Liste des lampes et rendement des systèmes

Considérations relatives au système

Un système peut inclure une source, un système optique, une mise en forme du faisceau et un détecteur. Il est important d'analyser le système dans sa globalité avant de sélectionner les pièces qui le constituent. Le meilleur système optique pour une application peut s'avérer médiocre pour une autre. Vous découvrirez souvent que collecter le plus de lumière de la source n'est pas toujours la meilleure solution !

Rapport entre le nombre d'ouverture et l'ouverture numérique

LS-015aFigure 1 : Lentille collectant et collimatant la lumière depuis une source.

La figure 1 montre une lentille d'ouverture utile D collectant la lumière d'une source et la collimatant. La source est à la distance focale f de la lentille. Puisque la plupart des sources irradient dans tous les angles, il est évident qu'augmenter D ou réduire f permet de capturer plus de lumière. Le concept de rapport d'ouverture met ces deux facteurs en relation afin de permettre une comparaison rapide des systèmes optiques.
Le nombre d'ouverture est défini comme :

mod 5626 f num a

Où :
n = indice de réfraction de l'espace dans lequel la source est située
θ = la moitié de l'angle du cône d'émission comme indiqué dans la Fig. 1
Bien qu'elle ne soit valide que pour les angles de petite taille (£15°), l'approximation paraxiale, f/D, est largement utilisée à la place de F/#.

mod 5626 f num b

Plus le nombre d'ouverture est petit plus le flux lumineux fc, collecté par la lentille, est grand.
Le flux fc augmente inversement par rapport au carré du nombre d'ouverture.

mod 5626 f num c

Dans le lexique de photographie, le nombre d'ouverture indique la “vitesse” du système optique, les lentilles rapides ayant un faible nombre d'ouverture. Le contrôle d'ouverture sur un appareil photo change le nombre d'ouverture en utilisant un diaphragme d'iris pour changer D.

Ouverture numérique (NA, Numerical Aperture)

En microscopie et avec les fibres optiques, “l'ouverture numérique”, plutôt que le rapport d'ouverture, sert à décrire la capacité de capture lumineuse. Dans un milieu à indice réfractif n, l'ouverture numérique est donnée par :

mod 5626 num apert a

Plus l'ouverture numérique (N.A.) est grande, plus le flux collecté est important. Dans l'air, le N.A. maximum est égal à 1. Des objectifs de microscope sont disponibles avec un N.A. de 0,95.
Le N.A. et le nombre d'ouverture sont associés par :

mod 5626 num apert b

L'ouverture numérique est un concept plus intéressant pour les systèmes optiques avec des angles coniques élevés.

Nombre d'ouverture des miroirs

Les miroirs sphériques concaves sont aussi utilisés pour collecter et focaliser la lumière. Nous les utilisons pour nos illuminateurs de monochromateurs. La longueur focale d'une lentille peut varier avec la longueur d'onde du fait de l'aberration chromatique alors que les systèmes de miroirs sont réellement large bande. Les concepts de nombre d'ouverture (F/#) et d'ouverture numérique s'appliquent aux miroirs. Pour les réflecteurs elliptiques, comme dans nos boîtiers de lampes PhotoMax™, F/# est utilisé pour décrire le ratio de l'ouverture du réflecteur par rapport à la distance entre cette ouverture et la focalisation hors de l'ellipse.

Nombre d'ouverture des systèmes optiques non circulaires

Nous utilisons des miroirs carrés et rectangulaires dans certains de nos produits. Le nombre d'ouverture (F/#) que nous mentionnons est basé sur le diamètre du cercle ayant une surface égale à celle du miroir. Ce nombre d'ouverture est plus significatif que celui basé sur la diagonale, quand on considère l'efficacité de la collecte lumineuse.

