THỂ HIỆN ĐỊNH NGHĨA CỦA CANDELA VÀ CÁC ĐƠN VỊ DẪN SUẤT KÈM THEO CHO CÁC ĐẠI LƯỢNG TRẮC QUANG VÀ BỨC XẠ TRONG HỆ ĐƠN VỊ QUỐC TẾ

0.  Giới thiệu

Tài liệu này do Ban tư vấn về Đo lường bức xạ và Trắc quang (CIPM) thuộc Uỷ ban Cân đo Quốc tế (CIPM) chuẩn bị và đã được CIPM phê duyệt chính thức nhằm cung cấp một hướng dẫn về cách thức thể hiện candela và các đơn vị liên quan sử dụng trong đo lường bức xạ và trắc quang có thể được thực hiện trong thực tế. Tài liệu này cho thấy hai lĩnh vực trắc quang và đo lường bức xạ và các đơn vị của chúng liên quan chặt chẽ với nhau thông qua định nghĩa hiện hành của một đơn vị cơ bản SI cho đại lượng trắc quang cường độ sáng : candela.

Phiên bản trước đây của tài liệu chỉ áp dụng cho candela ngược lại phiên bản được cập nhật này bao gồm việc thể hiện candela và các đơn vị liên quan khác được sử dụng cho đại lượng trắc quang và bức xạ. Những tiến bộ hiện nay trong việc tạo thành và sử dụng các photon riêng lẻ đã chỉ ra một triển vọng to lớn cho việc tạo ra các dòng bức xạ với số lượng phtoon rất ổn định. Như vậy tài liệu này cũng bao gồm thông tin về việc thiết lập thực tế đơn vị cho các đại lượng tắc quang và đo bức xạ bằng cách sử dụng kỹ thuật dựa vào-số lượng-photon. Để đơn giản, các đơn vị sử dụng cho đại lượng trắc quang và đo bức xạ được gọi vắn tắt là các đơn vị trắc quang và đo bức xạ. 

1. Định nghĩa của candela và mối quan hệ giữa các đại lượng trắc quang, đại lượng đo bức xạ và đại lượng dựa vào-số lượng-photon   

1.1 Trắc quang, đo lường bức xạ và candela       

Candela là đơn vị cơ bản SI cho đại lượng trắc quang cường độ sáng. Định nghĩa SI của candela thiết lập mối quan hệ giữa các đơn vị trắc quang và bức xạ cho các hình thể hình học phổ biến với cả hai lĩnh vực đo. Candela, cd, đơn vị cường độ sáng, được CGPM lần thứ 16 (1979) thông qua, định nghĩa như sau :

Candela là cường độ sáng theo một phương đã cho của một nguồn phát ra bức xạ đơn sắc có tần số 540 x 10¹² Hz và có cường độ bức xạ theo phương đó là 1/683 oát trên steradian.

Theo đó, hệ số sáng K_cd đối với bức xạ đơn sắc tần số 540 x 10¹² Hz chính xác là 683 khi được thể hiện theo các đơn vị SI cd.sr/W = lm/W.

Định nghĩa này được thể hiện chặt chẽ về mặt vật lý và dựa vào chỉ một tần số của bức xạ điện từ. Mục đích của trắc quang là đo ánh sáng theo cách để kết quả đo liên hệ với cảm giác sáng được thực nghiệm bằng người quan trắc đối với cùng một bức xạ. Hầu hết các nguồn sáng phát ra một phổ rộng các tần số. Phục vụ mục đích này, Uỷ ban quốc tế về chiếu sáng ( CIE) đã xác định một tập hợp các hàm trọng số phổ (spectral weighting function) hoặc phổ tác dụng (action spectra), được xem như các hàm hiệu suất sáng phổ (spectral luminous efficiency function) để mô tả độ nhạy phổ tương đối của mắt người bình thường đối với các điều kiện nhìn quy định. Những hàm này được xác định như là một hàm của bước sóng trong không khí tiêu chuẩn (không khí khô tại 15 ^oC và 101 325 Pa, chứa 0,03 % dioxid carbon) và được chuẩn hoá để đồng nhất ở giá trị cực đại của chúng. Hằng số, K_cd , cùng với hàm hiệu suất sáng phổ;, liên kết các đại lượng trắc quang và các đại lượng bức xạ để tạo thành một hệ thống nhất quán về đo lường .

Năm 2007, CIPM ký kết một thoả thuận với CIE, trong đó hai tổ chức ghi nhận :

· CIPM chịu trách nhiệm về định nghĩa của các đơn vị trắc quang trong SI và

· CIE chịu trách nhiệm tiêu chuẩn hoá các hàm phổ hiệu suất sáng của mắt người.

Chi tiết về các hàm phổ hiệu suất sáng của mắt người và định nghĩa của các đại lượng trắc quang kèm theo, xem ấn phẩm chung CIPM/CIE : Các nguyên tắc điều chỉnh trắc quang, 2^nd Edition. 

