Záření zdroje se zvyšuje zvětšením jeho vyzařovaného výkonu, zmenšením vyzařovací plochy zdroje nebo vyzařováním záření do menšího prostorového úhlu. Přísně vzato je zářivost definována v každém bodě vyzařovací plochy jako funkce polohy a jako funkce úhlu pozorování. Často, jako ve výše uvedeném příkladu, používáme zářivost zdroje ve smyslu zářivosti zprůměrované přes konečnou velikost apertury a přes určitý tělesový úhel zájmu.
Záření je v optické soustavě zachovávaná veličina, takže záření měřené jako watty na jednotku plochy na jednotku pevného úhlu dopadajícího na detektor nebude vyšší než záření na zářiči. V praxi bude pro jakýkoli svazek paprsků mapující zářič na detektor zářivost viditelná na detektoru zmenšena o světlo, které je na cestě pohlceno nebo rozptýleno mimo pevný úhel svazku paprsků dopadajících na detektor.
Uvažujme příklad. Předpokládejme, že okem pozorujeme 35W xenonovou (Xe) krátkou obloukovou výbojku a poté 60W přímou trubicovou zářivku, obě v podobné vzdálenosti několika metrů. (Pro informaci uvádíme, že 35W oblouková lampa vyzařuje podstatně menší viditelný výkon než 60W zářivka.) Který zdroj světla je vnímán jako jasnější nebo, řečeno radiometricky, má vyšší zářivost? Krátká oblouková výbojka Xe je vnímána jako mnohem jasnější, i když 35W oblouková výbojka vyzařuje menší výkon než 60W zářivka. Je to důsledek mnohem menší vyzařovací plochy (A) krátkoobloukové lampy ve srovnání s velmi velkou vyzařovací plochou zářivky, přičemž oko přijímá záření pod víceméně stejným pevným úhlem (Ω) při stejné vzdálenosti oka od zdroje. Oční čočka vytváří jasný obraz oblouku Xe na velmi malé ploše sítnice a oko se necítí příjemně. Zářivka s větší plochou vytvoří obraz na mnohem větší ploše sítnice, což oko snáší pohodlněji. Oblouková lampa má mnohem větší zářivost než zářivka, přestože vyzařuje menší výkon.
Představte si jako další příklad použití Xe a zářivky k osvětlení malé plochy, například konce optického vlákna o průměru 200 μm. V důsledku vyššího zářivého výkonu zdroje lze záření z 35W obloukové lampy Xe mnohem účinněji zachytit a soustředit do vlákna. Naproti tomu nízký zářivý výkon 60W zářivky bude neefektivní při spojování její zářivé energie do vlákna bez ohledu na to, jaký typ fokusační optiky se použije.
Laserem poháněné světelné zdroje společnosti Energytiq mají velmi vysoký zářivý výkon při jejich malé vyzařovací ploše (průměr ~ 100 μm). Záření z takto vysokého zářivého výkonu a malé vyzařovací plochy zdroje lze ještě účinněji spojit do výše popsaného optického vlákna o průměru 200 μm. To platí i pro jiné optické systémy s malými aperturami a omezeným přijímacím pevným úhlem – optické systémy s malým „étendue“ – jako jsou úzké štěrbiny monochromátoru. (Další informace o étendue viz aplikační poznámka #002-2-14-2011, Etendue and Optical Throughput Calculations.)
Irradiance
Irradiance je radiometrický termín pro výkon na jednotku plochy elektromagnetického záření dopadajícího na povrch. Jednotkou SI pro intenzitu záření je watt na metr čtvereční , nebo miliwatt na milimetr čtvereční . (Intenzita záření se někdy nazývá intenzita, ale toto použití vede k záměně s jinou standardní, ale zřídka používanou radiometrickou jednotkou – intenzitou záření – která se měří ve wattech na steradián.)
Pokud bodový zdroj záření vyzařuje záření rovnoměrně do všech směrů a nedochází k absorpci, pak intenzita záření klesá úměrně kvadrátu vzdálenosti od zdroje, protože celkový výkon je konstantní a je rozložen na plochu, která se zvětšuje s kvadrátem vzdálenosti od zdroje záření. Chceme-li porovnat ozáření různých zdrojů, musíme vzít v úvahu vzdálenost od zdroje. Pro taková měření se často používá vzdálenost 50 cm.
Zářivost je užitečným měřítkem pro aplikace, kde je třeba dodat výkon na velké plochy. Například osvětlení učebny nebo fotbalového hřiště je především otázkou dodání určitého počtu wattů na metr čtvereční. Toho lze dosáhnout použitím jediného zdroje s vysokým výkonem. Protože však vyzařovací výkon nezávisí na úhlu tělesa, lze kombinovat více zdrojů, které osvětlují stěny nebo hřiště pod různými úhly.