Lumière collectée et lumière utile

Parce que la collecte lumineuse varie selon la formule 1/(F/#)2, diminuer F/# est un moyen simple pour optimiser la collecte lumineuse. Toutefois, notez qu'il y a une différence entre le flux lumineux total collecté et le flux lumineux utile collecté. Les lentilles à faible nombre d'ouverture collectent plus de flux lumineux mais l'aberration de la lentille détermine la qualité de la sortie collimatée. Ces aberrations augmentent rapidement avec la diminution du nombre d'ouverture. Même si plus de lumière est collectée par une lentille à très faible nombre d'ouverture (F/#), le faisceau produit est imparfait. Même pour une source ponctuelle cela inclura des rayons d'angles différents, incompatible avec l'idée de collimation. Aucun système optique ne peut focaliser un faisceau de mauvaise qualité pour en faire une bonne image de la source. Ainsi, si une lentille unique à faible nombre d'ouverture (£F/4) peut constituer un collecteur efficace, vous obtiendrez un faisceau de sortie d'une qualité tellement médiocre que vous ne pourrez pas le refocaliser efficacement. Notre Aspherabs™ résout ce problème et nous utilisons des lentilles doubles afin de réduire l'aberration dans nos condenseurs F/1. Dans les applications où la qualité de l'image ou la taille du point est importante, un condenseur à nombre d'ouverture élevé peut donner de meilleurs résultats.
Il est important de comprendre ce concept fondamental car s'il est relativement aisé de collecter de la lumière, la qualité du faisceau produit et votre application déterminent si vous pouvez utiliser la lumière collectée. Nos systèmes PhotoMax™ sont des collecteurs efficaces, mais les faisceaux de sortie ont leurs propres limitations.

Focalisation : Rapport d'ouverture et taille minimale du point

Lors de la focalisation d'un faisceau avec une lentille, plus le nombre d'ouverture est petit, plus le point focalisé à partir d'un faisceau d'entrée collimaté, qui remplit la lentille, est petit (les aberrations modifient de façon significative cette règle simple).

Nombre d'ouverture pratique minimal pour les lentilles

La limite pratique du nombre d'ouverture pour les lentilles sphériques uniques dépend de l'application. Pour l'imagerie haute performance, la limite est d'environ F/4. F/2 - F/1,5 est acceptable pour une utilisation comme un condenseur avec des lampes à arc. La forme de la lentille doit être appropriée, le côté adéquat étant tourné vers la source (nos condenseurs plan-convexes F/1,5 ont des performances d'aberration bien inférieures s'ils sont inversés).
Le nombre des éléments doit augmenter pour obtenir des performances appropriées à un nombre d'ouverture inférieur. Les lentilles d'appareil photo F/1 comportent cinq ou six composants. Notre Aspherabs® F/0,7 en utilise quatre. Les objectifs de microscopes approchent la limite de F/0,5 avec dix éléments ou plus, et n'offrent de bonnes performances que sur des champs de très petite taille.

Sources réelles et condenseurs

Voici quelques considérations majeures sur la sélection et l'utilisation d'un condenseur :

Transmittance

Le matériau d'une lentille possède une plage de transmittance spectrale limitée. Parfois ces limites sont utiles, par exemple pour bloquer les UV dangereux. Un autre exemple ; quand on travaille dans l'IR est l'utilisation de lentilles au Germanium avec une source VIS-IR comme une lampe halogène au quartz tungstène. La lentille sert de filtre passe-haut et absorbe le visible.
La transmittance UV des condenseurs et autres éléments optiques est importante quand on essaie de conserver les composants UV limités de nos sources. La transmittance UV du “quartz”* ou “silicium fondu” dépend beaucoup de l'origine du matériau et de l'exposition cumulée à des radiations de longueurs d'onde courtes (solarisation). Nos condenseurs sont constitués de silice synthétique de qualité UV sélectionné pour la meilleure transmittance UV.

* Le quartz est le matériau crystallin naturel original. La silice fondue transparente est une description plus précise pour un matériau optique généré synthétiquement.