Thực tế truyền thống trong trắc quang là công bố các bước sóng trong không khí. Tuy nhiên, cách chính thức nhất để định vị một bức xạ đơn sắc trong phạm vi quang phổ là công bố tần số, f, của nó, vì tần số độc lập với môi trường quang. Giá trị của tần số f và bước sóng λ liên kết với nhau bằng

                                                     f λ = c/n_a(λ)        (1)

trong đó c là vận tốc của ánh sang trong chân không và bằng 2,997 924 58 x 10⁸ m s^-1, và n_a(λ) là hệ số khúc xạ của không khí. Cần nhấn mạnh là giá trị của n_a(λ) phụ thuộc vào áp suất riêng của từng thành phần không khí và cũng phụ thuộc vào bước sóng. Trong trường hợp không khí tiêu chuẩn như được xác định ở trên, hệ số khúc xạ của không khí, n_a(λ), xấp xỉ bằng 1,000 28 trong toàn phổ nhìn thấy.

Đối với một nguồn sáng thực tế, nghĩa là mọi nguồn đang phát ra bức xạ không chỉ tại tần số 540 x 10¹² Hz, các đại lượng trắc quang tương ứng được xác định thuần tuý về mặt vật lý là các đại lượng vật lý tỉ lệ với tích phân của phân bố năng lượng phổ của nguồn sáng (được xác định đối với một cấu hình hình học phù hợp), được lấy trọng số theo hàm hiệu suất sáng phổ xác định và được chuyển đổi về các giá trị trắc quang tuyệt đối bằng cách sử dụng hiệu lực sáng như được xác định đối với candela.

Như vậy các đại lượng trắc quang (dựa vào người quan trắc) liên hệ với các đại lượng bức xạ qua những biểu thức đơn giản. Dạng chung của biểu thức nối một đại lượng bức xạ phổ xác định X_e,l(l) với đại lượng trắc quang tương ứng của nó X_n,x , được cho là :   

                                X_n,x =  K_cd/V_l(l_a)ò_lX_e,l(l)V_x(l)dl            (2)

Trong đó l_a = 555,017 nm là bước sóng trong không khí tiêu chuẩn tại tần số 540x10¹² Hz  được cho trong định nghĩa của của candela và V_x(l) là hàm hiệu suất sáng phổ CIE; chỉ số dưới ”x” chỉ hàm số tương ứng. 

Điều quan trọng nhất của các hàm thị giác này là hàm hiệu suất sáng phổ đối với mắt đã thích nghi ánh sáng, V(l), được CIE xác định đối với giải sóng từ 360 nm đến 830 nm tại các khoảng 1 mm.  Khi các giá trị nằm giữa những bước sóng này, phải sử dụng phép nội xuy tuyến tính. Đối với hàm này, giá trị cực đại là tại bước sóng l chính xác là 555 nm trong                               không khí tiêu chuẩn. Đối với điều kiện thích nghi bóng tối , CIE đã tiêu chuẩn hoá hàm hiệu suất sáng thích nghi,  V^, (l), có dạng tương tự như  V(l), nhưng đỉnh của nó lệch về phia bước sóng ngắn hơn so với đường cong thích nghi sáng.

Hiện tại, CIE đã xác định một hệ thống hàm hiệu suất sáng phổ để sử dụng tại các mức độ chói giữa điều kiện thích nghi tối và thích nghi sáng. được xem như miền cận thị, như vậy hoàn tất việc chuẩn hoá các hàm thị giác cho tất cả các trạng thái của sự thích nghi thị giác; có thể tìm thấy các định nghĩa chi tiết của những hàm này và các hàm hiệu suất sáng phổ CIE quan trọng khác trong các ấn phẩm cập nhật hiện tại của CIPM/CIE về các Nguyên tắc Điều chỉnh Trắc quang (Principles Governing Photometry). Sự thể hiện thực tế (The mise en pratique) và các Nguyên tắc Điều chỉnh Trắc quang là các tài liệu liên kết với nhau để cung cấp một sự mô tả đầy đủ về hệ thống trắc quang vật lý thực tế hiện nay.

Phương trình cơ bản liên hệ các đại lượng trắc quang cụ thể  (ứng với các dạng đo khác nhau) với các đại lượng bức xạ tương ứng được cho trong các Nguyên tắc Điều chỉnh Trắc quang (Principles Governing Photometry, 2^th ed, Joint CIPM/CIE publication). Các mức công suất và phạm vi bước sóng liên quan là những cái mà các khái niệm bức xạ điện từ cổ điển của các nguồn rời rạc và các chùm bức xạ sơ cấp (quang hình) được sử dụng để mô tả các đại lượng trắc quang. Thêm vào đó về khía cạnh quang phổ, điều quan trọng được nhấn mạnh là định nghĩa của các đại lượng trắc quang và bức xạ liên quan đến việc lan truyền của ánh sáng trong không gian một định nghĩa của các đại lượng này cũng yêu cầu một định nghĩa của những tham số hình học nội tại này, chúng là thiết yếu đối với trắc quang thực tế.

