Promieniowanie optyczne

Literatura

Forma zaliczenia:



Pisemny sprawdzian wiadomości ew.

uzupełniony odpowiedziami ustnymi,



Podany będzie zestaw przykładowych pytań



Jacek Hauser: Elektrotechnika, podstawy

elektrotermii i techniki świetlnej. Wyd. PP,
2006



Technika Świetlna 98 Poradnik Informator

t.1 red. W Grzonkowski, W-wa 1998



Jan Godlewski: Generacja i detekcja

promieniowania optycznego. Wyd. PWN,
1997

Istota promieniowania optycznego

Promieniowanie optyczne to fala

elektromagnetyczna z zakresu

1000 – 0.01

m

w próżni

Odpowiada to częstotliwościom

3 10

11

– 3

10

16

Hz

Nazwa

optyczne

symbolizuje fakt, że

promieniowanie optyczne podlega prawom

optyki

geometrycznej.

Promieniowanie optyczne jako

promieniowanie elektromagnetyczne

Człowiek oraz zwierzęta i rośliny reagują na

wektor pola elektrycznego E. Stąd nazywa się

go wektorem świetlnym.

Optyka geometryczna (zasady)

Optyka geometryczna, najstarsza część
optyki.

Wprowadza pojęcie:



promienia świetlnego jako cienkiej

wiązki światła (odpowiednik prostej w
geometrii).

Opisuje:



rozchodzenie się światła jako biegu

promieni,



nie wnikania w naturę światła.

Według optyki geometrycznej:



światło rozchodzi się w ośrodkach

jednorodnych po

liniach prostych,



na granicy ośrodków ulega odbiciu



przechodząc do drugiego ośrodka ulega

załamaniu.

Jednostki długości fali

Promieniowanie optyczne to fala

elektromagnetyczna z zakresu

1000 – 0.01

m

w próżni

1000 m to 10

-3

m lub 10

6

nm

0.01 m to 10

-8

m lub 10 nm

Zakres promieniowania optycznego:

1000 –

0.01 m

lub

10

6

 

 nm

lub

10

-3





m

Zakres promieniowania widzialnego :

0,38

– 0.78 m

lub

380





 nm

lub

380 10

-9





m

1 m 10

-6

m

1 nm 10

-9

m

Długość a częstotliwość fali

promieniowania

T

f







v

v





– długość fali (lub zamiennie liczba falowa

k=2/),

v

prędkość rozchodzenia się fali

T

okres (lub zamiennie częstotliwość f=1/T).







v

Dla
próżni :
c3 10

8

m/s

Długości fal i częstotliwości

promieniowania optycznego w widmie

Promieniow

anie

optyczne

Zakresy promieniowania optycznego

Promieniowanie optyczne dzieli się na:



promieniowanie ultrafioletowe



promieniowanie widzialne



promieniowanie podczerwone

W promieniowaniu słonecznym energia jest
skoncentrowana w :



zakresie widzialnym (ok.45%),



bliskiej podczerwieni (ok.48%)



ultrafiolet (ok.6%)

Zakresy w promieniowaniu optycznym

promieniowanie podczerwone 10

6

-

780 nm:

• IR-C (podczerwień daleka) - 3000 nm ÷ 10

6

nm
• IR-B (podczerwień średnia) - 1400 ÷ 3000
nm
• IR-A (podczerwień bliska) - 780 ÷ 1400 nm

promieniowanie widzialne 380-780
nm

:
promieniowanie ultrafioletowe
380-10 nm:

•

UV-A (nadfiolet bliski) – 315 ÷ 380 nm

• UV-B (nadfiolet średni) - 280 ÷ 315 nm
• UV-C (nadfiolet daleki) - 10 ÷ 280 nm

Promieniowanie widzialne (VIS)

(światło)

Jest to promieniowanie

optyczne o długości fali 

mieszczącej się w zakresie

0.38 ÷ .78 m (380-780 nm).