Problèmes thermiques

Bien que l'indice de réfraction et par conséquent la longueur focale dépendent de la température, le problème thermique le plus important pour les sources haute puissance est le bris de lentille. La lentille la plus interne d'un condenseur à faible rapport d'ouverture est très proche de la source de lumière. Cette lentille absorbe L'IR et l'UV. La contrainte et le choc thermique résultants à l'allumage, peuvent casser la lentille. Nos boîtiers de lampes haute puissance dotés de condenseurs F/0,7 utilisent des éléments montés spécialement près de la source. Ces éléments sont refroidis par le ventilateur du boîtier de la lampe, et l'élément le plus proche de la source est toujours en silice fondue. Même un élément thermique en verre borosilicate concave utilisé dans cette position se fracture rapidement lors de l'utilisation avec une lampe de 1000 W ou 1600 W.

Collimation

Toutes les sources réelles ont une étendue finie. La figure 2 exagère les angles dans la collecte et l'imagerie d'une source. Les sources types ont une dimension de quelques mm. Notre lampe halogène quartz tungstène d'1 kW possède un filament cylindrique de 6 mm de diamètre par 16 mm de long. Avec le filament au point focal d'un condenseur d'une longueur focale idéale de 50 mm, le “faisceau collimaté” dans ce pire cas possible, inclut des rayons avec des angles de 0 à ~9° (160 mrad) sur l'axe optique.
La plupart des lentilles ont des surfaces sphériques simples ; la focalisation d'un faisceau hautement collimaté avec ce type de système optique sphérique a aussi ses limites.

LS-016aFigure 2 : Collimation imparfaite pour les sources de taille finie.

Aberration sphérique

La figure 1 montre une lentille idéale. Avec des condenseurs réels à un seul élément, l'aberration sphérique cause la convergence des rayons collectés à un angle élevé même si les rayons paraxiales sont collimatés (figure 3a). Vous pourriez mieux réussir en positionnant la lentille comme indiqué dans la figure 3b. La meilleure position dépend de la lentille, de la source lumineuse et de votre application. Les condenseurs sur nos sources Research ont un réglage de focalisation qui vous permet de trouver empiriquement la meilleure position.

LS-016bFigure 3 : (a) montre les effets de l'aberration sphérique dans un condenseur à un seul élément. (b) montre comment déplacer la lentille vers la source peut être un compromis utile.

Aberration chromatique

La longueur focale d'une lentille dépend de l'indice de réfraction du matériau. L'indice de réfraction dépend de la longueur d'onde. La Fig 4 montre la variation de la longueur focale et la collecte lumineuse des lentilles en silice en fonction de la longueur d'onde. L'indice de réfraction du verre borosilicate et de la silice fondue varient de 1,5% et 3% respectivement dans le visible et le proche infrarouge, mais changent plus rapidement dans l'ultra-violet. A cause de cela, les systèmes à lentilles simples ne peuvent pas être utilisés pour une imagerie exacte de l'ensemble du spectre, pas plus qu'une simple lentille de condenseur ne peut produire un faisceau hautement collimaté à partir d'une source ponctuelle large bande. (Fig. 5). La plupart des applications pratiques de sources lumineuses et de monochromateurs ne requièrent pas une imagerie large bande exacte, et par conséquent, les condenseurs économiques non corrigés conviennent. Nos structures de condenseurs pour boîtiers de lampes Research possèdent un réglage de focalisation pour positionner la lentille selon la région spectrale concernée. Nous proposons aussi une version spéciale des condenseurs F/0,7 à utiliser dans l'UV profond.

LS-017aFigue 4 : L'effet de la variation de l'indice de réfraction sur la longueur focale et (1/F#)2 avec la longueur d'onde pour les lentilles en silicium fondu. (1/F#)2 est une mesure de la collecte lumineuse par un condenseur de collimation quand la lentille est à une longueur focale de la source. Parce que la longueur focale est plus courte à de faibles longueurs d'onde, la lentille doit être déplacée vers la source pour collimater ces longueurs d'onde. Quand vous la déplacez plus près, vous collectez aussi plus de lumière.LS-017bFigure 5 : Les effets de l'aberration chromatique sur un condenseur de collimation. Les angles sont exagérés dans le dessin. Pour un condenseur en silicium fondu de F/1,5, à 300 nm, la divergence du rayon marginal (en supposant l'absence d'aberration sphérique) fait seulement 0,33°.