Đối với định nghĩa của candela, các tham số hình học này là hướng đã cho của thông lượng bức xạ tại một điểm xác định của mặt bức xạ thực hoặc ảo và góc khối bao bởi chùm tia và chứa phương đã cho này. Đối với các đơn vị trắc quang dẫn xuất, các tham số hình học bổ xung cụ thể là thiết yếu, bao gồm diện tích theo hướng của chum tia có chứa điểm đã cho (nguồn hay vật nhận), và góc từ pháp tuyến tới nguyên tố mặt (nguồn hay vật nhận).

1.2 Các đại lượng trắc quang và các đại lượng dựa vào số photon

Các đại lượng dựa vào số photon là các đại lượng bức xạ quang học được thể hiện theo số photon đã biết hoặc thông lượng photon. Vì tính đối ngẫu của bức xạ điện từ, các đại lượng trắc quang và/hoặc bức xạ phổ cũng có thể được thể hiện theo các đại lượng dựa vào số photon. Đối với các bước sóng trong không khí, mối quan hệ giữa đại lượng bức xạ phổ tại một bước sóng đã cho, X_e,l(l),  và đại lượng dựa vào số photon tương ứng, X_p,l(l), là :

                          X_e,l(l) = (hc/l).n_a(l).X_p,l(l)           (3)

Trong đó h là hằng số Plank, c là vận tốc của ánh sáng trong chân không, và n_a(l) là hệ số khúc xạ trong không khí tại bước song đã cho l.

Kết hợp phương trình (2) và (3), dạng chung của phương trình lien hệ một đại lượng trắc quang đã cho với đại lượng dựa vào số photon tương ứng của nó X_p,l(l) là :

                 X_n,x =  K_p,xò_lX_p,l(l)[n_a(l)V_x(l)/l]dl             (4)   

Trong đó :             K_p,x = (K_cdhc)/V_x(l_a)             (5)

Với K_p,x là hệ số chuyển đổi từ đại lượng trắc quang sang đại lượng dựa vào số photon đối với hàm hiệu suất sáng phổ V_x(l_a).

1.3 Phương pháp thể hiện các đơn vị trắc quang và các đơn vị đo bức xạ và candela            

 Nói chung thuật ngữ “thể hiện đơn vị - to realize a unit” được diễn giải theo nghĩa là thiết lập một giá trị (trong phạm vi độ không đảm bảo kèm theo) của một đại lượng cùng loại với đơn vị, theo cách phù hợp với định nghĩa của đơn vị. Nói chung mọi phương pháp phù hợp với các định luật vật lý và định nghĩa của đơn vị cơ bản SI đều có thể sử dụng để thể hiện các đơn vị, cơ bản hoặc dẫn xuất, những xem xét cụ thể yêu cầu trong lĩnh vực trắc quang là để đảm bảo việc thể hiện đơn vị liên quan đến phép đo các nguồn sáng thực tế , nghĩa là các nguồn sáng phát xạ không chỉ tại bước sóng tương ứng với tần số 540 x 10¹² Hz. Danh mục các phương pháp cho ở đây không phải là một danh mục toàn bộ các phương pháp có thể có, nhưng là danh mục các phương pháp dễ thực hiện nhất và/hoặc có độ không đảm bảo nhỏ nhất.

Vì định nghĩa candela liên hệ đơn vị trắc quang với đơn vị đo bức xạ, nên việc thể hiện thực tế candela và các đơn vị trắc quang dẫn xuất hầu hết là dựa vào việc thể hiện thực tế các đơn vị đo bức xạ. Như vậy, một cách logic là bắt đầu với việc trình bày về các phương pháp thực tế thể hiện đơn vị đo bức xạ để cung cấp cơ sở cần thiết mô tả sự thể hiện thực tế candela.        

2. Thể hiện thực tế các đơn vị đo bức xạ

Có hai phương pháp đầu được sử dụng để thể hiện các đơn vị đo bức xạ. Đó là phương pháp “cảm biến chuẩn – detector-based” hoặc “nguồn chuẩn – source-based”.

2.1 Liên kết chuẩn đo lường bức xạ cảm biến chuẩn

Phương tiện đo bức xạ tuyệt đối (an absolute radiometer) là một dụng cụ có thể phát hiện ra và định lượng lượng bức xạ quang học tới, trong đó phương pháp định lượng là quy chiếu trực tiếp về một hiện tượng vật lý khác có thể đo được (thường phương pháp này có lộ trình liên kết chuẩn tới SI, là các đơn vị điện, chúng có thể đo được với độ không đảm bảo thấp hơn các phương pháp đo công suất quang khác) và như vậy có thể tự hiệu chuẩn, nghĩa là phương tiện đo bức xạ không yêu cầu hiệu chuẩn bên ngoài so với một phương tiện đo công suất quang hoặc một nguồn quy chiếu khác. Chúng có hai dạng và hai dạng này có một lộ trình liên kết chuẩn tới các đơn vị điện SI :

· Phương tiện đo bức xạ chuyển đổi điện (ESR – Electrical Substitution Radiometer), trong đó hiệu ứng nhiệt của bức xạ quang học được làm cân bằng với công suất điện thay thế được đo. Phương pháp thiết lập tốt này hiện nay được tiến hành phổ biến với dụng cụ làm lạnh tới nhiệt độ đông lạnh (< - 20 K), trong đó các nguồn độ không đảm bảo kèm theo được giảm xuống đáng kể; những phương tiện đó được gọi là “phương tiện đo bức xạ nhiệt độ thấp” (cryogenic radiometer).

