La radiance d’une source est augmentée en augmentant sa puissance émise, en rendant la surface émettrice de la source plus petite ou en émettant le rayonnement dans un angle solide plus petit. En toute rigueur, la radiance est définie en tout point de la surface émettrice, en fonction de la position, et en fonction de l’angle d’observation. Souvent, comme dans l’exemple ci-dessus, nous utilisons la radiance d’une source pour signifier la radiance moyenne sur une ouverture de taille finie et sur un certain angle solide d’intérêt.
La radiance est une quantité conservée dans un système optique de sorte que la radiance mesurée en watts par unité de surface par unité d’angle solide incidente sur un détecteur ne dépassera pas la radiance à l’émetteur. En pratique, pour tout faisceau de rayons reliant un émetteur à un détecteur, la radiance vue au détecteur sera diminuée par la lumière qui est absorbée en cours de route ou diffusée hors de l’angle solide du faisceau de rayons atteignant le détecteur.
Prenons un exemple. Supposons que l’on observe à l’œil une lampe à arc court au Xénon (Xe) de 35W, puis une lampe fluorescente à tube droit de 60W, toutes deux à une distance similaire de quelques mètres. (À titre d’information, la lampe à arc de 35W émet une puissance visible nettement inférieure à celle du tube fluorescent de 60W). Quelle source lumineuse est perçue comme étant plus brillante, ou en termes radiométriques, comme ayant une radiance plus élevée ? La lampe à arc court Xe est perçue comme étant beaucoup plus brillante, bien que la lampe à arc de 35W émette moins de puissance que le tube fluorescent de 60W. Cela est dû à la surface d’émission (A) beaucoup plus petite de la lampe à arc court par rapport à la très grande surface d’émission de la lampe fluorescente, alors que l’œil reçoit le rayonnement avec plus ou moins le même angle solide (Ω) lorsque la distance entre l’œil et la source est la même. Le cristallin de l’œil forme une image lumineuse de l’arc Xe sur une très petite zone de la rétine et l’œil ne se sent pas à l’aise. La lampe fluorescente de plus grande surface formera une image sur une zone beaucoup plus grande de la rétine, que l’œil peut tolérer plus confortablement. La lampe à arc a une radiance beaucoup plus élevée que la lampe fluorescente, même si elle émet moins de puissance.
A titre d’exemple supplémentaire, imaginez que vous utilisez les lampes Xe et fluorescentes pour éclairer une petite zone comme l’extrémité d’une fibre optique de 200μm de diamètre. En raison de la radiance plus élevée de la source, le rayonnement de la lampe à arc Xe de 35W peut être collecté et focalisé dans la fibre de manière beaucoup plus efficace. En revanche, la lampe fluorescente 60W à faible radiance sera inefficace pour coupler son énergie de rayonnement dans la fibre, quel que soit le type d’optique de focalisation utilisé.
Les sources lumineuses pilotées par laser d’Energetiq ont une radiance ultra élevée à partir de leur petite zone d’émission (~ 100μm de diamètre). Le rayonnement d’une telle source à radiance élevée et à petite zone d’émission peut être encore plus efficacement couplé dans la fibre optique de 200μm de diamètre décrite ci-dessus. Ceci est également vrai pour d’autres systèmes optiques avec de petites ouvertures et un angle solide d’acceptation limité – systèmes optiques avec une petite » étendue » – tels que les fentes étroites d’un monochromateur. (Pour une discussion plus approfondie de l’étendue, voir la note d’application n°002-2-14-2011, Calculs de l’étendue et du débit optique.)
Irradiance
L’irradiance est le terme de radiométrie pour la puissance par unité de surface du rayonnement électromagnétique incident sur une surface. L’unité SI de l’irradiance est le watt par mètre carré , ou milliwatts par millimètre carré . (L’irradiance est parfois appelée intensité, mais cet usage entraîne une confusion avec une autre unité radiométrique standard, mais peu utilisée -Intensité radiante- qui est mesurée en watts par stéradian.)
Si une source de rayonnement ponctuelle émet un rayonnement uniforme dans toutes les directions et qu’il n’y a pas d’absorption, alors l’irradiance diminue proportionnellement à la distance au carré de la source, puisque la puissance totale est constante et qu’elle est répartie sur une surface qui augmente avec la distance au carré de la source de rayonnement. Pour comparer l’éclairement énergétique de différentes sources, il faut tenir compte de la distance à la source. Une distance de 50 cm est souvent utilisée pour de telles mesures.
L’irradiance est une mesure utile pour les applications où la puissance doit être délivrée à de grandes surfaces. Par exemple, l’éclairage d’une salle de classe ou d’un terrain de football consiste principalement à délivrer un certain nombre de watts par mètre carré. Cet objectif peut être atteint en utilisant une seule source de puissance élevée. Cependant, comme l’irradiance ne dépend pas de l’angle solide, plusieurs sources peuvent être combinées, éclairant les murs ou le terrain sous différents angles.