Lentilles achromatiques

Les lentilles achromatiques réduisent les effets de l'aberration chromatique. La plupart ne sont conçus que pour le visible et incluent des éléments maintenus ensemble au moyen d'un ciment optique. Ce ciment ne peut pas supporter les niveaux de flux UV et IR de nos sources à arc haute intensité. Le matériau obscurcit et absorbe la lumière. Si vous avez besoin des performances d'imagerie de ces lentilles, vous devriez collecter la lumière depuis la source à l'aide d'un condenseur standard. Retirez ensuite l'UV et l'IR puis utilisez une lentille de focalisation secondaire et un micro-trou afin de créer une image lumineuse et bien définie à utiliser comme source secondaire. Cette source secondaire peut ensuite être représentée sous forme d'image par l'achromat. Les lentilles d'appareil photo et autres achromats sont d'un intérêt particulier avec des sources de faible intensité ou distantes dans le visible.

Directionnalité lumineuse de la source

Les sources réelles, par ailleurs, n'illuminent pas de manière isotropique. De par leur conception, nos lampes halogènes quartz tungstène possèdent une luminance optimale, normale au plan du filament. Nous avons conçu nos boîtiers de lampes pour que les axes optiques des condenseurs soient dans la direction de la luminance la plus élevée. Notre lampe halogène quartz tungstène 6333 100 W émet environ 3600 lumens. Si cette émission illuminait uniformément dans tout l'espace, notre condenseur F/1,5 ne collecterait que 94 lumens (2,6%). En fait, la lentille collecte environ 140 lumens.

Les miroirs, une autre méthode

Les miroirs incurvés possèdent beaucoup des inconvénients des systèmes de lentilles, comme les problèmes thermiques, le champ de vision limité et l'aberration sphérique. Cependant, certains avantages rendent utiles les systèmes optiques en réflexion pour remplacer les lentilles dans certaines applications de collecte, de focalisation et d'imagerie. Pour cette raison, nous utilisons des miroirs dans nos Illuminateurs de monochromateurs ,7340/1, Illuminateurs Apex , et dans le Boîtier de lampe PhotoMax™ Oriel
Boîtier de lampe PhotoMax™ Oriel
Boîtier de lampe PhotoMax™ Oriel
PhotoMax™.

Pas d'aberration chromatique dans les miroirs

Parce que la réflexion se produit à la surface de ces systèmes optiques, l'indice de réfraction dépendant de la longueur d'onde n'entre pas en ligne de compte. Par conséquent, il n'y a pas de variation dans la manière dont un miroir réfléchie les différentes longueurs d'onde incidentes. Un soin particulier doit être apporté au choix du revêtement réflechissant du miroir car chaque revêtement possède une réflectance spectrale particulière (voir Fig. 6). Toutefois, les miroirs rendent inutile la refocalisation lors de la collecte ou de l'imagerie de sources large bande. De simples réflecteurs sphériques, par exemple des miroirs concaves à surface frontale suffisent comme condenseurs dans de nombreuses applications.

LS-017cFigure 6 : Réflectance d'un réflecteur à surface frontale recouvert de AIMgF2.

Réflecteurs paraboloïdes

Ces réflecteurs collectent la lumière depuis une source au point focal et la réfléchissent sous la forme d'un faisceau collimaté parallèle à l'axe (Fig. 7). Les faisceaux entrants collimatés sont focalisés au point focal. Nos réflecteurs paraboliques hors d'axe sont un segment circulaire d'un côté d'une parabole complete. Le point focal est décalé par rapport à l'axe mécanique, ce qui permet un accès total à la zone de focalisation du réflecteur (Fig. 8). Il n'y a pas de problème d'ombrage si vous placez un détecteur ou une source au point focal. Notez que ces miroirs introduisent des aberrations significatives pour les sources étendues.