· Photodiod hiệu ứng lượng tử dự báo (POED – Predictable Quantum Efficient Photodiodes) : Các photodiod này dựa trên cơ sở bán dẫn tổn hao thấp, thường là silicon, và mô hình chính xác về sự chuyển đổi photon thành electron và sự phát hiện trong phạm vi thiết bị, để xác định lượng bức xạ quang học tới từ phép đo dòng quang phát sinh. Dù lúc đầu dựa trên cơ sở tự hiệu chuẩn của các photodiod đơn, phương pháp này đã có tiến bộ quan trọng thông qua cấu trúc của các “cảm biến bẫy – trap detector”, chúng tăng hiệu lực phát hiện chung bằng cách tạo ra các bẫy ánh sáng từ việc phản xạ nhiều lần của một số photodiod có đầu ra điện kết hợp.

Cần nhấn mạnh là các phương tiện đo bức xạ tuyệt đối nhạy đối với một phạm vi phổ rộng và không thể, tự bản thân nó, cho ra mọi thông tin liên quan tới phân bố phổ của công suất từ nguồn đang được đo. Sự bổ xung một yếu tố chọn lọc phổ (ví dụ bộ lọc) là cần thiết để nhận được các thông tin phổ. Lưu ý là yếu tố này yêu cầu việc hiệu chuẩn độc lập theo các giá trị tuyệt đối của phổ hệ số truyền qua đều đặn để cho phương tiện đo bức xạ tích hợp với một yếu tố như thế được xem là “tuyệt đối”. Trong thực tế, việc thể hiện cadela thường bao gồm các phép đo bức xạ tại một số bước sóng bằng cách sử dụng lade hoặc các nguồn sáng đơn sắc cơ bản. Cũng cần lưu ý là các phương tiện đo bức xạ tuyệt đối thường đo lượng của thông lượng bức xạ tuyệt đối, nó không bao gồm các khía cạnh hình học của ánh sáng, điều quan trọng đặc biệt đối với trắc quang.  

2.2 Liên kết chuẩn đo lường bức xạ nguồn chuẩn

Nguồn tuyệt đối là nguồn mà lượng bức xạ quang học phát ra có thể dự báo dựa vào phép đo các tham số vật lý khác. Tiếp đó bức xạ quang học được tạo ra bởi mọi nguồn khác có thể đo được bằng cách so sánh trực tiếp với một nguồn tuyệt đối như thế. Có hai loại nguồn có thể xem là tuyệt đối trong những điều kiện nhất định :

·      Vật bức xạ Plank : Đối với một hốc có độ phát xạ cao (gần như đồng nhất) phổ bức xạ phát ra có thể được dự báo từ nhiệt độ nhiệt động lực của hốc bằng cách sử dụng định luật bức xạ Plank. Trong trường hợp này liên kết chuẩn là tới đơn vị nhiệt độ SI - kenvin. Đối với nhiều ứng dụng có độ chính xác cao, nhiệt độ nhiệt động lực của hốc được xác định bằng một cảm biến lọc đã hiệu chuẩn về đo bức xạ - a radiometrically-calibrated filtered detector (được xem là một “phương tiện đo bức xạ lọc – filter radiometer”) và, trong trường hợp này, là liên kết chuẩn tới các đơn vị điện SI như đã mô tả ở trên và xem là “liên kết chuẩn đo lường bức xạ cảm biến chuẩn” thì phù hợp hơn Nếu phân bố bức xạ của nguồn này là không đổi ở tất cả các hướng, bằng cách sử dụng một kẽ hở ở trước vật bức xạ Plank tại một khoảng cách đủ lớn theo một hướng nào đó, thì bức xạ phổ tính toán của nó có thể được chuyển thành cường độ bức xạ phổ dự báo.

· Vòng giữ electron tạo ra bức xạ synchrotron : Các electron tương đối ở trên một quỹ đạo tròn phát ra bức xạ synchrotron (SR). Trong những điều kiện nhất định, nguồn này có thể xem là tuyệt đối và trong trường hợp naỳ cường độ bức xạ phổ (theo W rad^-1) của SR phát ra có thể được dự báo từ các tham số của vòng giữ đã được biết và đo và các tham số hình học thông qua việc sử dụng phương trình Shwinger. Ở đây liên kết chuẩn là tới các đơn vị điện và đơn vị độ dài SI. SR bao gồm một phạm vi động học rộng theo thông lượng photon lên tới 10¹², cho phép điều chỉnh thông lượng photon tới độ nhạy của hệ thống phát hiện được nghiên cứu mà không thay đổi dạng của phổ phát xạ. Điều này được thực hiện bằng việc điều chỉnh số lượng electron lưu giữ, trong phạm vi từ dòng cực đại đến một electron lưu giữ đơn.   

