放射束：総合ガイド

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放射フラックスは、物体が単位時間あたりに放出、反射、透過、または受信する放射エネルギーの量を表す用語です。放射エネルギーは、光、電波、マイクロ波、赤外線、紫外線、X線などの電磁波によって運ばれるエネルギーです。放射フラックスはまた、放射パワーや光学パワー（光の場合）とも呼ばれます。

放射フラックスは、電磁放射の測定と分析を行う科学である放射計測学において重要な概念です。放射フラックスは、光源、検出器、光学部品、システムの性能を特徴付けるために使用することができます。また、放射強度、放射輝度、照度、放射出力、放射性などの他の放射計測量の計算にも使用できます。

この記事では、放射フラックスとは何か、どのように測定および計算されるか、他の放射計測量や光度計測量との関係、そしてその応用例について説明します。

放射フラックスとは？

放射フラックスは、時間に対する放射エネルギーの変化率として定義されます。数学的には、次のように表現できます：

ここで：

Φe はワット (W) での放射フラックス
Qe はジュール (J) での放射エネルギー
t は秒 (s) での時間

放射エネルギーは、表面全体または体積内を通過する電磁波によって転送されるエネルギーの総量です。これは、光源（例えば電球）、反射面（例えば鏡）、媒体（例えば空気やガラス）を通じて伝達され、または物体（例えば太陽電池）によって吸収されます。

放射フラックスは、エネルギーの移動方向によって正または負になることができます。例えば、光源が10 Wの放射フラックスを放出すると、それは毎秒10 Jのエネルギーを失うことを意味します。一方、検出器が10 Wの放射フラックスを受け取ると、それは毎秒10 Jのエネルギーを得ることを意味します。

放射フラックスは、電磁放射の波長または周波数に依存します。異なる波長は異なるエネルギーを持ち、物質と異なる方法で相互作用します。例えば、可視光は赤外線よりも高いエネルギーを持ち、人間の目で見ることができます。紫外線は可視光よりもさらに高いエネルギーを持ち、日焼けや皮膚がんを引き起こす可能性があります。

波長または周波数あたりの放射フラックスは、スペクトルフラックスまたはスペクトルパワーと呼ばれ、λ で波長またはν で周波数を表記します。波長または周波数範囲全体の総放射フラックスは、スペクトルフラックスを積分することで得られます：

ここで：

λ はメートル (m) での波長
ν はヘルツ (Hz) での周波数
λ1 と λ2 は波長範囲の下限と上限
ν1 と ν2 は周波数範囲の下限と上限

放射フラックスはどのように測定されるか？

放射フラックスは、様々な種類の測定器である放射計を使用して測定することができます。放射計は、電磁放射を電気信号に変換する検出器と、その信号を表示または記録する読み取り装置から構成されています。

検出器は、熱効果（例えばサーミスタ）、光電効果（例えばフォトダイオード）、または量子効果（例えばフォトマルチプライヤーチューブ）に基づくことができます。検出器には、感度、応答性、直線性、ダイナミックレンジ、ノイズレベル、スペクトル応答、角度応答、キャリブレーションなどの特性もあります。

読み取り装置はアナログまたはデジタルであり、ワット、ボルト、アンペア、またはカウントなどの異なる単位で測定値を示すことができます。読み取り装置には、表示解像度、精度、正確性、安定性、サンプリングレート、データ保存などの機能もあります。

いくつかの放射計の例は以下の通りです：

ピランメーター：水平面上の太陽と空からの単位面積あたりの放射フラックス（グローバル太陽照射）を測定
ピルヘリオメーター：太陽からの単位面積あたりの放射フラックス（直射日光照射）を太陽に対して垂直な面上で測定
ピルゲオメーター：水平面上の赤外線からの単位面積あたりの放射フラックス（長波照射）を測定
放射計：任意の源または方向からの放射フラックスを測定
スペクトロ放射計：任意の源または方向からの波長または周波数あたりの放射フラックス（スペクトルフラックス）を測定
光度計：任意の源または方向からの人間の目の感度を考慮した放射フラックス（光束）を測定

放射フラックスはどのように計算されるか？

放射フラックスは、源のタイプと幾何学、媒体、および受信機に応じて、様々な式やモデルを使用して計算することができます。いくつかの一般的な式とモデルは以下の通りです：