Vyzařovací výkon zdroje není nejužitečnějším měřítkem při návrhu účinného optického vazebního systému, který sbírá záření ze zdroje a poté je dodává do optického přístroje. Takové optické přístroje budou mít omezený vstupní otvor a omezený přijímací úhel tělesa. V takových případech je nejužitečnější zářivost zdroje (jeho „jas“).
Zářivý tok
Zářivý tok je energie záření za jednotku času, nazývaná také zářivý výkon . Zářivý tok se často používá k popisu zářivého výkonu zdroje záření nebo zářivého výkonu přijatého optickým přístrojem. Příklady zářivého toku jsou: zářivý výkon procházející dírkou; zářivý výkon vystupující z optického vlákna laseru spojeného s vláknem; zářivý výkon přijímaný detektorem výkonu.
Jednotky zářivého toku nezahrnují plochu nebo tělesový úhel, a proto nejsou užitečné při určování, zda konkrétní světelný zdroj s konkrétním zářivým tokem bude užitečný při dodávání svého výkonu do optického přístroje. V našem předchozím příkladu vyzařuje 60W zářivka větší zářivý tok (výkon) než 35W oblouková lampa Xe. S vhodnou fokusační optikou však oblouková lampa dodá optickému vláknu o průměru 200 μm vyšší zářivý tok. Laserem poháněný zdroj světla, jako je EQ-99 společnosti Energetiq, může mít nižší vyzařovaný zářivý tok než 35W oblouková lampa, ale jeho vyšší zářivý výkon mu umožňuje dodat do optického vlákna o průměru 200 μm ještě vyšší zářivý tok než 35W oblouková lampa.
Spektrální zářivost, spektrální ozářenost a spektrální zářivý tok
Výše uvedené tři termíny jsou veličiny používané k charakterizaci záření v určitém pásmu vlnových délek (UV, VIS a/nebo IR). Je také běžné uvažovat tyto hodnoty pro jednotkovou vlnovou délku (na nm) ve spektru. Pro výkon záření na jednotku vlnové délky se používá spektrální zářivý tok s jednotkami SI watty na metr , nebo častěji miliwatty na nanometr . Pro záření dopadající na povrch se používá termín spektrální zářivý tok, který má jednotku SI , nebo častěji jednotky . Pro výkon záření v jednotkovém pevném úhlu od jednotkové vyzařovací plochy a jednotkové vlnové délky se používá termín spektrální zářivý tok, nejčastěji s jednotkami .
Spektrální zářivý tok je klíčovým měřítkem při výběru zdroje pro danou aplikaci. Obecně platí, že většina zdrojů záření vykazuje změny spektrální zářivosti v celém spektru svého vyzařování. Na obrázku 3 je zobrazena spektrální zářivost pro 30W deuteriovou lampu (D2), 75W vysoce svítivou obloukovou lampu Xe a pro dvě verze laserem řízeného zdroje světla společnosti Energetiq, EQ-99 a EQ-1500.
Obrázek 3: Spektrální zářivost LDLS EQ-99X, LDLS EQ-77, EQ-400, LDLS, 75W krátkoobloukové lampy Xe,
wolframové lampy a lampy D2.
Pro náš předchozí příklad osvětlení optického vlákna o vlnové délce 200 μm předpokládejme, že chceme porovnat čtyři světelné zdroje na obrázku 3 při dodávání záření o vlnové délce 200 nm do vlákna. Protože klíčovým parametrem je spektrální zářivost zdrojů na vlnové délce 200 nm, vidíme z obrázku 3, že spektrální zářivost lampy Xe je přibližně o jeden řád vyšší („jasnější“) než u lampy D2 a zdroje LDLS jsou o další řád vyšší než lampa Xe. Při použití stejné fokusační optiky, která spojuje světlo z každého zdroje do vlákna o průměru 200 μm, by se zářivý tok dodávaný do vlákna podobně lišil o stejné řády.
Závěry
Při návrhu optických přístrojů budou vědci a konstruktéři vybírající světelné zdroje vystaveni různým specifikacím zdrojů a radiometrickým podmínkám. Je důležité pochopit podstatu specifikací a spojit je v radiometrických termínech, které umožní vhodná konstrukční rozhodnutí. Obecně platí, že pro typické aplikace optických přístrojů, jako je spektroskopie a zobrazování, je třeba nejvíce rozumět zářivosti a spektrální zářivosti světelného zdroje. U přístrojů s omezujícími clonami a pevnými úhly je to zářivost zdroje, která určuje, kolik záření přístrojem projde. Pečlivým sladěním přístroje se zdrojem vhodného záření lze navrhnout optimální systém.
< Zpět na seznam technických dokumentů
Zobrazit formát PDF >.