Lähteen säteilyvoimakkuutta kasvatetaan kasvattamalla sen säteilytehoa, pienentämällä lähteen säteilevää pinta-alaa tai lähettämällä säteilyä pienempään avaruuskulmaan. Tarkkaan ottaen säteilyteho määritellään jokaisessa säteilevän pinnan pisteessä, sijainnin funktiona ja havaintokulman funktiona. Usein, kuten edellä olevassa esimerkissä, käytämme lähteen säteilysäteilyä tarkoittaaksemme säteilysäteilyä, joka on keskiarvoistettu äärellisen kokoisen aukon ja jonkin kiinnostavan avaruuskulman yli.
Säteily on optisessa järjestelmässä säilynyt suure, joten säteilyteho mitattuna watteina pinta-alayksikköä ja avaruuskulmaa kohti, joka osuu ilmaisimeen, ei ylitä säteilytehoa lähteen kohdalla. Käytännössä missä tahansa sädekimpussa, joka kuvaa lähettäjältä ilmaisimelle, ilmaisimella havaittavaa säteilysäteilyä pienentää valo, joka absorboituu matkan varrella tai hajoaa ilmaisimelle saapuvan sädekimpan avaruuskulman ulkopuolelle.
Harkitaanpa esimerkkiä. Oletetaan, että havainnoidaan silmällä 35 W:n ksenon (Xe) lyhytkaarilamppua ja sitten 60 W:n suoraputkista loisteputkilamppua, jotka molemmat ovat samanlaisella muutaman metrin etäisyydellä. (Taustatietona mainittakoon, että 35 W:n kaarilamppu säteilee huomattavasti vähemmän näkyvää tehoa kuin 60 W:n loisteputki). Kumpi valonlähde koetaan kirkkaammaksi, tai radiometrisesti ilmaistuna sen säteilyteho on suurempi? Xe-lyhytkaarilamppu koetaan paljon kirkkaammaksi, vaikka 35W:n kaarilamppu säteilee vähemmän tehoa kuin 60W:n loistelamppu. Tämä johtuu lyhytaaltokaarilampun paljon pienemmästä säteilevästä pinta-alasta (A) verrattuna loistelampun hyvin suureen säteilevään pinta-alaan, kun taas silmä vastaanottaa säteilyä suunnilleen samassa avaruuskulmassa (Ω), kun silmän ja valonlähteen välinen etäisyys on sama. Silmän linssi muodostaa Xe-kaaresta kirkkaan kuvan hyvin pienelle verkkokalvon alueelle, eikä silmä tunne oloaan mukavaksi. Suuremman pinta-alan loistelamppu muodostaa kuvan paljon suuremmalle alueelle verkkokalvolla, minkä silmä sietää mukavammin. Kaarilampun säteilyvoimakkuus on paljon suurempi kuin loistelampun, vaikka se säteilee vähemmän tehoa.
Aikaisempana esimerkkinä kuvitellaan, että käytetään Xe- ja loistelamppuja pienen alueen, kuten halkaisijaltaan 200μm:n optisen kuidun pään, valaisemiseen. Suuremman säteilytehon ansiosta 35 W:n Xe-kaarilampun säteily voidaan kerätä ja keskittää kuituun paljon tehokkaammin. Sitä vastoin matalan säteilytehon omaava 60 W:n loisteputkilamppu ei pysty kytkemään säteilyenergiaansa kuituun tehokkaasti riippumatta siitä, minkälaista fokusointioptiikkaa käytetään.
Energetiqin laserohjatuilla valonlähteillä on erittäin suuri säteilyteho niiden pienestä säteilevästä alueesta (~ 100μm halkaisija). Tällaisen suuren säteilytehon ja pienen säteilevän alueen lähteen säteily voidaan kytkeä vielä tehokkaammin edellä kuvattuun halkaisijaltaan 200 μm:n optiseen kuituun. Tämä pätee myös muihin optisiin järjestelmiin, joissa on pienet aukot ja rajoitettu hyväksymiskulma – optiset järjestelmät, joissa on pieni ”étendue” – kuten monokromaattorin kapeat raot. (Lisätietoja étendue-periaatteesta on Application Note #002-2-14-2011, Etendue and Optical Throughput Calculations.)
