Promieniowanie optyczne

Charakterystyki radiacyjne powierzchni

 

 

Promieniowanie a powierzchnia

Promieniowanie optyczne może na powierzchni 
lub w warstwie ośrodka podlegać:



 generacji (emisji) z powierzchni ośrodka



 odbiciu i rozpraszaniu na powierzchni 



 pochłanianiu (absorpcji) przez ośrodek 



 przepuszczaniu przez warstwę ośrodka

 

 

 

Promieniowanie a powierzchnia

emisja

 odbicie i rozpraszanie

absorpcja

przepuszczanie

 

 

Emisja promieniowania z powierzchni

Emisję idealnej powierzchni opisuje :
Prawo Plancka: (monochromatyczna gęstość 
strumienia 

promieniowania m 

cc

 )

Prawo Stefana Boltzmana: (gęstość 
strumienia 
promieniowania – emitancja M

cc

)

Oba prawa dotyczą powierzchni ciała 

doskonale czarnego tzn. ciała które pochłania 

całą padającą na jego powierzchnię energię 

oraz w danej temperaturze emituje 

maksymalną ilość energii

Powierzchnie ciał rzeczywistych zawsze emitują 

mniej  energii niż powierzchnia ciała doskonale 

czarnego pozostającego w tej samej 

temperaturze

 

 

Emisja promieniowania ciała doskonale 

czarnego i emisja z powierzchni 

rzeczywistych

m – monochromatyczna gęstość strumienia promieniowania
M - gęstość strumienia promieniowania (emitancja promienista)


T

 – emisyjność półprzestrzenna całkowita





 – emisyjność półprzestrzenna monochromatyczna

Emisyjność  określa stopień w jakim właściwości promienne 

rzeczywistej powierzchni  przybliżają się do właściwości 

ciała doskonale czarnego

1

0





 

 

Ciała szare

Dla ciała szarego tzn dla każdej długości 

fali monochromatyczna gęstość strumienia  

promieniowania m jest jednakowo osłabiona w 

stosunku do gęstości promieniowania ciała 

doskonale czarnego  m

cc

Ciałem szarym (doskonale szarym) nazywane 

jest ciało, które pochłania określoną 

współczynnikiem absorpcji a część 

promieniowania padającego na to ciało bez 

względu na długość fali padającego 

promieniowania i temperaturę ciała.

Emisja promieniowania

Pochłanianie promieniowania

 

 

Ciało szare II

 

 

Emisja promieniowania a barwa 

powierzchni

 

 

Ciało doskonale czarne

Właściwości:

- pochłania w całości padające promieniowanie 

(całkowity brak odbicia i przepuszczania)

- dla danej temperatury emituje maksimum energii

Techniczne modele ciała doskonale czarnego:

T=con

st

 

 

Emisyjność powierzchni - Przykład

Powierzchnia pieca kaflowego o temperaturze t=55

o

C ma 

emisyjność całkowitą =0.3. Jaka jest gęstość mocy 

promieniowania tej powierzchni?

Ponieważ powierzchnia nie jest powierzchnią ciała doskonale czarnego to :

2

4

/

656

)

273

(

m

W

t

M

cc









2

/

197

3

.

0

656

m

W

M

M

cc









 

 

Kierunek emisji promieniowania z 

powierzchni 

n



Lambertowski (dyfuzyjny) 

rozkład emisji promieniowania

I – natężenie promieniowania





cos

n

I

I 

Prawo 

Lamberta 

(kosinusowe)

 

 

Emisyjności rzeczywistych powierzchni

 

 

Odbicie promieniowania

Odbicie jest to zmiana kierunku rozchodzenia się 
promieniowania na powierzchni będącej granicą dwóch 
ośrodków

 

 

Rodzaje odbić

    dyfuzyjne      zwierciadlane

kierunkowe

rzeczywiste

 

off specular

retro odbicie
współbieżne

 

 

Odbicie dyfuzyjne czyli lambertowskie

(rozproszone)

Jest to odbicie spełniające równanie:





cos

n

I

I 

Lambertowski (dyfuzyjny) 

rozkład odbicia promieniowania

n



I – natężenie promieniowania [W/sr]