3. Thể hiện thực tế các đơn vị dựa trên cơ sở số photon   

Có thể tiến hành thể hiện thực tế đơn vị của các đại lượng dựa trên cơ sở số photon, như thông lượng photon (số photon trên giây), độ rọi photon (số photon trên giây trên đơn vị diện tích) cho các ứng dụng đo bức xạ thông lượng thấp cũng có thể tiến hành bằng cách sử dụng phương pháp đo bức xạ cảm biến chuẩn và nguồn chuẩn đã mô tả ở trên và sử dụng sự chuyển đổi từ đo bức xạ sang các đại lượng dựa vào số photon, cho ở phương trình (3). Tuy nhiên cũng có thể sử dụng nguồn để tạo ra các photon đơn với một tốc độ đã biết và việc đếm photon là một phương pháp đầu để thể hiện các đơn vị kèm theo dựa vào số photon. Phương pháp tiếp cận này ở đây được diễn giải là “dựa vào số photon”.

Hiện nay, cụ thể là đối với một số ứng dụng nổi bật, ví dụ như quang học lượng tử, phương pháp này đã trở thành thực tế để xem xét bản chất lượng tử đầy đủ của bức xạ điện từ như là một lộ trình liên kết đầu tới SI. Vì mỗi photon có thể xem là một lượng tử của năng lượng phụ thuộc vào tần số của nó, việc liên hệ số lượng photon với một lượng năng lượng hoặc công suất là đơn giản về mặt khái niệm. Các photon riêng rẽ có thể được tạo thành bằng cách sử dụng ví dụ các vật liệu phi tuyến tính cũng như các nguồn photon đơn cơ sở quang và điện, và đếm bằng cách sử dụng các bộ nhân quang, diode thác photon đơn, cảm biến dây nano siêu dẫn và cảm biến biên chuyển tiếp.

4. Thể hiện thực tế các đơn vị trắc quang

4.1 Lộ trình liên kết chuẩn đo lường cho việc thể hiện thực tế các đơn vị trắc quang

Việc thể hiện các đơn vị trắc quang gắn với các đại lượng trắc quang tương ứng (ví dụ cường độ sáng, độ chói, độ rọi, quang thông) thông qua việc sử dụng các hàm hiệu suất sáng phổ (để cung cấp trọng số phổ) kết hợp với hệ số sáng tại tần số 540 x 10¹² Hz như đã cho trong định nghĩa của candela. Có thể đạt được độ không đảm bảo thấp nhất của việc thể hiện các đơn vị trắc quang nếu chuỗi liên kết chuẩn bắt đầu với một cảm biến tuyệt đối (absolute detector), nhưng trong tương lai có thể đạt được bằng cách sử dụng các nguồn tuyệt đối (absolute source) hoặc các bộ đếm photon.

4.1.1 Liên kết chuẩn trắc quang cảm biến chuẩn    

Phương pháp thể hiện các đơn vị trắc quang phổ biến nhất là đo đầu ra trắc quang của nguồn sáng chuẩn-chất lượng theo một hình thể hình học yêu cầu bằng cách sử dụng một cảm biến trắc quang chuẩn có độ nhạy phổ phù hợp với hàm hiệu suất sáng đòi hỏi và đã được hiệu chuẩn quang phổ để độ nhạy độ rọi bức xạ tuyệt đối có thể liên kết tới một phương tiện đo bức xạ tuyệt đối và nó được trang bị một khe hở chính xác có liên kết chuẩn diện tích được hiệu chuẩn tới đơn vị độ dài SI. Tiếp đó, đơn vị trắc quang tạo thành được truyền đạt tới các nguồn sáng chuẩn-chất lượng khác (hoăc, trong bước thứ hai, tới một cảm biến trắc quang khác), nó trở thành các nguồn (hoặc cảm biến) chuẩn trắc quang thứ của đại lượng trắc quang kèm theo. Trong trường hợp này, liên kết chuẩn tới SI là “cảm biến-chuẩn” tới các đơn vị điện SI. Phương pháp này thường yêu cầu một hiệu chuẩn quang phổ bổ xung để thiết lập mối quan hệ (sự không phù hợp quang phổ) của đường cong độ nhạy phổ của cảm biến tới hàm hiệu suất sáng phổ CIE phù hợp. Để định lượng ảnh hưởng của sự không phù hợp quang phổ này, cũng cần phải tiến hành một phép hiệu chuẩn phổ tương đối của nguồn sáng. Trong trường hợp các đại lượng dựa trên cơ sở số photon được đo bằng thực nghiệm như mô tả ở trên, những đại lượng này có thể được chuyển sang các đại lượng trắc quang liên quan, bằng cách sử dụng phương trình (4), dù thường hay sử dụng tích phân có trọng số theo tần số thay cho bước sóng hơn.