Irradianssi
Irradianssi on radiometrinen termi, joka kuvaa pintaan kohdistuvan sähkömagneettisen säteilyn tehoa pinta-alayksikköä kohti. Säteilytehon SI-yksikkö on wattia neliömetriä kohti tai milliwattia neliömillimetriä kohti. (Säteilytehoa kutsutaan joskus intensiteetiksi, mutta tämä käyttö johtaa sekaannukseen toisen vakiomuotoisen, mutta harvoin käytetyn radiometrian yksikön – säteilyn intensiteetin – kanssa, joka mitataan watteina steradiaania kohti.)
Jos pistemäinen säteilylähde säteilee säteilyä tasaisesti kaikkiin suuntiin, eikä säteilyä absorboidu, niin irradianssi laskee suhteessa etäisyyden neliöön lähteestä, koska kokonaisteho on vakio ja se jakautuu alueelle, joka kasvaa etäisyyden neliössä säteilylähteestä. Eri säteilylähteiden irradianssin vertailemiseksi on otettava huomioon etäisyys lähteestä. Tällaisissa mittauksissa käytetään usein 50 cm:n etäisyyttä.
Irrradianssi on hyödyllinen mittari sovelluksissa, joissa tehoa on toimitettava suurille alueille. Esimerkiksi luokkahuoneen tai jalkapallokentän valaisemisessa on ensisijaisesti kyse tietyn wattimäärän tuottamisesta neliömetriä kohti. Tämä voidaan saavuttaa käyttämällä yhtä suurta teholähdettä. Koska irradianssi ei kuitenkaan riipu avaruuskulmasta, useita lähteitä voidaan yhdistää ja valaista seinät tai kenttä eri kulmista.
Lähteen irradianssi ei ole hyödyllisin mitta, kun suunnitellaan tehokasta optista kytkentäjärjestelmää, joka kerää säteilyä lähteestä ja sitten toimittaa säteilyä optiseen instrumenttiin. Tällaisilla optisilla instrumenteilla on rajallinen sisäänmenoaukko ja rajallinen hyväksymiskulma. Tällaisissa tapauksissa lähteen säteilyteho (sen ”kirkkaus”) on hyödyllisin.
Säteilyvirta
Säteilyvirta on säteilyenergiaa aikayksikköä kohti, jota kutsutaan myös säteilytehoksi . Säteilyvirtaa käytetään usein kuvaamaan säteilylähteen tuottamaa säteilytehoa tai optisen instrumentin vastaanottamaa säteilytehoa. Esimerkkejä säteilyvirrasta ovat: neulanreiän läpi kulkeva säteilyteho; kuitukytkentäisen laserin optisesta kuidusta lähtevä säteilyteho; tehoilmaisimen vastaanottama säteilyteho.
Säteilyvirran yksiköissä ei ole mukana pinta-alaa tai avaruuskulmaa, eivätkä ne siksi ole avuksi määriteltäessä, onko tietystä valonlähteestä, jolla on tietynlainen säteilyvirta, hyötyä tehon luovuttamisessa optiselle instrumentille. Aiemmassa esimerkissämme 60 W:n loisteputki lähettää suuremman säteilyvirran (tehon) kuin 35 W:n Xe-kaarilamppu. Sopivan fokusointioptiikan avulla kaarilamppu tuottaa kuitenkin suuremman säteilyvirran halkaisijaltaan 200 μm:n optiseen kuituun. Laserohjatun valonlähteen, kuten Energetiqin EQ-99:n, säteilyvirta voi olla pienempi kuin 35 W:n kaarilampun, mutta sen suuremman säteilytehon ansiosta se voi tuottaa vielä suuremman säteilyvirran halkaisijaltaan 200 μm:n optiseen kuituun kuin 35 W:n kaarilamppu.