Wyróżnia się barwy

widmowe

:

długość

fali

częstotliw

ość

nm

(

-



m

)

THz

(

2

Hz

)

czerwony ~ 625-740 ~ 480-405
pomarańc
zowy

~ 590-625 ~ 510-480

żółty

~ 565-590 ~ 530-510

zielony

~ 520-565 ~ 580-530

cyjan

~ 500-520 ~ 600-580

niebieski

~ 450-500 ~ 670-600

indygo

~ 430-450 ~ 700-670

fioletowy

~ 380-430 ~ 790-700

kolor

Promieniowanie ultrafioletowe (UV)

(nadfiolet)

Jest to promieniowanie optyczne o długości fali 

mieszczącej się w zakresie 0.01 ÷ 0.38 m. Wyróżnia

się:

• UV-A (nadfiolet bliski) – 0.315 ÷ 0.38 m
• UV-B (nadfiolet średni) – 0.28 ÷ 0.315 m
• UV-C (nadfiolet daleki) – 0.01 ÷ 0.28 m

UV C UV B UV A

podział biologiczny

Promieniowanie ultrafioletowe (UV)

(nadfiolet)

Wyróżnia się:
• nadfiolet bliski – 0.3 ÷ 0.38 m (UV A)
• nadfiolet daleki – 0.3 ÷ 0.2 m (UV B + część UV

C)
• nadfiolet próżniowy – 0.2 ÷ 0.004 m (część UV C

+ dalej)

próżniowy daleki bliski

podział techniczny:

Promieniowanie

ultrafioletowe (przykład)

Trzmiel widzi w

ultrafiolecie

Ultrafioletowe

promieniowanie

Słońca

380-10 nm

Promieniowanie podczerwone (IR)

(podczerwień)

Jest to promieniowanie optyczne o długości fali 

mieszczącej się w zakresie 0.78 ÷ 1000 m. Wyróżnia

się:

• IR-A (podczerwień bliska) – 0.78 ÷ 1.4 m
• IR-B (podczerwień średnia) – 1.4 ÷ 3 (15) m
• IR-C (podczerwień daleka) – 3 (15) ÷ 1000 m

IR A IR B IR C

Promieniowanie podczerwone (przykład)

Pilot telewizora

Ognisko

1000-0.780 m

Wielkości opisujące promieniowanie optyczne

Promieniowanie może być rozpatrywane:

•

jako fala elektromagnetyczna

•

jako zbiór przemieszczających się

cząsteczek – fotonów

Pojedynczy foton może być utożsamiany z
pojedynczą falą lub paczką identycznych fal.
Energia pojedynczego fotonu to:



c

h

hv

E





gdzie  to częstotliwość fotonu (fali)

określana wzorem  = c/. Symbol c

oznacza prędkość światła w próżni, h =
6,625 10

-34

Js to stała Plancka, a

  długość fali.

Energia promieniowania Q

to suma energii fotonów przenikających przez

wybraną powierzchnię. Jest ona mierzona w

dżulach [J].









n

n

i

h

q

Q



Wielkości wektorowe

Strumień promienisty 

Rozpatrując energię promieniowania Q

przenikającą wybraną powierzchnię w

jednostce czasu określa się wielkość zwaną

strumieniem promienistym  (strumień

mocy, strumień energetyczny, moc

promienista), mierzoną w watach [W],

r

Q 







r

Natężenie promieniowania I

Strumień promienisty (energetyczny) 

wysyłany w określonym kierunku w obrębie

jednostkowego kąta bryłowego jest nazywany

natężeniem promieniowania I [W/sr].



d

d

I





Kąt

bryłowy









sr

I

r

Luminancja energetyczna L

Jeśli wielkość natężenia promieniowania I
zostanie odniesiona do prostopadłej do r
powierzchni S



, będącej rzutem powierzchni

S, z której promieniowanie jest wysyłane
uzyska się wielkość zwaną luminancją
energetyczną L stosuje się też nazwy:
gęstość

powierzchniowa

natężenia

promieniowania

(termokinetyka,

elektrotermia)

lub

intensywność

promieniowania (technika świetlna, grafika
komputerowa) [W/m

2

sr].



S

L

sr





Kąt

bryłowy

















S

L

2

S



r

Wielkości skalarne

Emitancja promienista M

Natężenie napromienienia E

Jest to strumień promienisty (moc)

przypadający na jednostkę powierzchni.

Mierzony w [W/m

2

]

dla

powierzchni

emitujacych

:

Emitancja

promienist

a M

dla

powierzchni

napromieniany

ch:

Natężenie

napromienien

ia E

e

dS

d

M





p

dS

d

E





Zależności między podstawowymi

wielkościami























2

2

d

cos

L

d

dS

d

M

ω

L

 – strumień (moc) I-natężenie promieniowania M-emitancja promienista L-luminancja energetyczna

1. Całkowanie po całym
kącie półprzestrzennym
(2) da moc

przypadającą na
jednostkę powierzchni
czyli emitancję
promienistą M

Luminancja energetyczna:

dS

d

d

dL







tj: moc
przypadająca na
jednostkę kąta i
jednostkę
powierzchni

2. Całkowanie po
powierzchni S da moc
przypadającą na
jednostkowy kąt czyli
natężenie
promieniowania I















S

S

dS

L

d

d

d

I





cos

S

L

3. Całkowanie po
powierzchni S i po kącie
przestrzennym da
strumień (moc) 





 































