Im folgenden werden zunächst die wichtigsten physikalischen Größen erläutert, die im Zusammenhang mit Infrarottechnik von Bedeutung sind:
Raumwinkel [sr]
Als Raumwinkel bezeichnet man das Verhälnis eines (beliebig geformten) Kugelflächenausschnitts in [m²] zum Quadrat des zugehörigen Kugelradius' in [m].
Die SI-Einheit des Raumwinkels ist "Steradiant", abgekürzt "sr", und eine dimensionslose Zahl.
Der volle Raumwinkel (einer Kugel) beträgt 4 Pi.
Der Raumwinkel von 1 sr entspricht einem Kreiskegel mit einem Öffnungswinkel von 65,6°.
Diese Größe ist für die Infrarottechnik deshalb von Bedeutung, weil zum Beispiel die Menge der auf einen Detektor auftreffenden Strahlung vom Sehfeld des Sensors abhängt.
Strahlstärke [W/sr]
(engl.: radiant intensity)
Die Leistung in Watt, die ein Körper pro Raumwinkel abstrahlt, wird als Strahlstärke bezeichnet.
Ein kleiner Körper hoher Temperatur und ein größerer Körper geringerer Temperatur können die selbe Strahlstärke abgeben!
Strahldichte L [W/sr/m²]
(engl.: radiance)
Die Strahldichte macht eine Aussage darüber, wie stark ein bestimmtes Flächenelement strahlt: Im oben angeführten Beispiel eines kleinen Körpers hoher Temperatur und eines größeren Körpers geringerer Temperatur bleibt zwar die Strahlstärke konstant, die beiden Körper unterscheiden sich aber in der Strahldichte: Der kleine Körper hat eine größere Strahldichte als der große.
Die Strahldichte ist die Strahlstärke bezogen auf die Fläche, die sie erzeugt.
Wann immer bei Strahlungsgrößen von Fläche die Rede ist, meint man damit die in Blickrichtung projezierte Fläche!
Strahlstärke und Strahldichte sind Größen, die sich auf den Sender beziehen! Analog dazu gibt es die folgenden Definitionen, die sich auf den Empfänger beziehen:
Bestrahlungsstärke E [W/sr]
(engl.: irradiance)
Die Bestrahlungsstärke ist die Leistung, die den Detektor erreicht, bezogen auf den Raumwinkel, den das Ziel im Sehfeld des Sensors einnimmt.
Strahlstärke eines Ziels und Bestrahlungsstärke an einem Detektor unterscheiden sich durch folgende Dinge, die berücksichtigt werden müssen:
- Transmission durch die Atmosphäre
- Entfernung zwischen Ziel und Empfänger, ...
- weil der Raumwinkel, den das Ziel im Detektorsehfeld einnimmt mit dem Quadrat der Entfernung sinkt.
- weil die Transmission exponentiell mit der Entfernung abnimmt.
- Transmission durch das Sensorsystem (Optik!)
- Sehfeld des Sensors
Bei gleich bleibender Strahlstärke des Ziels kann sich die Bestrahlungsstärke ändern, wenn eine der vorgenannten Größen sich ändert.
Bestrahlungsdichte H [W/sr/m²]
ist die Bestrahlungsstärke bezogen auf die Detektorfläche. Diese Größe ist insbesondere bei der Betrachtung von Detektorausgangssignalen interessant.
Im Zweifel über die richtige Bezeichnung sollte man immer auf die Einheit achten (flächenbezogen oder nicht) und darauf, ob die Größe sich auf den Sender oder auf den Empfänger bezieht.
Wellenzahl [1/cm]
ist eine vor allem im amerikanischen Sprachraum übliche Ausdrucksweise für die Wellenlänge: Man gibt an, wieviele volle Wellen in einen Zentimeter passen. Dieses Vorgehen ist für uns Mitteleuropäer etwas gewöhnungsbedürftig und wir fragen uns, warum sie dann nicht gleich die Wellenzahl in [1/inch] angeben, aber die Umrechnung in die bei uns gebräuchlichen Mikrometer ist einfach:
10.000 / Wellenzahl [1/cm] = Wellenlänge [µm]
Weitere wichtige Größen im Zusammenhang mit Infrarottechnik sind die Oberflächeneigenschaften
Absorptions-, Emissions-, Reflektions- und Transmissionsgrad
Es sind jeweils dimensionslose Größen (Prozentwerte), die das Verhältnis angeben von
- absorbiertem Strahlungsanteil zu auftreffender Strahlung (Absorptionsgrad)
- abgegebener Strahlstärke zu von einem schwarzen Körper der selben Temperatur abgegebenen Strahlstärke (Emissionsgrad)
- reflektiertem Strahlungsanteil zu auftreffender Strahlung (Reflektionsgrad)
- durchgelassenem Strahlungsanteil zu auftreffender Strahlung (Transmissionsgrad)
Zwei wichtige Regeln im Zusammenhang mit diesen Größen (Kirchhoffsches Strahlungsgesetz):
- Absorptions- und Emissionsgrad eines Materials sind immer gleich!
- Die Summe von Emissions-, Reflektions- und Transmissionsgrad eines Materials ist immer 100%!
Mit Ausnahme des Raumwinkels müssen alle Größen auch spektral betrachtet werden!
Der Verlauf der Strahlstärke über der Wellenlänge hängt, wie wir unten noch sehen werden, von der Temperatur ab.
Der spektrale Verlauf der atmosphärischen Transmission wurde bereits erklärt.
Analog dazu hat auch das Sensorsystem mit seiner Optik einen wellenlängenabhängigen Durchlässigkeitsverlauf. (In diesem Zusammenhang ist zum Beispiel die Materialauswahl für IR-Dome von Zielsuchköpfen ein interessantes Thema!)
Auch die Detektoren sind für unterschiedliche Wellenlängen verschieden empfindlich; es gibt immer spektrale Empfindlichkeitsverläufe, die bei Untersuchungen berücksichtigt werden müssen!
Falls diese Seite ohne Navigationsleiste angezeigt wird, aktivieren Sie Javascript oder klicken Sie hier!