 

 

Przyczyna odbicia dyfuzyjnego

O odbiciu dyfuzyjnym decyduje nierówność 

powierzchni, zachodzi ono gdy  << h

Odbicie dyfuzyjne jest 
charakterystyczne dla 

powierzchni 

chropowatych

 

 

Odbicie zwierciadlane

Jest to odbicie spełniające równanie:







pad

odb

I

I



'

Zwierciadlany 

rozkład odbicia promieniowania

n

’



a







'

I – natężenie promieniowania [W/sr]

 

 

Wielkości charakteryzujące odbicie

Odbicie można opisywać przez podanie:



 współczynnika odbicia 



 wskaźnika odbicia R



 funkcji rozkładu odbicia np. BRDF

pad

odb

W

W

k











2

1



wzorzec

odb

odb

id

W

W

k

R

,

,

2

1











pad

odb

pad

odb

dE

dL

dS

d

dL

Z

W

BRDF









1

1

L – luminancja energetyczna [W/m

2

sr]

E – natężenie napromienienia [W/m

2

]

 

 

Współczynniki odbicia

pad

odb

W

W

k











2

1



Dla jego określenia należy podać:



 zakres przestrzenny padającego i odbitego promieniowania



 zakres rozpatrywanych długości fal 

a

b

c

d

e

Przykładowe rodzaje współczynnika odbicia: a –

dwunormalny, b – dwukierunkowy, c – kierunkowo-

półsferyczny, 

d – półsferyczno-kierunkowy, e – bryłowo-

półsferyczny

Co do zakresu  to wyróżnia się:  –całkowite, 

 

- monochromatyczne

 

 

Wskaźnik odbicia

Za wzorzec najczęściej przyjmuje się odbicie dyfuzyjne. 

Wskaźnik informuje na ile rzeczywiste odbicie jest 

zbliżone do idealnego (np. dyfuzyjnego) 

Co do zakresu  to wyróżnia się:  –całkowite, 

 

- monochromatyczne

wzorzec

odb

odb

id

W

W

k

R

,

,

2

1











dyfuz

odb,



odb



 

 

Funkcja rozkładu 

odbicia

Co do zakresu  to wyróżnia się: BRDF – całkowite, BRDF

 

- monochromatyczne

pad

odb

pad

odb

dE

dL

dS

d

dL

Z

W

BRDF









1

1

E

L

 

 

Pochłanianie promieniowania

 

 

Pochłanianie promieniowania

Zjawisko polega na absorpcji (pochłanianiu) energii 
promieniowania w ośrodku. 
Zachodzi bezpośrednio w warstwie podpowierzchniowej 
(ośrodki nieprzeźroczyste) lub w całej objętości (ośrodki 
częściowo przeźroczyste) 

Pochłanianie energetycznie charakteryzuje tzw. współczynnik absorpcji a:

pad

a

a







absorpcja

 – strumień

Co do zakresu  to wyróżnia 

się: 
a–całkowity, 
a

 

- monochromatyczne

 

 

Pochłanianie promieniowania

prawo Lamberta-Beera

Pochłanianie jest proporcjonalne do:



 grubości ośrodka (prawo Lamberta)



 stężenia substancji pochłaniającej (prawo Beera)

mol

c

k

a





l – grubość warstwy
C

mol

 – stężenie substancji pochłaniającej

k – absorpcyjność molowa

al

pad

t

e

I

I





t

pad

a

I

I

I





słuszne dla promieniowania monochromatycznego

 

 

Przepuszczanie promieniowania

 

 

Przepuszczanie promieniowania

Zjawisko polega na przepuszczaniu promieniowania przez 
ośrodek. 

Przepuszczanie energetycznie charakteryzuje tzw.

 współczynnik przepuszczania 



:

pad

t









Co do zakresu  to 

wyróżnia się:  –

całkowite, 


 

- monochromatyczne

Obowiązuje prawo Lamberta-Beera

al

pad

t

e

I

I





 

 

Związki pomiędzy odbiciem, 

pochłanianiem i przepuszczaniem 

promieniowania

Przy braku generacji promieniowania zachodzi oczywista zależność:

1











a

pad

t

a

odb















bo