Promienistość źródła zwiększa się przez zwiększenie jego mocy emitowanej, przez zmniejszenie powierzchni emitującej źródła lub przez emitowanie promieniowania w mniejszym kącie bryłowym. Ściśle mówiąc, luminancję definiuje się w każdym punkcie powierzchni emitującej, jako funkcję położenia i jako funkcję kąta obserwacji. Często, tak jak w powyższym przykładzie, używamy terminu „luminancja źródła” w znaczeniu luminancji uśrednionej dla skończonej wielkości apertury i dla pewnego kąta bryłowego.
Radiancja jest wielkością konserwowaną w układzie optycznym, tak więc radiancja mierzona jako wat na jednostkę powierzchni na jednostkę kąta bryłowego padającego na detektor nie przekroczy radiancji w emiterze. W praktyce, dla każdej wiązki promieni mapujących emiter do detektora, blask widziany w detektorze będzie pomniejszony przez światło, które jest pochłaniane po drodze lub rozpraszane poza kątem bryłowym wiązki promieni docierających do detektora.
Zastanówmy się nad przykładem. Załóżmy, że obserwujemy wzrokiem lampę ksenonową (Xe) o mocy 35W, a następnie świetlówkę prostą o mocy 60W, obie w podobnej odległości kilku metrów. (Jako informacja dodatkowa, lampa łukowa o mocy 35W emituje znacznie mniejszą moc widzialną niż świetlówka o mocy 60W). Które źródło światła jest postrzegane jako jaśniejsze, lub w sensie radiometrycznym, ma większą radiancję? Lampa krótkołukowa Xe jest postrzegana jako znacznie jaśniejsza, chociaż lampa łukowa o mocy 35W emituje mniejszą moc niż świetlówka 60W. Wynika to ze znacznie mniejszej powierzchni emitującej (A) lampy łukowej krótkiej w porównaniu do bardzo dużej powierzchni emitującej świetlówki, przy czym oko odbiera promieniowanie mniej więcej pod tym samym kątem bryłowym (Ω), gdy odległość oka od źródła jest taka sama. Soczewka oka tworzy jasny obraz łuku Xe na bardzo małej powierzchni siatkówki i oko nie czuje się komfortowo. Lampa fluorescencyjna o większej powierzchni tworzy obraz na znacznie większym obszarze siatkówki, który oko może tolerować bardziej komfortowo. Lampa łukowa ma znacznie wyższą radiancję niż lampa fluorescencyjna, mimo że emituje mniejszą moc.
W drodze dalszego przykładu wyobraźmy sobie użycie lamp Xe i fluorescencyjnych do oświetlenia małego obszaru, takiego jak koniec światłowodu o średnicy 200μm. W wyniku wyższej radiancji źródła promieniowanie z lampy łukowej Xe o mocy 35W może być znacznie wydajniej zbierane i skupiane w światłowodzie. Dla kontrastu, lampa fluorescencyjna 60W o niskim promieniowaniu będzie nieskuteczna w sprzęganiu energii promieniowania do światłowodu, bez względu na rodzaj zastosowanego układu optycznego skupiającego.
Źródła światła napędzane laserem firmy Energetiq charakteryzują się bardzo wysokim promieniowaniem przy niewielkim obszarze emisji (~ 100μm średnicy). Promieniowanie ze źródła o tak wysokim promieniowaniu i małej powierzchni emitującej może być jeszcze bardziej efektywnie sprzężone z opisanym powyżej światłowodem o średnicy 200 μm. Dotyczy to również innych układów optycznych z małymi aperturami i ograniczonym akceptowalnym kątem bryłowym – układów optycznych z małym „étendue” – takich jak wąskie szczeliny monochromatora. (Dalsza dyskusja na temat étendue, patrz Application Note #002-2-14-2011, Etendue and Optical Throughput Calculations.)
Irradiancja
Irradiancja jest terminem radiometrycznym określającym moc na jednostkę powierzchni promieniowania elektromagnetycznego padającego na powierzchnię. Jednostką SI dla natężenia napromienienia jest wat na metr kwadratowy lub miliwat na milimetr kwadratowy. (Natężenie napromienienia jest czasami nazywane intensywnością, ale takie użycie prowadzi do pomyłki z inną standardową, ale rzadko używaną jednostką radiometryczną – natężeniem promieniowania – które jest mierzone w watach na steradian.)
Jeśli punktowe źródło promieniowania emituje promieniowanie równomiernie we wszystkich kierunkach i nie ma absorpcji, to natężenie promieniowania spada proporcjonalnie do kwadratu odległości od źródła, ponieważ całkowita moc jest stała i jest rozłożona na obszarze, który rośnie wraz z kwadratem odległości od źródła promieniowania. Aby porównać natężenie napromieniowania różnych źródeł, należy wziąć pod uwagę odległość od źródła. Odległość 50cm jest często używana do takich pomiarów.
Irradiancja jest użyteczną miarą dla zastosowań, w których moc musi być dostarczona do dużych obszarów. Na przykład, oświetlanie klasy lub boiska piłkarskiego jest przede wszystkim kwestia dostarczenia pewnej liczby watów na metr kwadratowy. Można to osiągnąć stosując jedno źródło o dużej mocy. Jednakże, ponieważ natężenie promieniowania nie zależy od kąta bryłowego, można połączyć wiele źródeł, oświetlając ściany lub boisko pod różnymi kątami.