Spektrinen säteilyteho, spektrinen säteilysäteilyteho ja spektrinen säteilyvirta
Edellä käsitellyt kolme termiä ovat suureita, joita käytetään kuvaamaan säteilyä tietyllä aallonpituuskaistalla (UV, VIS ja/tai IR). On myös yleistä tarkastella näitä arvoja spektrin aallonpituuden yksikköä (nm:ää kohti) kohti. Aallonpituusyksikköä kohti lasketusta säteilytehosta käytetään spektristä säteilyvirtaa SI-yksikköinä wattia metriä kohti tai yleisemmin milliwattia nanometriä kohti. Pinnalle osuvasta säteilystä käytetään termiä spektraalinen irradianssi, jonka SI-yksikkö on , tai yleisemmin yksikköjä . Kun säteilyteho on yksikkökohtaisessa avaruuskulmassa yksikkökohtaisesta säteilevästä alueesta ja yksikkökohtaisesta aallonpituudesta, käytetään termiä spektraalinen säteilyteho, jonka yksikköjä ovat tavallisimmin .
Spektraalinen säteilyteho (spectral radiance) on keskeinen mittari valittaessa säteilylähdettä sovellusta varten. Yleisesti ottaen useimpien säteilylähteiden spektrinen säteilyteho vaihtelee niiden koko emissiospektrissä. Kuvassa 3 on esitetty spektrinen säteilyteho 30 W:n deuteriumlampulle (D2), 75 W:n suuritehoiselle Xe-kaarilampulle ja Energetiqin laserohjatun valonlähteen kahdelle versiolle, EQ-99:lle ja EQ-1500:lle.
Kuva 3: EQ-99X LDLS:n, EQ-77 LDLS:n, EQ-400:n, EQ-400:n, LDLS:n, 75W:n lyhytkaarisen Xe-lampun,
Volframilampun ja D2-lampun spektrinen säteilyteho.
Aiemmassa esimerkissämme 200μm:n optisen kuidun valaisemisesta oletetaan, että haluamme verrata kuvan 3 neljää valonlähdettä niiden tuottaessa 200 nm:n aallonpituuden säteilyä kuituun. Koska keskeinen parametri on lähteiden spektrinen säteilyteho 200 nm:n kohdalla, voimme nähdä kuvasta 3, että Xe-lampun spektrinen säteilyteho on noin kertaluokkaa korkeampi (”kirkkaampi”) kuin D2-lampun, ja LDLS-lähteiden spektrinen säteilyteho on vielä kertaluokkaa korkeampi kuin Xe-lampun. Kun käytetään samaa fokusointioptiikkaa, jota käytetään kunkin lähteen valon kytkemiseen 200μm:n kuituun, kuituun syötetty säteilyvirta vaihtelisi vastaavasti samoilla suuruusluokilla.
Johtopäätökset
Optisten instrumenttien suunnittelussa tiedemiehet ja insinöörit, jotka valitsevat valonlähteitä, altistuvat monille erilaisille lähteiden spesifikaatioille ja radiometrisille termeille. On tärkeää ymmärtää spesifikaatioiden luonne ja suomentaa ne radiometrisin termein, jotka mahdollistavat asianmukaiset suunnittelupäätökset. Yleisesti ottaen tyypillisissä optisten instrumenttien sovelluksissa, kuten spektroskopiassa ja kuvantamisessa, valonlähteen säteilyteho ja spektrinen säteilyteho on ymmärrettävä parhaiten. Laitteessa, jossa on rajoittavat aukot ja avaruuskulmat, juuri valonlähteen radianssi määrittää, kuinka paljon säteilyä kulkee laitteen läpi. Kun instrumentti sovitetaan huolellisesti yhteen sopivan säteilyn voimakkuuden omaavan lähteen kanssa, voidaan suunnitella optimaalinen järjestelmä.
< Takaisin teknisten julkaisujen luetteloon
Katsele PDF-muodossa >