2

2

cos

ω

L

d

L

ds

d

ds

d

I

dS

M

S

S

Widmo promieniowania

Pod pojęciem widma promieniowania rozumie

się zależność wielkości opisującej

promieniowanie od długości fali 

Widma mogą być:

pasmowe

Nagrzane gazy atomów

o złożonej budowie

Atomy Fe

Nagrzane gazy

prostych atomów -

widmo emisyjne

przyjmuje formę

prążków.

liniowe

Atomy H

2

, He

ciągłe

Nagrzane ciała stałe, ciecze

żarówki,

promienniki podczerwieni,

płynna stal

Wielkości fizyczne i fotometryczne

Ze względu na ważność procesu

widzenia obok wielkości

radiometrycznych wprowadza się też

wielkości fotometryczne

Wielkości radiometryczne są mierzone w jednostkach energetycznych

Wielkości fotometryczne są mierzone w jednostkach świetlnych

Radiometria

Fotometria

Nazwa wielkości

Jednost

ka

Nazwa wielkości

Jednostka

Strumień promienisty 

Wat [W] Strumień świetlny v

Lumen

[lm]

Natężenie

promieniowania I

[W/sr]

Światłość Iv

Kandela

[cd]

Emitancja promienista

M

[W/m

2

]

Egzytancja świetlna Mv

Lux [lx]

Natężenie

napromienienia E

[W/m

2

]

Natężenie oświetlenia Ev

Lux [lx]

Luminancja

energetyczna L

[W/sr

m

2

]

Luminancja Lv

[lm/sr m

2

]

1 cd = 1lm / sr; 1 lx = 1 lm / m

2

Zależność wielkości promienistych od długości

fali 

Promieniowanie optyczne jest przedstawiane jako fala (lub

fale) elektromagnetyczna Fale o wszystkich długościach

składają się na widmo promieniowania, a wydzielone długości

tworzą zakres.

Wielkości (, I, L, ...) mogą być w różny sposób uzależnione

(lub nie) od długości fali .

Określenia definiujące zależność wielkości promienistych
od długości fali

Dodatkowe

określenie

Oznacze

nie

wielkośc

i

Opis

brak

X

wielkość

niezależna

od

długości fali

widmowa

X()

wielkość

zależna

od

dług. fali 

średnia, widmowa

X

sr,

średnia dla zakresu  

(0)

średnia

X

sr, 

 2

średnia dla zakresu  

(

1



2

)

gęstość
monochromatyczn
a

x



wielkość wyznaczona dla
określonej d

Skutki aktyniczne

Promieniowanie optyczne może powodować

rozmaite skutki (efekty, przemiany) będące

rezultatem działania promieniowania na materię

organiczną lub nieorganiczną

Oddziaływania promieniowania z materią

nazywamy

skutkami aktynicznymi

Do takich przemian zalicza się

zjawiska fotoelektryczne, fotooptyczne,

fotochemiczne i fotobiologiczne

Skutki aktyniczne dla materii organicznej

•

działanie bakteriobójcze i grzybobójcze

•

zmiany mutacyjne komórek

•

widzenie

•

pigmentacja skóry, rumień

•

fotosynteza, fototropizm

•

synteza witaminy D

•

fotoalergie

Materia

organicz

na

Promieniowanie

Skutki aktyniczne dla materii nieorganicznej

Materia

nieorganicz

na

•

nagrzewanie

•

reakcje fotochemiczne

•

destrukcja materii

•

synteza polimerów

Promieniowanie

Czas pojawiania się skutków aktynicznych

Skutek

•

natychmiastowy:

widzenie

Działanie aktyniczne

•

szybki i powolnie

ustępujący:
opalenizna

•

znacznie odsunięty

w czasie: rak po
nadmiernych
dawkach
promieniowania
słonecznego lub
solarium

Działanie promieniowania a skutki aktyniczne

Natychmiasto

we – ustają po

zaniku

promieniowan

ia np.

widzenie,

fotosynteza

Odsunięte w czasie –

pojawiają się po

krótszym lub dłuższym

okresie po działaniu

promieniowania np.

opalenizna, zaćma

Jedn. miary: natężenie

napromienienia

Jedn. miary: dawka

użyteczna

promieniowania

Strumień skuteczny promieniowania aktynicznego sk, i











2

i,

sk

i,

sk

m

W

S

E















2

t

i,

sk

i

m

J

dt

E

H



Kumulacja natężeń

Kumulacja dawek

Skutki aktyniczne przykłady

Skutek aktyniczny

Próg



1



2

m



max

m

Witamina D

255-320

295

Fotosynteza

380-710

425

Widzenie

360-830

555(507)

