A radiância de uma fonte é aumentada aumentando a sua potência emitida, tornando a área emissora da fonte menor ou emitindo a radiação para um ângulo sólido menor. Em rigor, a radiância é definida em cada ponto da superfície emissora, em função da posição e do ângulo de observação. Muitas vezes, como no exemplo acima, usamos a radiância de uma fonte para significar a radiância média sobre uma abertura de tamanho finito e sobre algum ângulo sólido de interesse.
Radiance é uma quantidade conservada em um sistema óptico de modo que a radiância medida como watts por unidade de área por unidade de ângulo sólido incidente em um detector não excederá a radiância no emissor. Na prática, para qualquer feixe de raios que mapeie um emissor para um detector, a radiância vista no detector será diminuída pela luz que é absorvida pelo caminho ou espalhada para fora do ângulo sólido do feixe de raios que atinge o detector.
Deixe-nos considerar um exemplo. Suponha que se observa com o olho uma lâmpada de arco curto de 35W Xenon (Xe), e depois uma lâmpada fluorescente de tubo reto de 60W, ambas a uma distância semelhante de alguns metros. (Como informação de fundo, a lâmpada de arco voltaico de 35W emite significativamente menos energia visível do que o tubo fluorescente de 60W). Que fonte de luz é considerada mais brilhante, ou em termos radiométricos, tem maior radiância? A lâmpada de arco curto Xe é percebida como muito mais brilhante, embora a lâmpada de arco voltaico de 35W emita menos potência do que a lâmpada fluorescente de 60W. Isto é como resultado da área emissora muito menor (A) da lâmpada de arco curto em comparação com a área emissora muito grande da lâmpada fluorescente, enquanto o olho está recebendo a radiação mais ou menos no mesmo ângulo sólido (Ω) quando a distância entre o olho e a fonte é a mesma. A lente do olho forma uma imagem brilhante do arco Xe em uma área muito pequena da retina e o olho não se sente confortável. A lâmpada fluorescente de área maior formará uma imagem sobre uma área muito maior da retina, que o olho pode tolerar mais confortavelmente. A lâmpada de arco voltaico tem uma radiância muito maior do que a lâmpada fluorescente, apesar de emitir menos energia.
Por meio de mais um exemplo, imagine usar as lâmpadas Xe e fluorescentes para iluminar uma pequena área, como a extremidade de uma fibra óptica de diâmetro 200μm. Como resultado da maior radiação da fonte, a radiação da lâmpada de arco Xe de 35W pode ser coletada de forma muito mais eficiente e focalizada na fibra. Em contraste, a lâmpada fluorescente de baixa radiação de 60W será ineficaz no acoplamento de sua energia de radiação na fibra, não importa o tipo de óptica de foco utilizado.
Energetiq As fontes de luz a laser possuem radiância ultra-elevada de sua pequena área emissora (~ 100μm diâmetro). A radiação de uma fonte com tão alta radiância e pequena área emissora pode ser ainda mais eficientemente acoplada à fibra óptica com o diâmetro 200μm descrito acima. Isto também é verdade para outros sistemas ópticos com pequenas aberturas e um ângulo sólido de aceitação limitada – sistemas ópticos com ‘étendue’ pequeno – como as fendas estreitas de um monocromador. (Para mais discussões sobre étendue, veja Nota de Aplicação #002-2-14-2011, Etendue and Optical Throughput Calculations.)
Irradiância
Irradiância é o termo radiométrico para a potência por unidade de área de radiação eletromagnética incidente em uma superfície. A unidade SI para irradiância é watts por metro quadrado, ou miliwatts por milímetro quadrado. (Irradiância é às vezes chamada de intensidade, mas este uso leva a confusão com outro padrão, mas raramente usado, unidade de radiometria – Intensidade Radiante – que é medida em watts por esterradiano.)
Se uma fonte de radiação pontual emite radiação uniformemente em todas as direções e não há absorção, então a irradiância cai na proporção da distância ao quadrado da fonte, uma vez que a potência total é constante e está espalhada por uma área que aumenta com a distância ao quadrado da fonte de radiação. Para comparar a irradiância de diferentes fontes, deve-se levar em conta a distância da fonte. Uma distância de 50cm é frequentemente utilizada para tais medições.
Irradiância é uma medida útil para aplicações onde a energia deve ser fornecida a grandes áreas. Por exemplo, iluminar uma sala de aula ou um campo de futebol é principalmente uma questão de fornecer um certo número de watts por metro quadrado. Isto pode ser conseguido através da utilização de uma única fonte de alta potência. No entanto, como a irradiância não depende do ângulo sólido, várias fontes podem ser combinadas, iluminando as paredes ou o campo de diferentes ângulos.
