一文帶您了解積分球

積分球看起來(lái)很簡(jiǎn)單，該光學(xué)設(shè)備包括一個(gè)中空的球形腔體，內(nèi)部涂有特殊的高反射朗伯涂層，用于均勻散射和漫射入射光。積分球設(shè)有入口和出口。

通過(guò)變換積分球的配置，如光源、配件、開(kāi)口等可實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用。

積分球工作原理：積分球類(lèi)似于擴(kuò)散器，保留更多的光線(xiàn)信息，包括光的顏色、強(qiáng)度等，忽略了空間信息（無(wú)法告訴我們?cè)谇蝮w表面的不同位置上光的強(qiáng)度是如何分布的）。積分球的內(nèi)表面是高朗伯特性漫反射材料，這種材料能夠?qū)⑷肷涞墓饩€(xiàn)以相同的強(qiáng)度反射到各個(gè)方向，從而使得光線(xiàn)在球內(nèi)經(jīng)過(guò)多次反射和散射后，能夠均勻地分布，減少光線(xiàn)原始方向的影響。

什么時(shí)候選用積分球：通常，當(dāng)光被發(fā)射、反射或透射時(shí)，人們想要捕捉到盡可能多的光，就會(huì)使用積分球。對(duì)于漫反射，透射率和散射測(cè)量光譜(如濁度)，積分球是非常好的選擇。積分球也用于測(cè)量總光通量和總光譜輻射。

什么時(shí)候選用積分球而不是光譜儀或功率計(jì)：

Labsphere銷(xiāo)售和應(yīng)用工程副總裁Chris Durell解釋說(shuō)，與傳統(tǒng)的功率計(jì)相比，積分球具有幾個(gè)主要優(yōu)勢(shì)。“第一種是獨(dú)立于空間和角度信息的均勻響應(yīng)。球體不關(guān)心光源的角度輪廓和空間分布，只關(guān)心輸入功率。”這對(duì)于有角發(fā)散的二極管或光纖的測(cè)量很有用，因?yàn)榻前l(fā)散會(huì)影響功率測(cè)量的質(zhì)量。

“另一方面，”Durell說(shuō)，“如果你想要光束輪廓和角度信息，那么就使用光束輪廓儀或角度計(jì)。根據(jù)定義，積分球通常會(huì)抹去這些空間信息。”

積分球的第二個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是它的衰減特性。具體來(lái)說(shuō)，積分球可以被視為一個(gè)均勻衰減器，這意味著它能夠?qū)⑷肷涞墓饩€(xiàn)以相同的比例進(jìn)行衰減或減弱。

這種特性使得積分球在功率測(cè)量方面具有一些優(yōu)勢(shì)。首先，傳統(tǒng)的功率計(jì)可能會(huì)被光源的功率水平損壞，而積分球則可以避免這種情況，因?yàn)樗鼘?duì)所有光線(xiàn)進(jìn)行均勻衰減，不會(huì)對(duì)任何特定光線(xiàn)產(chǎn)生過(guò)大的壓力。

然而，需要注意的是，積分球的靈敏度相對(duì)于傳統(tǒng)的功率計(jì)要低一些。這可能會(huì)成為積分球的一個(gè)潛在缺點(diǎn)，因?yàn)檩^低的靈敏度可能會(huì)影響其對(duì)低功率光源的測(cè)量準(zhǔn)確性。

此外，根據(jù)NIST可追溯的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)也是優(yōu)化積分球測(cè)量性能的重要步驟。通過(guò)校準(zhǔn)，可以確保積分球的衰減特性和測(cè)量結(jié)果具有可比較性和可重復(fù)性，從而提高測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。

積分球的應(yīng)用：

積分球被廣泛應(yīng)用于照明光源和激光器的光功率測(cè)量，以及發(fā)光二極管(led)的光譜和光譜功率密度測(cè)量。也用于測(cè)量樣品的反射率和透射率。此外積分球還可以用來(lái)產(chǎn)生均勻的光場(chǎng)來(lái)校準(zhǔn)遙感相機(jī)。

積分球根據(jù)應(yīng)用可分為四個(gè)基本類(lèi)別:均勻光源、燈具或光源測(cè)量、反射率和透射率測(cè)量以及激光功率測(cè)量。確實(shí)，每個(gè)應(yīng)用類(lèi)別都有其特定的需求和挑戰(zhàn)，需要我們以細(xì)微的方式調(diào)整和優(yōu)化積分球以提供最佳的性能。

積分球在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，其中最常見(jiàn)的兩種應(yīng)用是作為測(cè)量燈具總通量的測(cè)量工具和作為校準(zhǔn)其他儀器的均勻光源。在這些應(yīng)用中，積分球的用途特別廣泛，能夠集成來(lái)自狹窄準(zhǔn)直光束的光源，如激光，或來(lái)自全向光源，如白熾燈泡或熒光燈。

積分球尺寸的選擇：

積分球也可根據(jù)積分球尺寸大小和內(nèi)部涂層進(jìn)行分類(lèi)。積分球內(nèi)徑尺寸1mm-3m可選，積分球的大小取決于實(shí)際應(yīng)用需求。例如小的積分球可以很好的集成到其他設(shè)備中。

