La radianza di una sorgente viene aumentata aumentando la sua potenza emessa, rendendo l’area emittente della sorgente più piccola o emettendo la radiazione in un angolo solido minore. In senso stretto, la radianza è definita in ogni punto della superficie emittente, in funzione della posizione, e in funzione dell’angolo di osservazione. Spesso, come nell’esempio precedente, usiamo la radianza di una sorgente per intendere la radianza media su un’apertura di dimensioni finite e su qualche angolo solido di interesse.
La radianza è una quantità conservata in un sistema ottico così che la radianza misurata come watt per unità di superficie per unità di angolo solido incidente su un rivelatore non supererà la radianza all’emettitore. In pratica, per qualsiasi fascio di raggi che mappano un emettitore verso un rivelatore, la radianza vista al rivelatore sarà diminuita dalla luce che viene assorbita lungo il percorso o diffusa fuori dall’angolo solido del fascio di raggi che raggiunge il rivelatore.
Consideriamo un esempio. Supponiamo di osservare con l’occhio una lampada ad arco corto allo Xenon (Xe) da 35W e poi una lampada fluorescente a tubo dritto da 60W, entrambe ad una distanza simile di alcuni metri. (Come informazione di base, la lampada ad arco da 35W emette molta meno potenza visibile del tubo fluorescente da 60W). Quale fonte di luce è percepita come più luminosa, o in termini radiometrici, ha una maggiore radianza? La lampada ad arco corto Xe è percepita come molto più luminosa, anche se la lampada ad arco da 35W emette meno potenza della lampada fluorescente da 60W. Questo è il risultato dell’area di emissione molto più piccola (A) della lampada ad arco corto rispetto all’area di emissione molto grande della lampada fluorescente, mentre l’occhio riceve la radiazione più o meno allo stesso angolo solido (Ω) quando la distanza tra l’occhio e la sorgente è la stessa. La lente dell’occhio forma un’immagine luminosa dell’arco Xe su un’area molto piccola della retina e l’occhio non si sente a suo agio. La lampada fluorescente di area più grande formerà un’immagine su un’area molto più grande della retina, che l’occhio può tollerare più comodamente. La lampada ad arco ha una radianza molto più alta della lampada fluorescente, anche se emette meno potenza.
A titolo di ulteriore esempio, immaginate di usare le lampade Xe e fluorescenti per illuminare una piccola area come la fine di una fibra ottica di 200μm di diametro. Come risultato della maggiore radianza della sorgente, la radiazione della lampada ad arco Xe da 35W può essere raccolta e focalizzata nella fibra in modo molto più efficiente. Al contrario, la lampada fluorescente da 60W a bassa radianza sarà inefficace nell’accoppiare la sua energia di radiazione nella fibra, indipendentemente dal tipo di ottica di focalizzazione utilizzata.
Le sorgenti luminose a guida laser di Energetiq hanno una radianza ultra-alta dalla loro piccola area di emissione (~ 100μm di diametro). La radiazione proveniente da una sorgente con un’area di emissione così alta e piccola può essere accoppiata in modo ancora più efficiente nella fibra ottica di 200μm di diametro descritta sopra. Questo è vero anche per altri sistemi ottici con piccole aperture e un limitato angolo solido accettante – sistemi ottici con piccola ‘étendue’ – come le strette fessure di un monocromatore. (Per un’ulteriore discussione sull’étendue, vedi la Nota Applicativa #002-2-14-2011, Etendue e calcoli di rendimento ottico.)
Irradianza
L’irradianza è il termine radiometrico per la potenza per unità di area della radiazione elettromagnetica incidente su una superficie. L’unità SI per l’irradianza è watt per metro quadrato, o milliwatt per millimetro quadrato (l’irradianza è talvolta chiamata intensità, ma questo uso porta a confusione con un’altra unità standard, ma poco usata, di radiometria – l’intensità radiante – che si misura in watt per steradiante.)
Se una sorgente di radiazione puntiforme emette radiazioni uniformemente in tutte le direzioni e non c’è assorbimento, allora l’irradianza diminuisce in proporzione alla distanza al quadrato dalla sorgente, poiché la potenza totale è costante ed è diffusa su un’area che aumenta con la distanza al quadrato dalla sorgente di radiazione. Per confrontare l’irraggiamento di diverse fonti, si deve tener conto della distanza dalla fonte. Una distanza di 50 cm è spesso usata per tali misure.
L’irraggiamento è una misura utile per le applicazioni in cui la potenza deve essere fornita a grandi aree. Per esempio, illuminare un’aula o un campo di calcio è principalmente una questione di fornire un certo numero di watt per metro quadrato. Questo può essere ottenuto utilizzando una singola fonte di alta potenza. Tuttavia, poiché l’irraggiamento non dipende dall’angolo solido, si possono combinare più sorgenti, illuminando le pareti o il campo da angoli diversi.
