Die Strahldichte einer Quelle wird erhöht, indem man ihre Sendeleistung erhöht, die Sendefläche der Quelle verkleinert oder die Strahlung in einen kleineren Raumwinkel aussendet. Streng genommen wird die Strahldichte an jedem Punkt der Strahlungsfläche als Funktion der Position und des Beobachtungswinkels definiert. Oft, wie im obigen Beispiel, verwenden wir die Strahldichte einer Quelle, um die Strahldichte zu meinen, die über eine endlich große Öffnung und über einen Raumwinkel von Interesse gemittelt wird.
Die Strahldichte ist eine konservierte Größe in einem optischen System, so dass die Strahldichte, gemessen als Watt pro Flächeneinheit pro Raumwinkel, die auf einen Detektor auftrifft, nicht größer ist als die Strahldichte am Strahler. In der Praxis wird für jedes Strahlenbündel, das einen Sender auf einen Detektor abbildet, die Strahldichte am Detektor durch das Licht vermindert, das auf dem Weg absorbiert oder aus dem Raumwinkel des Strahlenbündels, das den Detektor erreicht, gestreut wird.
Wir wollen ein Beispiel betrachten. Nehmen wir an, man beobachtet mit dem Auge eine 35-W-Xenon (Xe)-Kurzbogenlampe und dann eine 60-W-Leuchtstofflampe mit gerader Röhre, beide in einer ähnlichen Entfernung von ein paar Metern. (Als Hintergrundinformation sei angemerkt, dass die 35-W-Bogenlampe deutlich weniger sichtbare Leistung abgibt als die 60-W-Leuchtstoffröhre.) Welche Lichtquelle wird als heller empfunden oder hat radiometrisch gesehen eine höhere Strahldichte? Die Xe-Kurzbogenlampe wird als viel heller empfunden, obwohl die 35-W-Bogenlampe weniger Leistung abgibt als die 60-W-Leuchtstofflampe. Dies ist auf die viel kleinere Emissionsfläche (A) der Kurzbogenlampe im Vergleich zur sehr großen Emissionsfläche der Leuchtstofflampe zurückzuführen, während das Auge die Strahlung bei gleichem Abstand zwischen Auge und Quelle in einem mehr oder weniger großen Raumwinkel (Ω) empfängt. Die Linse des Auges bildet ein helles Bild des Xe-Bogens auf einer sehr kleinen Fläche der Netzhaut ab, und das Auge fühlt sich nicht wohl. Die großflächigere Leuchtstofflampe erzeugt ein Bild auf einer viel größeren Fläche der Netzhaut, die das Auge besser verträgt. Die Bogenlampe hat eine viel höhere Strahldichte als die Leuchtstofflampe, obwohl sie weniger Leistung abgibt.
Ein weiteres Beispiel: Stellen Sie sich vor, Sie verwenden die Xe- und die Leuchtstofflampe, um einen kleinen Bereich zu beleuchten, z. B. das Ende einer optischen Faser mit einem Durchmesser von 200 μm. Infolge der höheren Strahldichte der Quelle kann die Strahlung der 35-W-Xe-Bogenlampe viel effizienter gesammelt und in die Faser fokussiert werden. Im Gegensatz dazu kann die 60-W-Leuchtstofflampe mit ihrer geringen Strahldichte ihre Strahlungsenergie nicht in die Faser einkoppeln, unabhängig davon, welche Art von Fokussieroptik verwendet wird.
Energetiqs lasergetriebene Lichtquellen haben eine sehr hohe Strahldichte bei einer kleinen Emissionsfläche (~ 100μm Durchmesser). Die Strahlung einer solchen Quelle mit hoher Strahlungsleistung und kleiner Emissionsfläche kann noch effizienter in die oben beschriebene optische Faser mit 200 μm Durchmesser eingekoppelt werden. Dies gilt auch für andere optische Systeme mit kleinen Aperturen und einem begrenzten Raumwinkel – optische Systeme mit kleiner „étendue“ – wie die schmalen Schlitze eines Monochromators. (Weitere Informationen zu étendue finden Sie in Application Note #002-2-14-2011, Etendue and Optical Throughput Calculations.)