LS-018aFigure 7 : Un réflecteur paraboloïde reflète la lumière du point de focalisation dans un faisceau collimaté ou refocalise un faisceau collimaté au point de focalisation.LS-018bFigure 8 : La focalisation d'un réflecteur paraboloïde décalé par rapport à l'axe est décalée par rapport à l'axe mécanique.

Réflecteurs elliptiques

Ces réflecteurs possèdent deux focales de conjugaison. La lumière d'un point de focalisation passe par l'autre après réflexion (Fig. 9). Les ellipsoïdes de révolution entourant une source collectent une part beaucoup plus élevée de la lumière totale émise qu'un miroir sphérique ou un système de lentilles classique. Les rapports d'ouverture de collecte effective sont très petits et la géométrie est bien adaptée à la distribution spatiale de la sortie d'une lampe à arc. Deux ellipsoïdes peuvent confiner presque entièrement une source et une cible lumineuses pour fournir un transfert d'énergie presque total.
Le plus significatif, peut-être, est l'effet ellipsoïde sur l'imagerie des sources étendues. Pour une source ponctuelle pure exactement à un point de focalisation de l'ellipse, la majeure partie de l'énergie est transférée sur l'autre point de focalisation. Malheureusement, chaque source lumineuse réelle, par exemple une lampe à arc, a une étendue finie ; les points de la source ne se trouvant pas exactement au point de focalisation de l'ellipse seront grossis et défocalisés à l'image. La Fig. 10 illustre comment la lumière du point S, provenant du point de focalisation F1, n'est pas représentée à côté de F2, mais s'étend le long de l'axe. A cause de cet effet, les ellipsoïdes sont le plus utile quand ils sont couplés avec une petite source et un système nécessitant beaucoup de lumière sans qu'il soit question d'une représentation de l'image particulièrement appropriée.

LS-018cFigure 9 : Les réflecteurs ellipsoïdes reflètent la lumière d'un premier sur un second point de focalisation, habituellement externe.LS-018dFigure 10 : Section d'un réflecteur ellipsoïde. Les raies a, b et c, montrées dans la moitié supérieure de l'ellipse, proviennent toutes de F1 et passent par F2, le second point de focalisation de l'ellipse. Les raies A, B et C dans la moitié inférieure de l'ellipse sont les traces exactes des raies d'un point proche de F1. Elles touchent l'ellipse à des points équivalents à a, b et c mais ne passent pas par F2. Pour un petit point (image) en F2, vous avez besoin d'une très petite source.

Limitations du concept de nombre d'ouverture

Qualité du faisceau

Le concept de qualité du faisceau mentionné précédemment est l'un des dangers de l'utilisation du nombre d'ouverture comme seule mesure de qualité d'un condenseur ou d'un autre système optique.

La définition dépend de l'application

la figure 11 montre la même lentille à trois distances différentes d'une source. Selon la définition de la figure 1, le nombre d'ouverture de la lentille est f/D mais de toute évidence, la lumière collectée par la même lentille diffère significativement pour chaque position. La description devrait inclure le nombre d'ouverture de collecte et le nombre d'ouverture d'imagerie.
Un seul nombre d'ouverture est parfois défini pour la configuration optique particulière. Nous utilisons f/D pour comparer les condenseurs de collimation. Pour des condenseurs qui ne sont pas au point de focalisation ou d'autres systèmes d'imagerie, nous utilisons le ratio le plus élevé en comparant la distance de l'image sur le diamètre optique et la source (distance de l'objet) sur le diamètre optique. Cette utilisation incorrecte du nombre d'ouverture est relativement légitimée car elle indique le pire cas pour les paramètres d'un système.

LS-019aFigure 11 : Collecte lumineuse par une lentille à trois distances différentes d'une source.

