De radiantie van een bron wordt verhoogd door het uitgestraalde vermogen te vergroten, door het stralingsoppervlak van de bron kleiner te maken of door de straling in een kleinere ruimtehoek uit te zenden. Strikt genomen wordt de radiantie gedefinieerd op elk punt van het uitzendend oppervlak, als functie van de positie, en als functie van de waarnemingshoek. Vaak, zoals in het voorbeeld hierboven, gebruiken wij radiantie van een bron om de radiantie te bedoelen, gemiddeld over een beperkte opening en over een willekeurige ruimtehoek.
Radiantie is een behouden grootheid in een optisch systeem, zodat de radiantie gemeten als watts per oppervlakte-eenheid per massieve hoekeenheid die op een detector valt, niet groter zal zijn dan de radiantie bij de emitter. In de praktijk zal voor elke bundel stralen die een emitter naar een detector leidt, de straling bij de detector worden verminderd door het licht dat onderweg wordt geabsorbeerd of dat wordt verstrooid buiten de ruimtehoek van de bundel stralen die de detector bereikt.
Laat ons een voorbeeld beschouwen. Stel dat men met het oog een 35W Xenon (Xe) kortebooglamp waarneemt, en vervolgens een 60W TL-lamp, beide op een gelijke afstand van een paar meter. (Als achtergrondinformatie: de 35W booglamp straalt beduidend minder zichtbaar vermogen uit dan de 60W fluorescentiebuis). Welke lichtbron wordt als helderder ervaren, of in radiometrische termen, heeft een hogere radiantie? De Xe kortebooglamp wordt als veel helderder ervaren, hoewel de 35W booglamp minder vermogen afgeeft dan de 60W fluorescentielamp. Dit is het gevolg van het veel kleinere stralingsoppervlak (A) van de kortebooglamp vergeleken met het zeer grote stralingsoppervlak van de fluorescentielamp, terwijl het oog de straling ontvangt onder min of meer dezelfde ruimtehoek (Ω) wanneer de afstand tussen het oog en de bron gelijk is. De lens van het oog vormt een helder beeld van de Xe-boog op een zeer klein gebied van het netvlies en het oog voelt zich niet op zijn gemak. De fluorescentielamp met een groter oppervlak zal een beeld vormen over een veel groter gebied op het netvlies, dat het oog comfortabeler kan verdragen. De booglamp heeft een veel hogere uitstraling dan de fluorescentielamp, ook al straalt hij minder vermogen uit.
Stelt u zich bij wijze van verder voorbeeld voor dat u de Xe- en de fluorescentielamp gebruikt om een klein gebied te verlichten, zoals het uiteinde van een optische vezel met een diameter van 200μm. Als gevolg van de hogere stralingsbron kan de straling van de 35 W Xe booglamp veel efficiënter worden opgevangen en in de vezel worden gericht. Daarentegen zal de 60W fluorescentielamp met lage stralingssterkte zijn stralingsenergie niet efficiënt in de vezel kunnen bundelen, ongeacht welk type focusoptiek wordt gebruikt.
Energetiq’s Laser-Driven Light Sources hebben een ultrahoge stralingssterkte van hun kleine emitterende gebied (~ 100μm diameter). Straling van een dergelijke hoge straling en klein emitterend gebied bron kan nog efficiënter worden gekoppeld in de 200μm diameter optische vezel hierboven beschreven. Dit geldt ook voor andere optische systemen met kleine openingen en een beperkte aanvaardende ruimtehoek – optische systemen met kleine “étendue” – zoals de smalle spleten van een monochromator. (Voor een verdere bespreking van étendue, zie Application Note #002-2-14-2011, Etendue and Optical Throughput Calculations.)
Irradiance
Irradiance is de radiometrieterm voor het vermogen per oppervlakte-eenheid van elektromagnetische straling die op een oppervlak valt. De SI-eenheid voor bestralingssterkte is watt per vierkante meter , of milliwatt per vierkante millimeter. (Bestralingssterkte wordt soms intensiteit genoemd, maar dit gebruik leidt tot verwarring met een andere standaard, maar niet vaak gebruikte, radiometrie-eenheid -Stralingssterkte – die wordt gemeten in watt per steradiaal.)
Als een puntstralingsbron gelijkmatig in alle richtingen straling uitzendt en er is geen absorptie, dan daalt de bestralingssterkte evenredig met het kwadraat van de afstand tot de bron, aangezien het totale vermogen constant is en het wordt verspreid over een gebied dat toeneemt met het kwadraat van de afstand tot de stralingsbron. Om de bestralingssterkte van verschillende bronnen te vergelijken, moet men rekening houden met de afstand tot de bron. Voor dergelijke metingen wordt vaak een afstand van 50 cm gebruikt.
Iradiantie is een nuttige maat voor toepassingen waarbij vermogen aan grote gebieden moet worden afgegeven. Zo is het verlichten van een klaslokaal of een voetbalveld in de eerste plaats een kwestie van het leveren van een bepaald aantal watts per vierkante meter. Dit kan worden bereikt door gebruik te maken van één bron met een hoog vermogen. Aangezien de bestralingssterkte echter niet afhangt van de massieve hoek, kunnen meerdere bronnen worden gecombineerd, waarbij de wanden of het veld vanuit verschillende hoeken worden verlicht.