A irradiância de uma fonte não é a medida mais útil ao projetar um sistema de acoplamento óptico eficiente que coleta a radiação de uma fonte, e então fornece a radiação para um instrumento óptico. Tais instrumentos ópticos terão uma abertura de entrada limitada e um ângulo sólido de aceitação limitada. Nesses casos, é a radiação da fonte (seu ‘brilho’) que é mais útil.
Fluxo Radiante
Fluxo Radiante é a energia radiante por unidade de tempo, também chamada energia radiante . O fluxo radiante é frequentemente utilizado para descrever a potência de radiação de uma fonte de radiação, ou a potência de radiação recebida por um instrumento óptico. Exemplos de fluxo radiante são: a potência de radiação que passa através de um orifício; a potência de radiação emergente da fibra óptica de um laser acoplado a uma fibra óptica; a potência de radiação recebida por um detector de potência.
As unidades de Fluxo Radiante não incluem área ou ângulo sólido e, portanto, não são úteis para determinar se uma determinada fonte de luz com um determinado fluxo radiante será útil para fornecer sua potência a um instrumento óptico. No nosso exemplo anterior, o tubo fluorescente de 60W emite um fluxo radiante (potência) maior do que a lâmpada de arco voltaico de 35W Xe. Mas, com uma óptica de focalização apropriada, a lâmpada de arco emitirá um fluxo radiante mais elevado para a fibra óptica de diâmetro 200μm. Uma fonte de luz a laser, como a EQ-99 da Energetiq, pode ter um menor fluxo radiante emitido do que a lâmpada de arco eléctrico de 35W, mas a sua maior radiância permite fornecer um fluxo radiante ainda maior à fibra óptica de 200μm de diâmetro do que a lâmpada de arco eléctrico de 35W.
Radiância Espectral, Irradiância Espectral e Fluxo Radiante Espectral
Os três termos discutidos acima são quantidades usadas para caracterizar a radiação dentro de uma determinada banda de comprimento de onda, (UV, VIS e/ou IR). Também é comum considerar esses valores para a unidade de comprimento de onda (por nm) no espectro. Para potência de radiação por unidade de comprimento de onda, o fluxo radiante espectral é usado com unidades SI de watts por metro , ou mais comumente miliwatts por nanômetro . Para radiação incidente em uma superfície, o termo irradiância espectral é usado, e tem a unidade SI de , ou mais comumente unidades de . Para potência de radiação dentro de uma unidade de ângulo sólido de uma unidade de área emissora e unidade de comprimento de onda, o termo é radiância espectral, mais comumente com unidades de .
Radiância espectral é uma medida chave ao selecionar uma fonte para uma aplicação. Em geral, a maioria das fontes de radiação exibe variações na radiância espectral em todo o seu espectro de emissão. Na Figura 3, a radiância espectral é mostrada para uma lâmpada de deutério de 30W (D2), uma lâmpada de arco Xe de 75W de alto brilho, e para duas versões da Fonte de luz a laser Energetiq, a EQ-99 e a EQ-1500.
Figure 3: Radiância espectral da EQ-99X LDLS, EQ-77 LDLS, EQ-400, LDLS, lâmpada de arco curto Xe de 75W,
Lâmpada de tungsténio e lâmpada D2.
Para nosso exemplo anterior de iluminação de uma fibra óptica 200μm, vamos supor que desejamos comparar as quatro fontes de luz da Figura 3 ao fornecer radiação de 200nm de comprimento de onda para a fibra. Como o parâmetro chave é a radiação espectral das fontes a 200nm, podemos ver na Figura 3 que a radiação espectral da lâmpada Xe é cerca de uma ordem de magnitude maior (“mais brilhante”) do que a lâmpada D2 e as fontes LDLS são uma ordem de magnitude maior do que a lâmpada Xe. Com a mesma óptica de foco usada para acoplar a luz de cada fonte na fibra 200μm, o fluxo radiante entregue na fibra variaria de forma similar pelas mesmas ordens de magnitude.
Conclusões
No projeto dos instrumentos ópticos, cientistas e engenheiros que escolhem fontes de luz serão expostos a uma variedade de especificações de fontes e termos radiométricos. É importante compreender a natureza das especificações e de as fundamentar em termos radiométricos que permitam tomar decisões de projecto adequadas. Em geral, para aplicações típicas de instrumentos ópticos, tais como espectroscopia e imagem, é a radiância e a radiância espectral da fonte de luz que mais precisa de ser compreendida. Para um instrumento com aberturas limitadas e ângulos sólidos, é a radiação da fonte que determina a quantidade de radiação que passa através do instrumento. Combinando cuidadosamente o instrumento com uma fonte de radiação apropriada, um sistema óptimo pode ser concebido.
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