L’irraggiamento di una sorgente non è la misura più utile quando si progetta un efficiente sistema di accoppiamento ottico che raccoglie la radiazione da una sorgente, e poi consegna la radiazione in uno strumento ottico. Tali strumenti ottici avranno un’apertura d’ingresso limitata e un angolo solido di accettazione limitato. In questi casi è la radianza della sorgente (la sua ‘luminosità’) che è più utile.
Flusso radiante
Flusso radiante è l’energia radiante per unità di tempo, chiamata anche potenza radiante. Il flusso radiante è spesso usato per descrivere la potenza di radiazione emessa da una fonte di radiazione, o la potenza di radiazione ricevuta da uno strumento ottico. Esempi di flusso radiante sono: la potenza di radiazione che passa attraverso un foro stenopeico; la potenza di radiazione che emerge dalla fibra ottica di un laser accoppiato a fibra; la potenza di radiazione ricevuta da un rilevatore di potenza.
Le unità del flusso radiante non includono l’area o l’angolo solido, e quindi non sono utili per determinare se una particolare sorgente di luce con un particolare flusso radiante sarà utile per fornire la sua potenza a uno strumento ottico. Nel nostro esempio precedente, il tubo fluorescente da 60W emette un flusso radiante (potenza) maggiore della lampada ad arco Xe da 35W. Ma, con un’ottica di focalizzazione appropriata, la lampada ad arco fornirà un flusso radiante maggiore alla fibra ottica di 200μm di diametro. Una sorgente luminosa a guida laser, come la EQ-99 di Energetiq, può avere un flusso radiante inferiore emesso rispetto alla lampada ad arco da 35W, ma la sua maggiore radianza le permette di fornire un flusso radiante ancora più elevato alla fibra ottica di diametro 200μm rispetto alla lampada ad arco da 35W.
Radiazione spettrale, irradianza spettrale e flusso radiante spettrale
I tre termini discussi sopra sono quantità usate per caratterizzare la radiazione all’interno di una certa banda di lunghezza d’onda (UV, VIS e/o IR). È anche comune considerare questi valori per unità di lunghezza d’onda (per nm) nello spettro. Per la potenza della radiazione per unità di lunghezza d’onda, il flusso radiante spettrale è usato con unità SI di watt per metro, o più comunemente milliwatt per nanometro. Per la radiazione incidente su una superficie, si usa il termine irradianza spettrale, e ha l’unità SI di , o più comunemente unità di . Per la potenza di radiazione all’interno di un angolo solido unitario da un’area emittente unitaria e lunghezza d’onda unitaria, il termine è radianza spettrale, più comunemente con unità di .
La radianza spettrale è una misura chiave quando si seleziona una fonte per un’applicazione. In generale, la maggior parte delle fonti di radiazioni mostrano variazioni nella radianza spettrale attraverso il loro spettro di emissione. Nella Figura 3, la radianza spettrale è mostrata per una lampada al deuterio da 30W (D2), una lampada ad arco Xe ad alta luminosità da 75W, e per due versioni della sorgente luminosa a guida laser di Energetiq, la EQ-99 e la EQ-1500.
Figura 3: Radianza spettrale di EQ-99X LDLS, EQ-77 LDLS, EQ-400, LDLS, lampada Xe ad arco corto da 75W,
lampada al tungsteno e lampada D2.
Per il nostro precedente esempio di illuminazione di una fibra ottica da 200μm, supponiamo di voler confrontare le quattro sorgenti luminose della Figura 3 nel fornire radiazioni di lunghezza d’onda di 200nm nella fibra. Poiché il parametro chiave è la radianza spettrale delle fonti a 200nm, possiamo vedere dalla Figura 3 che la radianza spettrale della lampada Xe è circa un ordine di grandezza superiore (‘più luminoso’) rispetto alla lampada D2 e le fonti LDLS sono un ulteriore ordine di grandezza superiore alla lampada Xe. Con la stessa ottica di focalizzazione usata per accoppiare la luce di ogni fonte nella fibra da 200μm, il flusso radiante consegnato nella fibra varierebbe in modo simile degli stessi ordini di grandezza.
Conclusioni
Nella progettazione di strumenti ottici, gli scienziati e gli ingegneri che scelgono le fonti di luce saranno esposti a una varietà di specifiche di fonti e termini radiometrici. È importante capire la natura delle specifiche e coglierle in termini radiometrici che permetteranno decisioni di progettazione appropriate. In generale, per le applicazioni tipiche degli strumenti ottici, come la spettroscopia e l’imaging, sono la radianza e la radianza spettrale della sorgente luminosa che devono essere comprese. Per uno strumento con aperture limitanti e angoli solidi, è la radianza della sorgente che determina quanta radiazione passa attraverso lo strumento. Abbinando attentamente lo strumento con una sorgente di radianza appropriata, è possibile progettare un sistema ottimale.
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