De bestralingssterkte van een bron is niet de meest nuttige maatstaf bij het ontwerpen van een efficiënt optisch koppelsysteem dat straling van een bron opvangt en die straling vervolgens in een optisch instrument aflevert. Dergelijke optische instrumenten zullen een beperkte ingangsopening en een beperkte acceptatieholtehoek hebben. In dergelijke gevallen is de radiantie van de bron (zijn “helderheid”) het nuttigst.
Radiant Flux
Radiant flux is stralingsenergie per tijdseenheid, ook wel stralingsvermogen genoemd. Stralingsflux wordt vaak gebruikt om het stralingsvermogen van een stralingsbron te beschrijven, of het stralingsvermogen dat door een optisch instrument wordt ontvangen. Voorbeelden van stralingsflux zijn: het stralingsvermogen dat door een pinhole gaat; het stralingsvermogen dat uit de optische vezel van een vezelkoppelde laser komt; het stralingsvermogen dat door een vermogensdetector wordt ontvangen.
De eenheden van stralingsflux omvatten geen oppervlakte of ruimtehoek, en zijn daarom niet nuttig om te bepalen of een bepaalde lichtbron met een bepaalde stralingsflux nuttig zal zijn bij het leveren van zijn vermogen aan een optisch instrument. In ons eerdere voorbeeld straalt de 60W fluorescentiebuis een grotere stralingsflux (vermogen) uit dan de 35W Xe booglamp. Maar met een geschikte focusseeroptiek zal de booglamp een hogere stralingsflux leveren aan de optische vezel met een diameter van 200 μm. Een lasergestuurde lichtbron, zoals de EQ-99 van Energetiq, heeft weliswaar een lagere stralingsflux dan de 35 W booglamp, maar kan met zijn hogere stralingssterkte een nog hogere stralingsflux leveren aan de optische vezel met een diameter van 200 μm dan de 35 W booglamp.
Spectrale radiantie, spectrale bestralingssterkte en spectrale stralingsflux
De drie hierboven besproken termen zijn grootheden die worden gebruikt om straling binnen een bepaalde golflengteband, (UV, VIS en/of IR) te karakteriseren. Het is ook gebruikelijk om die waarden te beschouwen voor een golflengte-eenheid (per nm) in het spectrum. Voor stralingsvermogen per golflengte-eenheid wordt spectrale stralingsflux gebruikt met SI-eenheden van watt per meter , of meer gebruikelijk milliwatt per nanometer . Voor straling die op een oppervlak valt, wordt de term spectrale bestralingssterkte gebruikt, met SI-eenheden van , of meer gebruikelijk eenheden van . Voor stralingsvermogen binnen een eenheid van ruimtehoek vanaf een eenheid van emitterend gebied en eenheid van golflengte, is de term spectrale radiantie, meestal met eenheden van .
Spectrale radiantie is een belangrijke maatstaf bij de keuze van een bron voor een toepassing. In het algemeen vertonen de meeste stralingsbronnen variaties in spectrale radiantie over hun gehele emissiespectrum. In figuur 3 wordt de spectrale radiantie getoond voor een 30W deuterium lamp (D2), een 75W hoge helderheid Xe booglamp, en voor twee versies van Energetiq’s lasergestuurde lichtbron, de EQ-99 en de EQ-1500.
Figuur 3: Spectrale radiantie van EQ-99X LDLS, EQ-77 LDLS, EQ-400, LDLS, 75W korteboog Xe Lamp,
Tungsten Lamp en D2 lamp.
Voor ons eerdere voorbeeld van het verlichten van een 200μm optische vezel, laten we aannemen dat we de vier lichtbronnen in figuur 3 willen vergelijken bij het leveren van 200nm golflengte straling in de vezel. Aangezien de belangrijkste parameter de spectrale uitstraling van de bronnen bij 200 nm is, kunnen we in figuur 3 zien dat de spectrale uitstraling van de Xe-lamp ongeveer een orde van grootte hoger (“helderder”) is dan de D2-lamp en dat de LDLS-bronnen nog een orde van grootte hoger zijn dan de Xe-lamp. Met dezelfde focusseeroptiek die wordt gebruikt om het licht van elke bron in de 200μm vezel te paren, zou de stralingsflux die in de vezel wordt geleverd met dezelfde orden van grootte variëren.
Conclusies
Bij het ontwerpen van optische instrumenten zullen wetenschappers en ingenieurs die lichtbronnen kiezen, worden blootgesteld aan een verscheidenheid van bronspecificaties en radiometrische termen. Het is van belang de aard van de specificaties te begrijpen en deze in radiometrische termen te vatten, zodat passende ontwerpbeslissingen kunnen worden genomen. In het algemeen is het voor typische toepassingen van optische instrumenten, zoals spectroscopie en beeldvorming, de radiantie en spectrale radiantie van de lichtbron die het meest moeten worden begrepen. Voor een instrument met beperkende openingen en ruimtehoeken is het de uitstraling van de bron die bepaalt hoeveel straling door het instrument gaat. Door het instrument zorgvuldig af te stemmen op een bron met de juiste radiantie, kan een optimaal systeem worden ontworpen.
< Terug naar lijst van technische artikelen
Bekijk PDF formaat >