L'optimisation du rendement requiert plus que le nombre d'ouverture

La mise en adéquation du nombre d'ouverture est importante dans un système optique. Par exemple, dans un système utilisant une entrée de fibre optique pour un monochromateur (figures 12a et 12b), la sortie de la fibre optique, caractérisée par une ouverture numérique ou une valeur de nombre d'ouverture devrait être correctement adaptée à l'entrée du monochromateur. La prise en compte du nombre d'ouverture seul ne constitue toutefois pas un moyen simple d'optimisation d'un tel système. Cela est dû à ce que le nombre d'ouverture ne contient pas d'information sur la source, l'image ou la surface du détecteur. Dans l'exemple, l'adaptation du seul nombre d'ouverture ne prend pas en compte le changement qui s'ensuit quant à la luminance de la fente d'entrée au monochromateur. Si le nombre d'ouverture du faisceau depuis la fibre est augmenté pour atteindre le nombre d'ouverture d'acceptance du monochromateur, la taille du faisceau sur la fente augmente et une moindre quantité de lumière pénètre dans le monochromateur. Le concept d'“étendue optique” donne une meilleure idée de ce qu'on peut ou non atteindre.

LS-019bFigure 12 : Entrée fibre optique d'un monochromateur. La simple adaptation du rapport d'ouverture ne garantit pas des performances optimales.

Etendue géométrique, étendue optique et invariant linéaire

Très souvent l'objectif de la conception d'un système optique est d'optimiser la quantité de puissance lumineuse transférée d'une source vers le détecteur. La Fig. 13 montre une source, un système optique et une image. Le système optique est sans aberration et sans ouvertures internes qui limitent le faisceau. L'indice de réfraction possède la valeur 1. En utilisant la théorie optique paraxiale, nous pouvons prouver que :
AsWs = AiWi

mod 5626 geometric a

Où :
As = Surface source
Ai = Surface image
Ws = angle solide sous-tendu à la source par l'ouverture d'entrée du système optique
Wi = angle solide sous-tendu à l'image par l'ouverture de sortie.

LS-019cFigure 13 : Une source, un système optique et une image.

La quantité G = AW est la même pour la source et l'image et pour tout autre plan d'image du système. G est appelé l'étendue géométrique.
Si les surfaces sont des milieux de différents indices de réfraction, n2W, l'étendue optique, remplace G. Si la source possède une luminance L uniforme (ou moyenne), le flux lumineux, qui atteint l'image, (souvent au niveau du détecteur) est :
f = tGL*

mod 5626 geometric b

Où :
t = transmittance (t inclura les pertes de réflexion et les transmittances des composants)

* A nouveau, on suppose un système optique sans aberration. En cas d'aberration, tGL devient une limite supérieure de flux possible : f = tGL.

Le concept d'étendue optique a été largement appliqué, bien que sous un grand nombre d'appellations. Celles-ci incluent l'étendue, la luminosité, la puissance de collecte lumineuse et le rendement. Seule la version dimensionnelle de l'étendue optique fonctionne pour les systèmes symétriques rotationnels et permet de travailler plus facilement. La Fig. 14 définit h1, h2, θ1 et θ2.

mod 5626 geometric c

Pour un indice de réfraction égal, le produit θ1h1 est invariant dans tout un système optique. Le produit possède plusieurs noms dont l'invariant optique, l'invariant Lagrange et l'invariant Smith-Helmoltz. Quand sin θ est substitué à θ, l'équation est appelée “condition des sinus d'Abbe”.
Tout système possède deux valeurs d'un même invariant dimensionnel, un pour chacun des deux plans orthogonaux contenant l'axe optique. Ainsi, pour un instrument comportant des fentes, le plus simple est d'utiliser les plans définis par la largeur et la hauteur de la fente. Dans ce cas, il est important de se souvenir que les deux valeurs d'étendue optique pour les plans orthogonaux sont habituellement différentes car les fentes d'entrée et de sortie sont généralement longues et étroites. Cela complique le choix d'une lentille de couplage pour optimiser le rendement.