Bestrahlungsstärke
Bestrahlungsstärke ist der radiometrische Begriff für die Leistung pro Flächeneinheit der elektromagnetischen Strahlung, die auf eine Oberfläche trifft. Die SI-Einheit für die Bestrahlungsstärke ist Watt pro Quadratmeter oder Milliwatt pro Quadratmillimeter. (Die Bestrahlungsstärke wird manchmal auch als Intensität bezeichnet, aber diese Verwendung führt zu Verwechslungen mit einer anderen Standardeinheit der Radiometrie, die jedoch selten verwendet wird, der Strahlungsintensität, die in Watt pro Steradiant gemessen wird.)
Wenn eine punktförmige Strahlungsquelle die Strahlung gleichmäßig in alle Richtungen abgibt und es keine Absorption gibt, dann nimmt die Bestrahlungsstärke proportional zum Abstand im Quadrat von der Quelle ab, da die Gesamtleistung konstant ist und sich auf eine Fläche verteilt, die mit dem Abstand im Quadrat von der Strahlungsquelle zunimmt. Um die Bestrahlungsstärke verschiedener Quellen zu vergleichen, muss man den Abstand von der Quelle berücksichtigen. Für solche Messungen wird häufig ein Abstand von 50 cm verwendet.
Die Bestrahlungsstärke ist ein nützliches Maß für Anwendungen, bei denen eine große Fläche beleuchtet werden muss. Bei der Beleuchtung eines Klassenzimmers oder eines Fußballfeldes geht es beispielsweise in erster Linie darum, eine bestimmte Anzahl von Watt pro Quadratmeter zu liefern. Dies kann durch den Einsatz einer einzigen Hochleistungsquelle erreicht werden. Da die Bestrahlungsstärke jedoch nicht vom Raumwinkel abhängt, können mehrere Quellen kombiniert werden, um die Wände oder das Feld aus verschiedenen Winkeln zu beleuchten.
Die Bestrahlungsstärke einer Quelle ist nicht das nützlichste Maß bei der Entwicklung eines effizienten optischen Kopplungssystems, das die Strahlung von einer Quelle sammelt und dann in ein optisches Instrument leitet. Solche optischen Instrumente haben eine begrenzte Eintrittsöffnung und einen begrenzten Raumwinkel. In solchen Fällen ist die Strahldichte der Quelle (ihre „Helligkeit“) am nützlichsten.
Strahlungsfluss
Der Strahlungsfluss ist die Strahlungsenergie pro Zeiteinheit, auch Strahlungsleistung genannt. Der Strahlungsfluss wird häufig verwendet, um die von einer Strahlungsquelle abgegebene Strahlungsleistung oder die von einem optischen Instrument empfangene Strahlungsleistung zu beschreiben. Beispiele für den Strahlungsfluss sind: die Strahlungsleistung, die durch eine Lochblende hindurchgeht; die Strahlungsleistung, die aus der optischen Faser eines fasergekoppelten Lasers austritt; die Strahlungsleistung, die von einem Leistungsdetektor empfangen wird.
Die Einheiten des Strahlungsflusses umfassen nicht die Fläche oder den Raumwinkel und sind daher nicht hilfreich bei der Bestimmung, ob eine bestimmte Lichtquelle mit einem bestimmten Strahlungsfluss für die Abgabe ihrer Leistung an ein optisches Instrument nützlich ist. In unserem früheren Beispiel strahlt die 60-W-Leuchtstoffröhre einen größeren Strahlungsfluss (Leistung) aus als die 35-W-Xe-Bogenlampe. Mit einer geeigneten Fokussierungsoptik wird die Bogenlampe jedoch einen höheren Strahlungsfluss an die optische Faser mit einem Durchmesser von 200 μm abgeben. Eine lasergesteuerte Lichtquelle wie die EQ-99 von Energetiq hat zwar einen geringeren Strahlungsfluss als die 35-W-Bogenlampe, kann aber aufgrund ihrer höheren Strahldichte einen noch höheren Strahlungsfluss auf die Lichtleitfaser mit einem Durchmesser von 200 μm abgeben als die 35-W-Bogenlampe.