Erytema (rumień)

200-400

298

Fotoizomeryzacja

bilrubiny

400-550

460

Naświetlanie

materiału

światłoczułego

Sieciowanie

polimerów

Fotodysocjacja

Fotoutlenianie

Wielkości skuteczne

Siła oddziaływania promieniowania dla

określonego skutku aktynicznego zależy od

widmowej emitancji promienistej źródła

promieniowania oraz od tzw. skuteczności

widmowej danego skutku aktynicznego







2

1

wzg

m

sk

d

)

(

S

)

(

X

K

X











gdzie:
X – gęstość widmowa wielkości fizycznej np.  [W]
S

wzg

() – skuteczność widmowa względna danego skutku

aktynicznego
K

m

– współczynnik przeliczeniowy wielkości fizycznej na

aktyniczną dla
odpowiadającej maksymalnej skuteczności

widmowej np. [lm/W]
Xsk – wielkość skuteczna np. sk np. [lm]

Uwaga: dla widzenia S

wzg

() oznacza się V(), a Km=683 lm/W

Skuteczność widmowa względna S

wzg

()

Dla efektów pojawiających się natychmiast (np. widzenie)

wprowadza się tzw wielkości skuteczne widmowe względne

Jest to

zależność obrazująca względną „siłę” oddziaływania

aktynicznego promieniowania optycznego o różnych

długościach fali 

)

(

S

)

(

S

)

(

S

max

wzg









Względne widmowe skuteczności fotobiologiczne promieniowania z zakresu VIS

Skuteczny strumień widmowy sk()

Jest to

ta część strumienia promieniowania, która wywołuje

określone zjawisko aktyniczne z uwzględnieniem widma

promieniowania źródła i widmowej skuteczności

odpowiadającej danemu zjawisku

*

sk













)

(

Lampa TL 20X/52 – względna gęstość widmowa

emisji

Lampa przeznaczona do naświetlań

noworodków (bilrubina)







2

1

wzg

m

sk

d

)

(

S

)

(

K















K

m

– maksymalna wartość

danej skuteczności widmowej

Przykład - wielkości skuteczne dla widzenia











780

2

380

1

)

(

)

(











d

V

K

m

v





Dla widzenia dziennego (czopki)

Km = 683 lm/W przy =555 m

gdzie:
 – gęstość widmowa strumienia promieniowania [W]
V() – względna skuteczność widmowa świetlna
Km – maksymalna wartość danej skuteczności widmowej świetlnej
v – strumień świetlnylm]

V()

dzienn
e

nocne

Skuteczność widmowa względna fotosyntezy

Źródło: Internet

chlorofil a

chlorofil b

Długość fali [nm]

A

b

so

rp

c

ja

Skuteczność widmowa względna reakcji

fotobiologicznych

Źródło: Internet

Przykład - wielkości skuteczne dla fotosyntezy

























710

2

380

1

PAR

m

PAR

d

)

(

V

)

(

K

gdzie:
 – gęstość widmowa strumienia promieniowania [W]
V

PAR

() – względna skuteczność widmowa świetlna fotosyntezy

Km – maksymalna wartość danej skuteczności widmowej


PAR

– strumień skuteczny PARW]

= 

PAR

PAR -

Photosyntheti

cally active

radiation

V

PAR

()







Podstawowe prawa promieniowania



prawo Plancka –1900r. (rozkład widmowy

mocy)



prawo Stefana – Boltzmana – 1884r. (moc

całkowita)



prawo Wiena –1883r. (maksimum mocy)

Prawo Plancka

Monochromatyczna gęstość emitancji

promienistej m

,cc

(strumienia

promieniowania) ciała doskonale czarnego

to:

1

exp

1

2

)

,

(

5

2

















cc

cc

kT

hc

h

c

T

m











)

1

e

(

c

cc

2

T

/

c

5

1









– długość fali

promieniowania
T – temperatura w K
h – stała Plancka
k – stała Boltzmana
c – prędkość światła

m

cc

Wnioski z prawa Plancka

m

cc

1. Ilość wypromieniowywanej mocy jest ciągłą funkcją
długości fali  : z jej wzrostem najpierw rośnie potem spada

2. Dla każdej długości fali ilość wypromieniowywanej mocy
rośnie wraz ze wzrostem temperatury.

3. Ze wzrostem temperatury rośnie ilość promieniowania o
krótkich długościach fali

Prawo Stefana - Boltzmana

Na poziomie makroskopowym

Emitancję promienistą (gęstość strumienia

promieniowania)

ciała czarnego określa zależność:

M

cc

(T) mierzone w [W/m

2

] to pole pod krzywą

m

,cc

=f(,T) z poprzedniego rysunku dla zadanej

temperatury T

cc

m

,cc

=f(,T)













0

cc

.

cc

d

m

M

4

cc

T

/

c

5

1

0

T

d

)

1

e

(

c

cc

2























4

2

8

/

10

67

.