4.1.2 Liên kết chuẩn trắc quang nguồn chuẩn

Phương pháp thứ hai thể hiện các đơn vị trắc quang trực tiếp thông qua việc sử dụng một nguồn tuyệt đối, đại lượng trắc quang đầu ra của nó (theo cấu hình hình học liên quan) được tính toán dựa trên cơ sở các đặc trưng của bản thân nguồn. Trường hợp này, liên kết chuẩn tới SI là “nguồn chuẩn”. Nguồn (có thể tính toán) tuyệt đối phổ biến nhất là vật đen nhiệt độ cao (một lỗ có độ phát xạ cao), thông lượng bức xạ đầu ra của nó có thể được dự đoán từ nhiệt độ nhiệt động lực của lỗ bằng cách sử dụng định luật bức xạ Plank. Đây là liên kết chuẩn tới đơn vị nhiệt độ SI – kenvin. Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao thường yêu cầu các ứng dụng trắc quang, nhiệt độ nhiệt động lực thường được xác định bằng phép nghịch đảo định luật Plank qua phép đo chuẩn đơn sắc của đầu ra thông lượng bức xạ tuyệt đối của vật bức xạ được chế tạo bằng cách sử dụng một hoặc một số cảm biến giải hẹp đã được hiệu chuẩn bằng quy chiếu về một phương tiện đo bức xạ tuyệt đối như được trình bày ở 2.1 trên . Liên kết chuẩn ở đây được xem là “cảm biến chuẩn” tới đơn vị điện SI.

4.2 Thể hiện thực tế đơn vị candela, cd, đơn vị cơ bản SI   

Candela, cd, thường được thể hiện bằng một đèn chuẩn (a standard lamp). Đèn được thiết kế để sử dụng tối ưu theo một hướng xác định nhằm tạo ra một nguồn sáng (dây tóc đèn) nhỏ so với khoảng cách giữa nguồn và khe nhỏ giới hạn của diện tích hoạt động của cảm biến để có thể xem là nguồn điểm theo phương xác định đó. Trường hợp là đèn chuẩn tungsten (loại đèn thường hay được dùng làm đèn chuẩn) các thông số hoạt động điện của nguồn thường được chọn sao cho để đầu ra phổ của nguồn xấp xỉ với độ rọi tiêu chuẩn CIE quy định A, có cùng đầu ra phổ tương đối như vật bức xạ Planck hoạt động tại nhiệt độ xấp xỉ 2856 K. Cấu hình hình học được thiết kế trong mối quan hệ với cường độ bức xạ theo phương đã cho, I =  F/W, và xấp xỉ của góc khối đối với khoảng cách lớn, W = A/r², trong đó F là thông lượng bức xạ được tạo thành bởi cường độ bức xạ I của nguồn vào khe hở có diện tích A và r là khoảng cách giữa nguồn và khe hở A. Vì góc khối (W) không có thứ nguyên nên phải lưu ý là cường độ bức xạ có thứ nguyên tương đương với đơn vị dẫn xuất SI của thông lượng bức xạ (F), oát (W), nó có thể làm nhầm lẫn khi chỉ thể hiện theo các đơn vị cơ bản SI, nghĩa là độ dài (m), khối lượng (kg), và thời gian (s). Vì vậy nên bao gồm đầy đủ cả đơn vị dẫn xuất SI steradian, sr, như đã chỉ ra ở mục 1.1 trong định nghĩa của K_cd để chỉ ra rõ ràng sự phụ thuộc hình học của đại lượng. Cường độ bức sạ được chuyển thành cường độ sáng bằng phương trình (2) với việc sử dụng hàm hiệu suất sáng phổ CIE xấp xỉ và hằng số trắc quang K_cd.

Về nguyên tắc có thể thể hiện candela bằng một đèn chuẩn đơn sắc ổn định phát xạ tại bước sóng l_a tương ứng với tần số quy định trong định nghĩa candela, được lắp trên một băng trắc quang tại khoảng cách r đã biết từ khe hở giới hạn có diện tích A của phương tiện đo bức xạ tuyệt đối để đo thông lượng bức xạ. Sự sắp xếp này cho phép tính cường độ bức xạ tại bước sóng này, I_e(l_a). Cường độ sáng của đèn nhận được bằng mối liên hệ :

                                        I_v = K_cdV(l_a) I_e(l_a)

Tuy nhiên cách thể hiện như thế ít sử dụng đối với nguồn băng thông rộng thực tế . Như vậy việc thể hiện thực tế candela nổi bật được tiến hành bằng cách sử dụng một trong hai phương pháp sau theo các lộ trình mô tả ở 4.1.1 và 4.1.2 :

* Phương pháp A : 

