Radianța unei surse este mărită prin creșterea puterii emise de aceasta, prin micșorarea suprafeței de emisie a sursei sau prin emiterea radiației într-un unghi solid mai mic. Strict vorbind, radianța este definită în fiecare punct de pe suprafața emițătoare, în funcție de poziție și în funcție de unghiul de observare. Adesea, ca în exemplul de mai sus, se utilizează radianța unei surse pentru a desemna radianța medie pe o deschidere de dimensiuni finite și pe un anumit unghi solid de interes.
Radianța este o mărime conservată într-un sistem optic, astfel încât radianța măsurată ca wați pe unitatea de suprafață pe unitatea de unghi solid incident pe un detector nu va depăși radianța la emițător. În practică, pentru orice fascicul de raze care trasează un emițător către un detector, radianța observată la detector va fi diminuată de lumina care este absorbită pe parcurs sau împrăștiată în afara unghiului solid al fasciculului de raze care ajunge la detector.
Să luăm în considerare un exemplu. Să presupunem că se observă cu ochiul liber o lampă cu arc scurt cu Xenon (Xe) de 35 W și apoi o lampă fluorescentă cu tub drept de 60 W, ambele la o distanță similară de câțiva metri. (Ca informație de fond, lampa cu arc de 35W emite o putere vizibilă semnificativ mai mică decât tubul fluorescent de 60W). Care sursă de lumină este percepută ca fiind mai luminoasă sau, în termeni radiometrici, are o radianță mai mare? Lampa cu arc scurt Xe este percepută ca fiind mult mai luminoasă, deși lampa cu arc de 35W emite mai puțină putere decât tubul fluorescent de 60W. Acest lucru se datorează suprafeței de emisie (A) mult mai mică a lămpii cu arc scurt în comparație cu suprafața de emisie foarte mare a lămpii fluorescente, în timp ce ochiul primește radiația mai mult sau mai puțin la același unghi solid (Ω) atunci când distanța dintre ochi și sursă este aceeași. Cristalinul ochiului formează o imagine luminoasă a arcului Xe pe o suprafață foarte mică a retinei, iar ochiul nu se simte confortabil. Lampa fluorescentă cu suprafață mai mare va forma o imagine pe o suprafață mult mai mare de pe retină, pe care ochiul o poate tolera mai confortabil. Lampa cu arc are o strălucire mult mai mare decât lampa fluorescentă, chiar dacă emite o putere mai mică.
Cu titlu de exemplu suplimentar, imaginați-vă că folosiți lămpile Xe și fluorescente pentru a ilumina o zonă mică, cum ar fi capătul unei fibre optice cu diametrul de 200μm. Ca urmare a radianței mai mari a sursei, radiația de la lampa cu arc Xe de 35 W poate fi mult mai eficient colectată și focalizată în fibră. În schimb, lampa fluorescentă de 60W cu radianță scăzută va fi ineficientă în cuplarea energiei radiației sale în fibră, indiferent de tipul de optică de focalizare utilizat.
Sursele de lumină cu laser de la Energetiq au o radianță foarte mare din zona lor de emisie mică (~ 100μm diametru). Radiația provenită de la o astfel de sursă cu radianță ridicată și zonă de emisie mică poate fi cuplată și mai eficient în fibra optică cu diametrul de 200μm descrisă mai sus. Acest lucru este valabil și pentru alte sisteme optice cu deschideri mici și un unghi solid de acceptare limitat – sisteme optice cu „étendue” mică – cum ar fi fantele înguste ale unui monocromator. (Pentru o discuție suplimentară despre étendue, a se vedea Nota de aplicație #002-2-14-2011, Etendue and Optical Throughput Calculations.)
Irradianță
Irradianța este termenul radiometric pentru puterea pe unitatea de suprafață a radiației electromagnetice incidente pe o suprafață. Unitatea SI pentru iradiere este wați pe metru pătrat , sau miliwați pe milimetru pătrat . (iradierea este uneori numită intensitate, dar această utilizare duce la confuzie cu o altă unitate radiometrică standard, dar rar utilizată, -Intensitatea radiantă – care se măsoară în wați pe steradian.)
Dacă o sursă punctiformă de radiații emite radiații în mod uniform în toate direcțiile și nu există absorbție, atunci iradierea scade proporțional cu distanța la pătrat față de sursă, deoarece puterea totală este constantă și este răspândită pe o suprafață care crește cu distanța la pătrat față de sursa de radiații. Pentru a compara iradierea diferitelor surse, trebuie să se ia în considerare distanța de la sursă. O distanță de 50 cm este adesea utilizată pentru astfel de măsurători.
Iradianța este o măsură utilă pentru aplicațiile în care puterea trebuie să fie livrată pe suprafețe mari. De exemplu, iluminarea unei săli de clasă sau a unui teren de fotbal este în primul rând o chestiune de a furniza un anumit număr de wați pe metru pătrat. Acest lucru poate fi realizat prin utilizarea unei singure surse de mare putere. Cu toate acestea, deoarece iradierea nu depinde de unghiul solid, se pot combina mai multe surse, iluminând pereții sau terenul din unghiuri diferite.