5

K

m

W









4

cc

T

M





Prawo Stefana – Boltzmana

zastosowanie

M

c

c

m

cc

(,T

)



m

cc

(,T

)

Pole pod krzywą

4

0

.

T

d

m

M

cc

cc















M- emitancja promienista

m-gęstość monochromatyczna emitancji promienistej

Funkcja promienista dla ciała czarnego f(,T)

4

0

.

)

,

(

T

d

m

T

f

cc

cc















określa procentowy udział
promieniowania z zakresu 0- dla

ciała doskonale czarnego

m

cc

(,T)



1

0

.







d

m

cc

Funkcj

a f(,T)

4

0

.

)

,

(

T

d

m

T

f

cc

cc















 T f

cc

( ,

T)

m K
200

0.000000

400

0.000000

600

0.000000

800

0.000016

1000

0.000321

1200

0.002134

1400

0.007790

1600

0.019718

1800

0.039341

2000

0.066728

2200

0.100888

2400

0.140256

2600

0.183120

2800

0.227897

3000

0.273232

3200

0.318102

0.361735

3600

0.403607

3800

0.443382

4000

0.480877

4200

0.516014

4400

0.548796

4600

0.579280

4800

0.607559

5000

0.633747

5200

0.658970

5400

0.680360

5600

0.701046

5800

0.720158

0.737818

6200

0.754140

6400

0.769234

6600

0.783199

0.796129

7000

0.808109

7200

0.8,19217

7400

0.829527

7600

0.839102

7800

0.848005

8000

0.856288

8500

0.874608

9000

0.890029

9500

0.914199
10,000

0.923710
10,500

0.931890
11,000

0.939959
11,500

0.945098
12,000

0..955139
13,000

0.962898
14,000

0.969981
15,000

0..973814
16,000

0..980860
18,000

0.980860
20,000

0.985602
25,000

0.992215
30,000

0.995340
40,000

0.997969
50,000

0..998953
75,000

0.999713
100,000 0.99

9905

3400

6800

6000

Przykład

Obliczyć procentowy udział promieniowania
widzialnego w promieniowaniu słonecznym.
Temperatura powierzchni Słońca T=6000K . Zakres
promieniowania widzialnego

:

0.380 –0.780 m.

dla  

1 T=0.380*6000 = 2280

f1(,T) = 0.115

dla  

2 T=0.780*6000 = 4680

f2(,T) = 0.5794

f2(,T)  f1(,T) = 0.4644 = 46%

Promieniowanie widzialne stanowi pod względem
energetycznym ok. 46% promieniowania słonecznego

4

0

.

)

,

(

T

d

m

T

f

cc

cc















Przykład

Obliczyć procentowy udział promieniowania
widzialnego w promieniowaniu żarówki.
Temperatura żarnika T=2600K . Zakres
promieniowania widzialnego

:

0.380 –0.780 m.

dla T=0.380*2600 = 990 f1(,T) = 0.000321

dla T=0.780*2600 = 2030

f2(,T) = 0.06680

f2(,T)  f1(,T) = 0.0664 = 6.6%

Promieniowanie widzialne stanowi pod względem
energetycznym ok. 6% promieniowania żarówki czyli jej
sprawność jest rzędu 6%

4

0

.

)

,

(

T

d

m

T

f

cc

cc















Prawo Wiena

Długość fali odpowiadającej maksymalnej

monochromatycznej gęstości strumienia

promieniowania określa wzór:

Wniosek:
Długość fali odpowiadająca
maksymalnej emisji zawiera
informację o temperaturze
emitującej powierzchni

Przykład

Dla jakiej długości fali przypada maksimum
promieniowania słonecznego. Temperatura
powierzchni Słońca T=6000K

mK

T

3

max

10

898

.

2











max

= 2.898 10

-3

/ 6000 = 483 10

-9

m = 483 nm

= 0.483 m

Krzywa względnej czułości

oka ludzkiego

550 nm – widzenie dzienne

510 nm – widzenie nocne