Ergänzung 3.3: Messung der Strahldichte

Die Strahldichte

Die Strahldichte ist eine optische Größe, mit der die Ausbreitung von Licht und Strahlung beschrieben werden kann. Sie wird mit dem Formelzeichen L dargestellt und entspricht der optischen Leistung P, die aus einem kleinen Raumwinkel dΩ auf eine kleine Fläche da (zum Beispiel einen Licht- oder Strahlungsdetektor) fällt:

In einem Messinstrument werden die differenziellen durch endliche Größen ersetzt: ein Detektor mit der empfindlichen Fläche a misst eine optische Leistung P aus einem Raumwinkel Ω. Aus diesen Größen, die in die Kalibrierung des Instruments eingehen, wird die Strahldichte bestimmt.

Ein Detektor mit der empfindlichen Fläche a empfängt Strahlung aus einem Raumwinkel Ω, der - in diesem Beispiel - gegen die Flächennormale des Detektors um den Winkel φ geneigt ist. Die Projektion der Fläche a auf die Richtung des Raumwinkels ist a cosφ.

Das Ausgangssignal eines Detektors besteht - je nachdem, welcher physikalisch Effekt genutzt wird - aus einem Strom oder einer Spannung und wird durch eine Kalibrierung in eine optische Leistung umgerechnet. Die Größe seiner empfindlichen Fläche kann man messen oder aus einem Datenblatt entnehmen.

Der Raumwinkel, aus dem ein Empfänger Strahlung registriert, ist oft nicht genau bekannt und meistens sehr groß. Er muss daher mit weiteren optischen Bauteilen begrenzt und quantitativ festgelegt werden. Wie dies geschieht, wird in den folgenden Abschnitten erklärt.

Radiometer messen die vom Himmel und von der Wasseroberfläche ankommende Strahldichte. Aus den Daten wird die Reflektanz des Wassers berechnet, die INformationen über den Gehalt des Wassers an Schwebeteilchen liefert.

Begrenzung des Raumwinkels mit einer Blende

Die einfachste Möglichkeit, das Gesichtsfeld eines Detektors zu begrenzen, besteht in der Verwendung einer Blende.

Ein Detektor mit Blende zur Begrenzung des Gesichtsfelds.

Detektor und Blende sind im Abstand r angeordnet. Der Radius des Detektors ist D, der Radius der Blende ist B. α ist der größtmögliche halbe Gesichtsfeldwinkel.

Begrenzung des Raumwinkels mit Linse und Blende

Die Lichtausbeute eines Detektors mit Blende ist sehr gering. Viel bessere Lichtausbeuten erhält man, wenn die Anordnung mit einer Linse ergänzt wird.

Ein Detektor mit Sammellinse und Blende zur Begrenzung des Gesichtsfelds.

Der maximale Empfangswinkel α wird durch die Linse (mit Radius L und Brennweite f) und die Blende im Abstand b festgelegt. Die empfindliche Fläche des Detektors hinter der Blende sei so groß gewählt, dass sie den Strahlengang nicht begrenzt. Der größtmögliche halbe Gesichtsfeldwinkel α ergibt sich aus dem Bild der Blende B' im Abstand b' von der Linse.