Iradierea unei surse nu este cea mai utilă măsură atunci când se proiectează un sistem eficient de cuplare optică care colectează radiația de la o sursă și apoi livrează radiația într-un instrument optic. Astfel de instrumente optice vor avea o deschidere de intrare limitată și un unghi solid de acceptare limitat. În astfel de cazuri, radianța sursei („luminozitatea” acesteia) este cea mai utilă.
Fluxul radiant
Fluxul radiant este energia radiantă pe unitate de timp, numită și putere radiantă . Fluxul radiant este adesea utilizat pentru a descrie puterea de ieșire a unei surse de radiații sau puterea de radiație primită de un instrument optic. Exemple de flux radiant sunt: puterea de radiație care trece printr-o gaură de ac; puterea de radiație care iese din fibra optică a unui laser cuplat prin fibră; puterea de radiație primită de un detector de putere.
Unitățile de măsură ale fluxului radiant nu includ suprafața sau unghiul solid și, prin urmare, nu sunt utile pentru a determina dacă o anumită sursă de lumină cu un anumit flux radiant va fi utilă pentru a furniza puterea sa unui instrument optic. În exemplul nostru anterior, tubul fluorescent de 60W emite un flux radiant (putere) mai mare decât lampa cu arc Xe de 35W. Dar, cu o optică de focalizare adecvată, lampa cu arc va furniza un flux radiant mai mare către fibra optică cu diametrul de 200μm. O sursă de lumină acționată cu laser, cum ar fi EQ-99 de la Energetiq, poate avea un flux radiant emis mai mic decât cel al lămpii cu arc de 35 W, dar radianța sa mai mare îi permite să furnizeze un flux radiant și mai mare la fibra optică cu diametrul de 200μm decât cel al lămpii cu arc de 35 W.
Radiație spectrală, iradiere spectrală și flux radiant spectral
Cei trei termeni discutați mai sus sunt cantități utilizate pentru a caracteriza radiația într-o anumită bandă de lungimi de undă, (UV, VIS și/sau IR). Este, de asemenea, obișnuit să se ia în considerare aceste valori pentru unitatea de lungime de undă (pe nm) din spectru. Pentru puterea de radiație pe unitate de lungime de undă, fluxul radiant spectral este utilizat cu unități SI de wați pe metru , sau, mai frecvent, miliwați pe nanometru . Pentru radiația incidentă pe o suprafață, se folosește termenul de iradiere spectrală, care are unitatea SI de , sau mai frecvent unități de . Pentru puterea de radiație în interiorul unui unghi solid unitar de la o unitate de suprafață emițătoare și o unitate de lungime de undă, termenul este radianța spectrală, cel mai frecvent cu unități de .
Radianța spectrală este o măsură cheie atunci când se selectează o sursă pentru o aplicație. În general, majoritatea surselor de radiații prezintă variații ale radianței spectrale pe tot spectrul lor de emisie. În figura 3, radianța spectrală este prezentată pentru o lampă cu deuteriu de 30 W (D2), o lampă cu arc Xe de 75 W cu luminozitate ridicată și pentru două versiuni ale sursei de lumină cu laser Energetiq, EQ-99 și EQ-1500.
Figura 3: Radiația spectrală a EQ-99X LDLS, EQ-77 LDLS, EQ-400, LDLS, EQ-400, LDLS, lampa Xe cu arc scurt de 75W,
lampa de tungsten și lampa D2.
Pentru exemplul nostru anterior de iluminare a unei fibre optice de 200μm, să presupunem că dorim să comparăm cele patru surse de lumină din figura 3 la livrarea radiației cu lungimea de undă de 200nm în fibră. Deoarece parametrul cheie este radianța spectrală a surselor la 200nm, putem observa din figura 3 că radianța spectrală a lămpii Xe este cu aproximativ un ordin de mărime mai mare („mai strălucitoare”) decât cea a lămpii D2, iar sursele LDLS sunt cu încă un ordin de mărime mai mari decât cea a lămpii Xe. Cu aceeași optică de focalizare utilizată pentru a cupla lumina de la fiecare sursă în fibra de 200μm, fluxul radiant livrat în fibră ar varia în mod similar cu aceleași ordine de mărime.
Concluzii
În proiectarea instrumentelor optice, oamenii de știință și inginerii care aleg sursele de lumină vor fi expuși la o varietate de specificații ale surselor și termeni radiometrici. Este important să înțeleagă natura specificațiilor și să le cupleze în termeni radiometrici care vor permite luarea unor decizii de proiectare adecvate. În general, pentru aplicațiile tipice ale instrumentelor optice, cum ar fi spectroscopia și imagistica, radianța și radianța spectrală a sursei de lumină sunt cele care trebuie înțelese cel mai bine. Pentru un instrument cu deschideri și unghiuri solide limitative, radianța sursei este cea care determină cantitatea de radiație care trece prin instrument. Prin potrivirea atentă a instrumentului cu o sursă de radianță adecvată, se poate proiecta un sistem optim.
< Înapoi la lista de lucrări tehnice
Vezi formatul PDF >