屏幕显示系统的测试方法与技术的研究：固体、气体、液体和等离子体发光材料的发光强度、光谱、显色特性、偏振特性、发光持续时间和发光效率的测量；发光器件、显示器件和大屏幕显示系统的发光强度、发光持续时间、发光效率和显示系统的对比度和分辩率的测量。

1960年世界上出现第1台激光器，到现在，激光器已广泛地应用于各个领域，相应地发展了激光材料、激光器件和激光仪器与系统性能测试方法与技术的研究：固体、气体、液体和等离子体激光材料的能源、光谱、跃迁几率、寿命、增益系数等参数的测量；激光器、可调谐激光器输出光谱范围、激光功率和能量测量，脉冲激光波形、平均功率、瞬时功率、峰值功率的测量，激光波长测量，线宽测量和激光束轮廓测量，相应地建立了标准和量值传递系统；激光加工、检测、激光印刷、激光医疗仪器、激光信息系统、激光同位素分离系统及激光武器系统性能的测试方法与技术的研究。

激光器的出现，激光与物质相互作用的研究，发展了非线性光学理论，同时各种非线性光学材料和非线性光学器件快速地发展起来，相应地发展了非线性光学材料、光学偏转、调制、变频和偏振器件性能的测试方法与技术的研究：固体、气体、液体和等离子体非线性光学材料光性及非线性光学系数、极化率的测量；利用非线性声光、电光、磁光等效应的光学偏转器件、调制器件、开关器件、存贮器件和偏振器件性能的测量；非线性倍频、多次谐波器件和非线性混频和变频器件性能的测试方法与技术研究。

1966年，高琨预言了光纤能成为优良的光通信传输介质，到1970年已经制造了低损耗的光纤，随之各种光纤通信系统迅速发展起来，带动了光纤材料和光纤元器件的发展。

80年代光纤通信系统已经在世界上得到了广泛地应用，光纤通信系统也从短波段发展为长波段光纤通信系统。近年来，光纤激光器、光纤放大器也迅速地得到应用，相应地发展了光纤材料、光纤元器件、连接器、耦合器等光纤通信系统性能测试方法与技术研究。

与此同时，70年代兴起了光纤传感器的研究，也相应地发展了光纤传感系统及特种光纤和光纤传感器性能测试方法与技术研究。

1978年，加波提出了全息光学的理论。

近20年来，图像的特征识别、图像的处理技术，发展了全息光学计量。与全息光学发展的同时，光学信息的存贮、运算和处理等技术及相应的各种元、器件也日趋成熟，光电混合计算机系统和光计算机系统研究迅速开展起来，相应地发展了光信息存贮、运算、处理等元、器件和光计算机系统部件性能的测试方法与技术研究。

光学和光电子学计量今后的研究热点为：(1)光纤通信系统、光纤传感系统及相应地元器件性能的计量测试；(2)光信息处理系统、光计算机系统及相应元器件性能的计量测试；(3)激光光谱辐射标准和新的激光波长标准研究；(4)新型非线性光学偏转器件、调制器件、开关器件和偏振器件性能的计量测试；(5)机器人视觉、图像识别与理解系统、光电机械视觉系统及光学神经网络系统的研究；(6)激光光谱测量方法与技术和遥感光谱测量。

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【参考文献】：

1 刘少珏．国外光学计量的发展与况状．国家计量局情报研究所，1985

2 中国计量测试学会．中国计量科学技术的现状与展望，1989

3 鲁绍曾主编．现代计量学概论．北京：中国计量出版社，1987

4 李家华编译．美国国家标准局(NBS)长运规划．国家计量局情报研究所，1987

(中国计量学院张在宣教授撰)