LS-020aFigure 14 : Invariant optique.

Importance de l'étendue optique

Pour introduire le concept G, nous avions besoin que le système optique dans la Fig.13 ne possède pas d'ouverture de limitation interne. Cela signifiait que G était déterminé par la surface source et l'angle d'acceptance d'entrée du système optique. Dans ce cas, pour un flux total plus important dans le système depuis une source de taille et de luminance fixes, il était seulement nécessaire d'augmenter G. Cela équivaut à réduire le rapport d'ouverture du condenseur comme indiqué précédemment.
Chaque système optique réel est doté d'éléments qui limitent G. Il peut s'agir de contraintes d'espace ou économiques. Fréquemment, Glim est déterminé par un spectromètre. Dans certaines systèmes, une petite surface de détecteur1 et la contrainte pratique de l'angle solide maximal du faisceau acceptés par le détecteur limitent G. Quand un système utilise la fibre optique, l'angle d'ouverture et d'acceptance de la fibre optique peuvent déterminer Glim

1La modélisation complète d'un système demande de faire attention au bruit du détecteur. Il est souvent associé à la surface du détecteur.

Ce qui limite G fixe le rendement maximum et aucun système optique, aussi astucieux soit-il, ne peut améliorer cette limite.
Le flux radiant traversant le système devient :

mod 5626 optical ext a

f = t GlimL
ou à une longueur d'onde spécifique l:
fl = tl Glim l Ll

mod 5626 optical ext b

(Fréquemment, G peut être considéré comme indépendant de la longueur d'onde).

Optimisation du flux lumineux traversant le système

Dans un premier temps, on regarde à travers le système proposé, au-delà de la source lumineuse et des condenseurs et on recherche le composant qui limite G et, si possible, on le remplace par un composant d'une valeur G supérieure. Une fois fixée définitivement la limite G, on peut sélectionner d'autres composants, pour réduire les coûts (le coût du système optique augmente généralement avec l'ouverture).

Source lumineuse et condenseur

On sélectionne la source et le système optiques de collecte pour :
1. Adapter Glim
Le système optique de collecte devrait avoir une valeur G aussi importante que Glim. Pour des valeurs inférieures, la collecte lumineuse depuis la source limite le transfert de flux total. on peut utiliser une valeur G plus élevée. La collecte de lumière est plus importante mais ne peut passer via le système optique. Si Glim est dû à un spectromètre, la lumière excédentaire sera perdue dans la fente ou dispersée dans le spectromètre, ce qui induit de possibles problèmes de lumière diffuse.
2. Optimiser GlimL
Glim détermine le produit de la surface source et l'angle de collecte. Ils peuvent être échangés dans la limite de la disponibilité de la source et de l'angle de collecte maximal (1,17 sr pour F/0,7 Aspherab®, 0,66 sr pour F/1). Pour une surface source donnée, on obtient plus de lumière dans le système avec une source de radiance (L) plus élevée (voir Tableau 1), (pour la spectroscopie, on utilise la luminance spectrale à la longueur d'onde de travail).
Remarque : les aberrations introduites par les éléments optiques induiront un flux moindre par détérioration de l'image. L'utilisation de systèmes optiques dont l'aberration est corrigée comme Aspherabs® donnent une valeur Glim nettement supérieure.

Tableau 1 : Luminance spectrale moyenne de diverses sources

Type de source Référence Puissance d'alimentation Type source
Puissance d'entrée
Dimensions source nominales
Luminance spectrale moyenne* (W cm-2 sr-1 nm-1)
300 nm 400 nm 500 nm 633 nm
Halogène quartz tungstène 6333 100 W 4,2 x 2,3 0,0015 0,013 0,034 0,065
Arc xénon
Xénon 150 W
0,5 x 2,2
6253 150 W, Xénon 0,5 x 2,2 0,085 0,16 0,21 0,24
Corps noir 3400 K 0,0037 0,03 0,08 0,15
Soleil** 1,4 x 1012 0,75 2,1 2,9 2,2
Laser HeNe 79200 2 mW*** Diamètre 0,63 0 0 0 108****

*Sur la surface nominale. Les petites régions peuvent avoir une luminance supérieure.
**Basé sur la lumière solaire extra-terrestre.
***C'est la puissance de sortie. Habituellement, pour les lampes on calcule la puissance d'entrée et la puissance de sortie pour les lasers.
****Basé sur une largeur de raie de 4 x 10-3 nm.