Sử dụng một nguồn đa sắc nhỏ cho ra một trường bức xạ gần đẳng hướng theo phương đo. Đây thường là một nguồn sáng nóng xấp xỉ phân bố công suất phổ tương đối có độ rọi tiêu chuẩn CIE A. Để dùng làm đèn chuẩn cường độ sáng, cần phải có một đặc trưng phổ. Cường độ bức xạ phổ I_e(l) này theo một phương nào đó thường được đo tại khoảng cách r đủ lớn bằng một dãy phương tiện đo bức xạ-lọc chuẩn đã được hiệu chuẩn có độ nhạy độ rọi đã biết tại một số bước sóng rời rạc trong dải sóng nhìn thấy từ 360 nm đến 830 nm hoặc sử dụng một phương tiện đo bức xạ phổ (a spectroradiometer) có thị giác đầu vào độ rọi bức xạ phù hợp đã được hiệu chuẩn tuyệt đối về độ nhạy độ rọi bức xạ. Đối với những phép đo này, đèn phải được thiết lập theo các điều kiện hoạt động quy định của nó (hướng của đèn, phương của phép đo, dòng của đèn) và khoảng cách r từ nguồn đến diện tích khe hở A của cảm biến phải được biết chính xác và phải được kiểm tra. Cường độ bức xạ của nguồn đa sắc được đo trên toàn dải bước sóng nhìn thấy, hoặc tại các khoảng cách nhau đều đặn hoặc tại một số đủ các bước sóng rời rạc để có thể nội và ngoại xuy đối với các bước sóng khác bằng một mô hình vật lý thích hợp. Các giá trị này có thể được nhân với hàm hiệu suất sáng phổ CIE đưa ra và tích phân phổ để cho ra cường độ sáng tương ứng.

* Phương pháp B :

Sử dụng một phương tiện đo độ rọi chuẩn, đó chính là một phương tiện đo bức xạ lọc mà độ nhạy phổ tương đối đã được thiết kế để gần với đặc trưng phổ của hàm hiệu suất sáng phổ CIE yêu cầu. Phương tiện đo bức xạ lọc này được sử dụng với một khe hở chính xác và được hiệu chuẩn bằng quy chiếu về phương tiện đo bức xạ tuyệt đối để cho ra độ nhạy độ rọi đã biết (A. lm^-1.m²). Trong hầu hết các trường hợp, việc này bao hàm phép hiệu chuẩn so với một phương tiện đo bức xạ tuyệt đối để cho ra độ nhạy độ rọi năng lượng phổ tuyệt đối của nó (A.W.m2.nm^-1) tại các bước sóng rời rạc, kết hợp với các phép đo dựa vào các cảm biến chuẩn khác (ví dụ bẫy silicon hoặc PQED) để có thể nội suy tại các khoảng đều đặn qua phạm vi bước sóng nhìn thấy. Các giá trị phổ này được chuyển thành độ nhạy độ rọi (đối với một nguồn cụ thể) bằng tích phân. Phương tiện đo độ rọi đã được hiệu chuẩn này có thể được dùng để hiệu chuẩn đèn chuẩn theo cường độ sáng của nó ở một hướng xác định bằng phương pháp băng trắc quang, nó cho phép kiểm tra cẩn thận tất cả các đại lượng hình học :  khoảng cách r từ nguồn đến diện tích khe hở giới hạn của phương tiện đo độ rọi A, sự thẳng hàng của đèn và hướng đo. Phép hiệu chuẩn phổ nguồn sáng cũng có thể là cần thiết để hiệu chính sự không tương xứng giữa phương tiện đo độ rọi và hàm hiệu suất sáng phổ CIE yêu cầu.  

4.3 Thể hiện thực tế lumen (lm), đơn vị dẫn xuất SI của quang thông, F

Lumen (cd.sr) có thể dẫn xuất từ việc thể hiện đơn vị SI cường độ sáng candela (cd) và đơn vị góc khối steradian (sr). Đối với nguồn có cường độ sáng đều I_v, trong phạm vi một góc khối xác định W, ta có  : F_v = I_v.W . Trường hợp tổng quát hơn, cường độ của nguồn thay đổi theo hướng, quang thong F_v nhận được từ tích phân góc của phân bố cường độ sáng của nguồn I_v(q,j)  được đo trên mặt cầu theo mối liên hệ :

                             F_v = òò I_v(q,j)sinq dj dq

Trong đó q là góc cực, j là góc phương vị trong hệ toạ độ cầu. Tích phân được tiến hành đối với 0 £ q £ p và 0 £ q £ p 0 £ j £ 2p. Vì thế, lumen cũng có thể được thể hiện bằng phép đo với phương tiện đo độ rọi chuẩn, như mô tả trong phương pháp B ở mục 4.2. Một số cấu hình hình học có thể sử dụng :

(a)                 Quang thông phát ra từ một nguồn sáng qua khe hở đã biết diện tích A có thể được thiết lập bằng cách sử dụng sự xấp xỉ của góc khối đối với khoảng cách lớn, W = A/r², và đặt khe hở A tại khoảng cách đã biết r tính từ nguồn cường độ sáng đã biết.