Obciążenie źródła promieniowaniem nie jest najbardziej użyteczną miarą przy projektowaniu wydajnego systemu sprzężenia optycznego, który zbiera promieniowanie ze źródła, a następnie dostarcza promieniowanie do przyrządu optycznego. Takie instrumenty optyczne będą miały ograniczoną aperturę wejściową i ograniczony kąt bryłowy akceptacji. W takich przypadkach najbardziej przydatna jest radiancja źródła (jego „jasność”).
Strumień promieniowania
Strumień promieniowania to energia promieniowania na jednostkę czasu, zwana również mocą promieniowania . Strumień promieniowania jest często używany do opisu mocy promieniowania emitowanego przez źródło promieniowania lub mocy promieniowania odbieranego przez przyrząd optyczny. Przykłady strumienia promieniowania to: moc promieniowania przechodząca przez otwór; moc promieniowania wychodząca z włókna optycznego lasera sprzężonego ze światłowodem; moc promieniowania odbierana przez detektor mocy.
Jednostki strumienia promieniowania nie obejmują powierzchni ani kąta bryłowego, a zatem nie są pomocne w określaniu, czy dane źródło światła o danym strumieniu promieniowania będzie użyteczne w dostarczaniu swojej mocy do przyrządu optycznego. W naszym wcześniejszym przykładzie, świetlówka 60W emituje większy strumień promieniowania (moc) niż 35W lampa łukowa Xe. Ale, z odpowiednim skupiającym układem optycznym, lampa łukowa dostarczy większy strumień promieniowania do światłowodu o średnicy 200μm. Źródło światła o napędzie laserowym, takie jak EQ-99 firmy Energetiq, może emitować niższy strumień promieniowania niż lampa łukowa o mocy 35 W, ale jego wyższe natężenie promieniowania umożliwia dostarczenie jeszcze wyższego strumienia promieniowania do światłowodu o średnicy 200 μm niż lampa łukowa o mocy 35 W.
Radiancja spektralna, Irradiancja spektralna i spektralny strumień promieniowania
Trzy terminy omówione powyżej są wielkościami używanymi do scharakteryzowania promieniowania w pewnym paśmie długości fali, (UV, VIS i/lub IR). Powszechne jest również rozpatrywanie tych wartości dla jednostki długości fali (na nm) w widmie. W przypadku mocy promieniowania na jednostkę długości fali, spektralny strumień promieniowania jest używany w jednostkach SI jako wat na metr lub częściej jako miliwat na nanometr. Dla promieniowania padającego na powierzchnię używa się terminu spektralna irradiancja, który w układzie SI ma jednostkę , lub częściej jednostki . Dla mocy promieniowania w jednostkowym kącie bryłowym z jednostkowego obszaru emitującego i jednostkowej długości fali, terminem jest radiancja spektralna, najczęściej z jednostkami .
Spektralna radiancja jest kluczową miarą przy wyborze źródła do danego zastosowania. Ogólnie rzecz biorąc, większość źródeł promieniowania wykazuje różnice w radiancji widmowej w całym spektrum ich emisji. Na rysunku 3 przedstawiono luminancję widmową lampy deuterowej (D2) o mocy 30 W, lampy łukowej Xe o wysokiej jasności o mocy 75 W oraz dwóch wersji źródła światła napędzanego laserem firmy Energetiq, EQ-99 i EQ-1500.
Rysunek 3: Promieniowanie widmowe źródeł światła EQ-99X LDLS, EQ-77 LDLS, EQ-400, LDLS, lampy Xe o mocy 75 W o krótkim łuku elektrycznym,
lampy wolframowej i lampy D2.
Dla naszego wcześniejszego przykładu oświetlania światłowodu o długości fali 200μm, załóżmy, że chcemy porównać cztery źródła światła z rysunku 3 w dostarczaniu promieniowania o długości fali 200nm do światłowodu. Ponieważ kluczowym parametrem jest widmowa luminancja źródeł przy 200nm, z rysunku 3 widzimy, że widmowa luminancja lampy Xe jest o rząd wielkości wyższa („jaśniejsza”) od lampy D2, a źródła LDLS są o kolejny rząd wielkości wyższe od lampy Xe. Przy takim samym ogniskującym układzie optycznym użytym do sprzężenia światła z każdego źródła do światłowodu 200μm, strumień promieniowania dostarczony do światłowodu różniłby się podobnie o te same rzędy wielkości.
Wnioski
W trakcie projektowania przyrządów optycznych, naukowcy i inżynierowie wybierający źródła światła będą narażeni na różne specyfikacje źródeł i terminy radiometryczne. Ważne jest, aby zrozumieć naturę tych specyfikacji i ująć je w terminach radiometrycznych, które umożliwią podjęcie właściwych decyzji projektowych. Ogólnie rzecz biorąc, dla typowych zastosowań w instrumentach optycznych, takich jak spektroskopia i obrazowanie, najbardziej wymagająca zrozumienia jest radiancja i radiancja spektralna źródła światła. W przypadku przyrządów z ograniczeniem apertury i kątów bryłowych, to właśnie radiancja źródła światła decyduje o tym, ile promieniowania przechodzi przez przyrząd. Poprzez staranne dopasowanie instrumentu do źródła o odpowiedniej radiancji, można zaprojektować optymalny system.
< Wróć do listy artykułów technicznych
Zobacz format PDF >