Exemples d'utilisation des invariants

Grossissement de la source

Parce que θh est invariant, il est facile d'associer la taille de la source et de l'image. La Fig.15 le montre pour une simple lentille de focalisation d'un condenseur et la Fig. 14 pour tout système optique.
La Fig. 1 montre un condenseur collectant et collimatant la lumière depuis une de nos sources. Dans de nombreuses applications, il est pratique d'avoir un chemin collimaté qui est utilisé pour le placement du filtrage du faisceau ou la séparation des composants. Fig.15 montre un chemin collimaté court et une lentille secondaire de focalisation ré-éditant l'image de la source. Parce que θh est invariant, la taille de l'image, h2, sera donnée par la formule :
h2 = h1 θ1/ θ2
A partir de la géométrie :
h2 = h1 f2/ f1 (petits angles supposés)

LS-021aFigure 15 : Lentille secondaire de focalisation ré-éditant l'image de la source.

Monochromateurs et filtres avec une source étendue

Les invariants ont une valeur particulière lors de la conception de systèmes en spectroscopie. Les monochromateurs ont des angles d'acceptance, des hauteurs et des largeurs de fentes définies pour donner la résolution désirée. Ils définissent la valeur de l'étendue optique G, du monochromateur et permettent de comparer différents systèmes et de sélectionner des systèmes optiques de sources lumineuses. La comparaison n'est plus simplement basée sur le nombre d'ouverture du monochromateur. Un monochromateur à faible nombre d'ouverture peut avoir une plus faible étendue optique, c'est-à-dire moins de rendement qu'un monochromateur avec un nombre d'ouverture plus élevé mais qui utilise de plus grandes fentes pour donner la résolution souhaitée. Par exemple, nos monochromateurs 1/8 m et 1/4 m ont approximativement le même rapport d'ouverture mais le monochromateur 1/4 m possède un Glim plus élevé pour la même résolution.
Les avantages d'un filtre optique apparaissent rapidement dans les exemples suivants :

Exemple

Comparons le Filtre bande étroite 56430 avec le monochromateur 77250 1/8 m pour l'isolation d'une largeur de bande de 20 nm à 365 nm depuis une source étendue. Le monochromateur possède un réseau standard de 1200 l/mm.
L'angle d'acceptance de ce filtre pour la largeur de bande de 20 nm fait approximativement 15°. L'angle solide correspondant fait 0,21 sr. Si le support de filtres réduit l'ouverture à 22,9 mm, la surface fait 4,1 cm2 et
Gfil = 0,86 sr cm2Nous devons multiplier ce résultat par la transmittance du filtre de 0,2 pour la comparaison du rendement.
Gfil Tfil = 0,17 sr cm2
L'angle d'acceptance du monochromateur 77250 fait 7,7° et L'angle solide correspondant fait 0,57 sr. Pour une largeur de bande de 20 nm, la largeur de la fente fait 3,16 mm. Comme la hauteur de la fente utilisable fait 12 mm, la surface est de 0,38 cm2, Donc :
Gmono = 0,022 sr cm2
Et
Gmono Tmono = 0,007 sr cm2
L'isolation du filtre optique de 20 nm de cette source étendue fait passer environ 24 fois autant de lumière que le monochromateur. Si la lumière du filtre peut être couplée avec un détecteur, à savoir, si le détecteur ne limite pas le système, le filtre est beaucoup plus efficace.
Ce ratio ne s'applique pas aux petites sources asymétriques comme les arcs de nos lampes à arc. Chaque source doit être examinée individuellement.