(b)                 Quang thông phát ra trong một góc khối lớn hơn góc khối được dùng để thể hiện cường độ sáng đối với một đèn chuẩn đã biết có thể  được xác định bằng cách sử dụng một số phương pháp tích phân từng phần các phần nhỏ hơn. Trong mỗi phương pháp tích phân từng phần này, cảm biến được sử dụng phải là một phương tiện đo quang có độ nhạy phổ gần với hàm hiệu suất sáng phổ đòi hỏi, đã được hiệu chuẩn độ nhạy quang thông  bằng cách sử dụng cấu hình (a) ở trên hoặc một phương tiện đo độ rọi đã được hiệu chuẩn như mô tả ở phương pháp B (mục 4.2). Tích phân quang thông được thực hiện bằng :

·      Phương tiện đo quang góc (a goniophotometer) trên toàn bộ một góc khối xác định của nguồn. Nếu quang thông phát ra bởi một nguồn sáng , thì tích phân được thực hiện trên toàn bộ góc khối đầy 0 £ q £ p và 0 £ q £ p và 0 £ j £ 2p.

·      Quả cầu tích phân kết hợp với một cảm biến, trong đó độ nhạy phổ kết hợp quả cầu/cảm biến là xấp xỉ với hàm hiệu suất sáng phổ yêu cầu và đã được hiệu chuẩn, ví dụ, bằng việc tạo ra một lượng quang thông đã biết trong hình cầu (đo bằng phương pháp (a) nêu trên).

4.4 Thể hiện thực tế lux (lx), đơn vị dẫn xuất SI của độ rọi, E_v 

Đơn vị lux (lx – cd.sr.m^-2) được dẫn xuất từ việc thể hiện candela và đơn vị độ dài qua mối liên hệ :  E_v = I_v.W_o/r² , trong đó r là một khoảng cách được chọn thích hợp từ nguồn có cường độ sáng I_v mà tại đó độ chói E_v được tạo thành thoả mãn điều kiện để diện tích mặt cong của quả cầu, A_s, xấp xỉ bằng diện tích hình chiếu hai chiều, A, nghĩa là  A_s @ A (xem mục 4.3a).

Lũ cũng có thể thể hiện trực tiếp từ một phương tiện đo bức xạ tuyệt đối – an absolute radiometer đã được hiệu chuẩn độ nhạy độ rọi phổ hoặc từ một nguồn vật đen có thể tính toán – a calculable blackbody source.

4.5 Thể hiện thực tế lux candela trên mét vuông, cd.m^-2, đơn vị dẫn xuất SI của độ chói, L_v 

Đơn vị độ chói, cd.m^-2, theo một phương đã cho, có thể được thể hiện bằng cách sử dụng một nguồn bức xạ Lamberian khuyêch tán, bằng cách tính độ chói của chính nguồn sáng, như là một vật bức xạ vật đen, hoặc bằng cách đo độ chói theo một phương xác định từ mặt khuyêch tán đều được tạo thành từ quả cầu tích phân hoặc mặt phản xạ khuyêch tán trắng.   

* Sử dụng vật bức xạ đen – a blackbody radiator. Tính toán độ bức xạ phổ tuyệt đối của lỗ vật đen bằng định luật Plank và nhiệt độ nhiệt động lực đã biết của vật đen. Độ chói tương ứng của nguồn vật đen được tính trực tiếp từ cường độ bức xạ phổ của nó và hàm hiệu suất sáng phổ CIE thích hợp, như trình bày ở mục 1.

* Sử dụng quả cầu tích phân – an integrating sphere, độ chói tại lỗ đầu ra được xác định từ quang thông theo phương truyền, nghĩa là quang thông từng phần từ lỗ qua khe hở của quang kế đã được hiệu chuẩn như chỉ ra ở mục 4.2 hoặc từ độ rọi tại lỗ đầu vào của một quang kế chuẩn – a reference photometer  đã được hiệu chuẩn bằng cách sử dụng mối quan hệ đã cho ở mục 4.4. Quang thông từng phần/độ rọi tại quang kế đã được hiệu chuẩn phụ thuộc vào độ chói của khe hở quả cầu và hệ số hình học phụ thuộc vào khoảng cách r , và diện tích khe hở của lỗ quả cầu và khe hở đầu vào quang kế.

* Sử dụng cấu hình mặt phản xạ khuyêch tán – the diffuse reflecting surface configuration. Độ chói được tính từ độ rọi tạo thành tại chuẩn phản xạ bằng nguồn cường độ sáng (mục 4.4) và hệ số phản xạ sáng đối với chuẩn phản xạ khuyêch tán trắng.

5. Đánh giá độ không đảm bảo đo

Mỗi giá trị đo phải được thể hiện cùng với độ không đảm bảo đo kèm theo. Hướng dẫn chung về xử lý và trình bày ĐKĐB đo trong trắc quang được cho trong tài liệu : CIE 198 : 2011 Dêtrmination of Measurement Uncertainties in Photometry và JCGM 100 : 2008 Evaluation of measurement data – Guide to the expression of uncertainty in measurement.

Nguồn : SI Brochure – Appendix 2 – Mise en pratique for the definition of the candela and associated derived units