L’irradiance d’une source n’est pas la mesure la plus utile lors de la conception d’un système de couplage optique efficace qui collecte le rayonnement d’une source, puis délivre le rayonnement dans un instrument optique. De tels instruments optiques auront une ouverture d’entrée limitée et un angle solide d’acceptation limité. Dans de tels cas, c’est la radiance de la source (sa « luminosité ») qui est la plus utile.
Flux rayonnant
Le flux rayonnant est l’énergie rayonnante par unité de temps, également appelée puissance rayonnante . Le flux radiant est souvent utilisé pour décrire la puissance de rayonnement émise par une source de rayonnement, ou la puissance de rayonnement reçue par un instrument optique. Des exemples de flux radiant sont : la puissance de rayonnement passant à travers un trou d’épingle ; la puissance de rayonnement sortant de la fibre optique d’un laser couplé à une fibre ; la puissance de rayonnement reçue par un détecteur de puissance.
Les unités de flux radiant ne comprennent pas la surface ou l’angle solide, et ne sont donc pas utiles pour déterminer si une source de lumière particulière avec un flux radiant particulier sera utile pour délivrer sa puissance à un instrument optique. Dans notre exemple précédent, le tube fluorescent de 60W émet un flux radiant (puissance) plus important que la lampe à arc Xe de 35W. Mais, avec une optique de focalisation appropriée, la lampe à arc fournira un flux radiant plus élevé à la fibre optique de 200μm de diamètre. Une source lumineuse pilotée par laser, telle que l’EQ-99 d’Energetiq, peut avoir un flux radiant émis plus faible que la lampe à arc de 35W, mais sa radiance plus élevée lui permet de délivrer un flux radiant encore plus élevé à la fibre optique de 200μm de diamètre que la lampe à arc de 35W.
Radiance spectrale, irradiance spectrale et flux radiant spectral
Les trois termes discutés ci-dessus sont des quantités utilisées pour caractériser le rayonnement dans une certaine bande de longueur d’onde, (UV, VIS et/ou IR). Il est également courant de considérer ces valeurs par unité de longueur d’onde (par nm) dans le spectre. Pour la puissance de rayonnement par unité de longueur d’onde, le flux radiant spectral est utilisé avec les unités SI de watts par mètre, ou plus communément de milliwatts par nanomètre. Pour le rayonnement incident sur une surface, on utilise le terme d’irradiance spectrale, qui a l’unité SI de , ou plus communément les unités de . Pour la puissance de rayonnement dans un angle solide unitaire à partir d’une zone d’émission unitaire et d’une longueur d’onde unitaire, on parle de radiance spectrale, le plus souvent avec les unités de .
La radiance spectrale est une mesure clé lors de la sélection d’une source pour une application. En général, la plupart des sources de rayonnement présentent des variations de radiance spectrale à travers leur spectre d’émission. Dans la figure 3, la radiance spectrale est présentée pour une lampe au deutérium (D2) de 30W, une lampe à arc Xe de 75W à haute luminosité, et pour deux versions de la source de lumière pilotée par laser d’Energetiq, l’EQ-99 et l’EQ-1500.
Figure 3 : Radiance spectrale de l’EQ-99X LDLS, de l’EQ-77 LDLS, de l’EQ-400, de la LDLS, de la lampe Xe à arc court de 75W,
de la lampe au tungstène et de la lampe D2.
Pour notre exemple précédent d’éclairage d’une fibre optique de 200μm, supposons que nous souhaitons comparer les quatre sources lumineuses de la figure 3 à la délivrance d’un rayonnement de longueur d’onde de 200nm dans la fibre. Puisque le paramètre clé est la radiance spectrale des sources à 200nm, nous pouvons voir sur la figure 3 que la radiance spectrale de la lampe Xe est environ un ordre de grandeur plus élevé ( » plus brillant « ) que la lampe D2 et que les sources LDLS sont un autre ordre de grandeur plus élevé que la lampe Xe. Avec la même optique de focalisation utilisée pour coupler la lumière de chaque source dans la fibre de 200μm, le flux radiant délivré dans la fibre varierait de la même façon par les mêmes ordres de grandeur.
Conclusions
Dans la conception d’instruments optiques, les scientifiques et les ingénieurs qui choisissent les sources de lumière seront exposés à une variété de spécifications de sources et de termes radiométriques. Il est important de comprendre la nature des spécifications et de les coudre en termes radiométriques qui permettront des décisions de conception appropriées. En général, pour les applications typiques d’instruments optiques, comme la spectroscopie et l’imagerie, c’est la radiance et la radiance spectrale de la source lumineuse qu’il faut le plus comprendre. Pour un instrument dont les ouvertures et les angles solides sont limités, c’est la radiance de la source qui détermine la quantité de rayonnement qui traverse l’instrument. En faisant correspondre soigneusement l’instrument à une source de radiance appropriée, un système optimal peut être conçu.
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