在快脈沖激光功率測(cè)量的情況下，使用小型積分球和探測(cè)器確實(shí)可以確保檢測(cè)上升時(shí)間不會(huì)受到不利影響。這是因?yàn)樾⌒头e分球的內(nèi)部表面通常由高反射材料制成，能夠?qū)⑷肷涔庥行У厣⑸浜头瓷?，從而提高了光的收集效率?/span>

對(duì)于非常大的多向光源，如高壓鈉燈或長(zhǎng)熒光燈管，由于這些光源的尺寸較大，可能需要直徑大于1米的積分球來(lái)安裝并將燈置于球體內(nèi)。這樣做的好處是可以更好地適應(yīng)這些大光源，并減少因光源尺寸過(guò)大而對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的影響。

如果積分球被用作光源以提供大而均勻的出光面，那么也可能需要大直徑的積分球。這是因?yàn)樵谶@種情況下，積分球的尺寸將直接影響到光的散射和反射效果，以及光場(chǎng)的均勻性。為了達(dá)到理想的測(cè)量效果，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的積分球直徑。

Greg McKee是美國(guó)***制造積分球的Labsphere公司的系統(tǒng)業(yè)務(wù)部門(mén)主管，回復(fù)道：決定積分球最小尺寸的幾個(gè)主要因素:要測(cè)量的燈的物理尺寸(為擋板留出空間)、燈的自吸收性和積分球內(nèi)部溫度。燈具安裝硬件也必須能足夠安裝在里面。另一方面，積分球不能太大，否則它的響應(yīng)性是有限的:理想的直徑是小燈最大尺寸的十倍，或者是被測(cè)量的長(zhǎng)燈長(zhǎng)度的兩倍。實(shí)際上，1到3米的積分球用于最常見(jiàn)的白熾燈和緊湊型熒光燈的光通量測(cè)量。2米或更大的球體通常用于測(cè)量500瓦或更大的光源。

大多數(shù)球體由輕質(zhì)鋁制成，但也有使用其他材料，如鋼、塑料和玻璃纖維。“很難使球體在物理上均勻，而這是產(chǎn)生均勻的光分布的關(guān)鍵，”佛羅里達(dá)州奧蘭多市光電子實(shí)驗(yàn)室的亞歷克斯·方說(shuō)。鋁也是連接兩半或四分之一球體并管理密封/接縫*簡(jiǎn)單的材料。“人們?cè)鴩L試過(guò)只粉刷一個(gè)大房間作為積分球，但鋁是迄今為止非常好的材料。

積分球內(nèi)部涂層的選擇：

在選擇積分球時(shí)，漫反射涂層的選擇非常重要，漫反射涂層或材料的反射率——越高越好。“更高的反射率意味著光在被吸收之前在球體內(nèi)有更多的反射，”Labsphere銷(xiāo)售和營(yíng)銷(xiāo)副總裁Peter Weitzman說(shuō)，“因此集成度更好，測(cè)量精度也更好。”

漫反射涂料噴涂方式通常包括噴霧式或粉末式。積分球內(nèi)部噴涂哪種漫反射涂層，取決于系統(tǒng)使用環(huán)境，以及使用積分球測(cè)試的波段范圍。

針對(duì)極l端條件或者小積分球，燒結(jié)聚四氟乙烯(PTFE或Teflon)提供非常好的性能。例如Labsphere的Spectralon EPV漫反射材料可用于深紫外、極l端物理和真空中。

典型的硫酸鋇涂層，盡管也可在近紫外和紅外使用，但主要用于可見(jiàn)光波段范圍。

鍍金漫反射涂層主要應(yīng)用于NIR-MIR波段范圍。

每種漫反射涂層的最佳使用波段范圍和概述詳見(jiàn)生產(chǎn)商的網(wǎng)站發(fā)布內(nèi)容。

積分球配置的選擇：

除了考慮積分球尺寸、內(nèi)部漫反射涂層以外，積分球配置也是選配積分球系統(tǒng)的關(guān)鍵且*具挑戰(zhàn)的參數(shù)之一。

積分球開(kāi)口數(shù)目和探測(cè)器開(kāi)口數(shù)目多少？例如有的積分球設(shè)有18個(gè)開(kāi)口端。

是否內(nèi)部配置擋板，如果需要，擋板尺寸多大？

擋板防止直接光源的光飽和或損壞探測(cè)器，必須盡可能小，以減少陰影。在高發(fā)散激光二極管測(cè)量中，可以消除擋板，并且探測(cè)器移動(dòng)到靠近入口端口的位置，以消除第一個(gè)光熱點(diǎn)，并最大限度地減少飽和或損壞光電二極管的可能性。

此外，明確您要測(cè)量單位(功率W，輻照度W/m2，或光通量流明)，以及積分球的幾何形狀，無(wú)論是全積分球4π立體角還是半積分球2π(見(jiàn)圖3)。“一個(gè)完整的積分球可以測(cè)量所有方向發(fā)射的設(shè)備(4π立體角)，也可以測(cè)量只向前發(fā)射的設(shè)備(2π)，”Weitzman說(shuō)。“半積分球通常只用于2π測(cè)量。”選購(gòu)合適積分球，歡迎您咨詢(xún)Labsphere,我們?yōu)槟峁┖线m的積分球系統(tǒng)定制方案。