Spektrale Strahldichte, spektrale Bestrahlungsstärke und spektraler Strahlungsfluss
Die drei oben genannten Begriffe sind Größen, die zur Charakterisierung der Strahlung innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs (UV, VIS und/oder IR) verwendet werden. Es ist auch üblich, diese Werte für eine Wellenlängeneinheit (pro nm) im Spektrum zu betrachten. Für die Strahlungsleistung pro Wellenlängeneinheit wird der spektrale Strahlungsfluss mit den SI-Einheiten Watt pro Meter oder, häufiger, Milliwatt pro Nanometer verwendet. Für Strahlung, die auf eine Oberfläche auftrifft, wird der Begriff spektrale Bestrahlungsstärke verwendet, mit der SI-Einheit von , oder häufiger Einheiten von . Für die Strahlungsleistung in einem Einheitsraumwinkel von einer Einheitsstrahlungsfläche und einer Einheitswellenlänge wird der Begriff spektrale Strahldichte verwendet, meist mit den Einheiten von
Spektrale Strahldichte ist ein Schlüsselmaß bei der Auswahl einer Quelle für eine Anwendung. Im Allgemeinen weisen die meisten Strahlungsquellen Schwankungen der spektralen Strahldichte über ihr Emissionsspektrum auf. In Abbildung 3 ist die spektrale Strahldichte für eine 30-W-Deuteriumlampe (D2), eine 75-W-Xe-Bogenlampe mit hoher Helligkeit und für zwei Versionen der lasergesteuerten Lichtquelle von Energetiq, die EQ-99 und die EQ-1500, dargestellt.
Abbildung 3: Spektrale Strahldichte von EQ-99X LDLS, EQ-77 LDLS, EQ-400, LDLS, 75W Kurzbogen-Xe-Lampe,
Wolframlampe und D2-Lampe.
Für unser früheres Beispiel der Beleuchtung einer 200μm Glasfaser nehmen wir an, dass wir die vier Lichtquellen in Abbildung 3 bei der Abgabe von Strahlung mit einer Wellenlänge von 200 nm in die Faser vergleichen wollen. Da der Schlüsselparameter die spektrale Strahldichte der Quellen bei 200 nm ist, können wir aus Abbildung 3 ersehen, dass die spektrale Strahldichte der Xe-Lampe etwa eine Größenordnung höher („heller“) ist als die der D2-Lampe und die LDLS-Quellen eine weitere Größenordnung höher sind als die der Xe-Lampe. Mit der gleichen Fokussieroptik, die zur Einkopplung des Lichts von jeder Quelle in die 200-μm-Faser verwendet wird, würde der in die Faser gelieferte Strahlungsfluss in ähnlicher Weise um die gleichen Größenordnungen variieren.
Schlussfolgerungen
Bei der Entwicklung optischer Instrumente werden Wissenschaftler und Ingenieure, die Lichtquellen auswählen, mit einer Vielzahl von Quellenspezifikationen und radiometrischen Begriffen konfrontiert. Es ist wichtig, die Art der Spezifikationen zu verstehen und sie in radiometrische Begriffe zu fassen, die angemessene Designentscheidungen ermöglichen. Für typische Anwendungen optischer Instrumente, wie z. B. Spektroskopie und Bildgebung, ist es im Allgemeinen die Strahldichte und spektrale Strahldichte der Lichtquelle, die am besten verstanden werden muss. Bei einem Instrument mit begrenzten Aperturen und Raumwinkeln ist es die Strahldichte der Quelle, die bestimmt, wie viel Strahlung durch das Instrument gelangt. Durch sorgfältige Abstimmung des Instruments auf eine Quelle mit geeigneter Strahldichte kann ein optimales System entworfen werden.
< Zurück zur Liste der technischen Dokumente
PDF-Format anzeigen >