プランクの法則：与えられた温度での黒体（すべての波長の放射を吸収し放出する理想的な物体）のスペクトルフラックスを計算
ステファン・ボルツマンの法則：与えられた温度での黒体の総放射フラックスを計算
ランベルトの余弦法則：与えられた角度でのランベルト源（すべての方向に等しく放射または反射する理想的な物体）の放射強度（単位立体角あたりの放射フラックス）を計算
逆二乗法則：与えられた距離での点源（単一の点から放射を放出する理想的な物体）の照度（単位面積あたりの放射フラックス）を計算
ビール・ランベルト法則：放射フラックスが吸収媒体を通過する際の減衰（減少）を計算
フレネル方程式：異なる屈折率を持つ2つの媒体の界面で放射フラックスの反射と透過を計算
スネルの法則：放射フラックスが異なる屈折率を持つ媒体から別の媒体へ通過する際の屈折（曲がり）を計算
レイリー散乱：放射フラックスが放射の波長よりも小さい粒子によって散乱（再導）される際の散乱を計算
ミー散乱：放射フラックスが放射の波長と比較して同等または大きい粒子によって散乱される際の散乱を計算

放射フラックスは他の放射計測量や光度計測量とどのように関連しているか？

放射フラックスは、他の放射計測量や光度計測量を導き出すための基本的な放射計測量の一つです。いくつかの他の量は以下の通りです：

放射強度：点源が特定の方向に放出する単位立体角あたりの放射フラックス。SI 単位はワット毎ステラジアン (W/sr)。
放射輝度：表面または体積が特定の方向に放出する単位立体角あたりの投影面積単位の放射フラックス。SI 単位はワット毎ステラジアン毎平方メートル (W/sr/m2)。
照度または放射露光量：表面または体積上に投射される単位面積あたりの放射フラックス。SI 単位はワット毎平方メートル (W/m2) またはジュール毎平方メートル (J/m2)。
放射出力または放射発射：表面または体積が放出する単位面積あたりの放射フラックス。SI 単位はワット毎平方メートル (W/m2)。
放射性：表面の放射出力と反射照度の合計。SI 単位はワット毎平方メートル (W/m2)。

光度計測量は、放射計測量と似ていますが、異なる波長の光に対する人間の目の感度で重み付けされています。重み付け関数は光度効率関数と呼ばれ、555 nm で最大値 683 lm/W を持っています。いくつかの光度計測量は以下の通りです：

光束：光度効率関数によって重み付けされた放射フラックス。SI 単位はルーメン (lm)。
光度：点源が特定の方向に放出する単位立体角あたりの光束。SI 単位はカンデラ (cd)。
輝度：表面または体積が特定の方向に放出する単位立体角あたりの投影面積単位の光束。SI 単位はカンデラ毎平方メートル (cd/m2)。
照度または照度露光量：表面または体積上に投射される単位面積あたりの光束。SI 単位はルクス (lx) またはルーメン秒毎平方メートル (lm·s/m2)。
光出力または光発射：表面または体積が放出する単位面積あたりの光束。SI 単位はルクス (lx)。
光度：表面の光出力と反射照度の合計。SI 単位はルクス (lx)。

放射フラックスの応用例と具体的な例は何ですか？

放射フラックスは、電磁放射に関連する多くの応用や具体例に有用な量です。いくつかの例は以下の通りです：

照明：放射フラックスは、白熱灯、蛍光灯、LED、レーザーなど、異なる種類の光源の出力と効率を測定および比較するために使用することができます。また、室内、屋外、舞台照明など、さまざまな目的の照明システムの設計と最適化にも使用できます。
太陽エネルギー：放射フラックスは、地球表面または太陽電池に到達する太陽放射の量を測定および推定するために使用することができます。また、ソーラーセルやシステムの出力とエネルギーを計算するためにも使用できます。
リモートセンシング：放射フラックスは、温度、組成、植生、汚染、天候、気候などの物体や現象の特性を遠隔で測定および分析するために使用することができます。また、衛星や望遠鏡を使用して地球や他の天体の画像や地図を作成するためにも使用できます。
光通信：放射フラックスは、ファイバーオプティクス、自由空間光通信、無線光通信などの光通信システムの性能と容量を測定および最適化するために使用することができます。また、振幅、周波数、位相などの異なる変調技術を使用して情報を符号化および伝送するためにも使用できます。
レーザー技術：放射フラックスは、レーザービームの出力と品質（パワー、強度、発散、コヒーレンス、偏光、モードなど）を測定および制御するために使用することができます。また、レーザーを使用して切断、溶接、穴あけ、エンGRAVING、印刷、スキャン、手術、ホログラフィー、分光など、様々な効果や現象を作成および操作するためにも使用できます。