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如何选购积分球
2024.06.10   点击76次

积分球看起来很简单:该光学设备包括一个中空的球形腔体,内部涂有特殊的高反射朗伯涂层,用于均匀散射和漫射入射光。积分球设有入口和出口。

通过变换积分球的配置,如光源、配件、开口等可实现不同的应用。

积分球的工作原理是什么?

积分球类似于扩散器,保留更多的光线信息,包括光的颜色、强度等,忽略了空间信息(无法告诉我们在球体表面的不同位置上光的强度是如何分布的)。积分球的内表面是高朗伯特性漫反射材料,这种材料能够将入射的光线以相同的强度反射到各个方向,从而使得光线在球内经过多次反射和散射后,能够均匀地分布,减少光线原始方向的影响。

什么时候用到积分球?

Avian Technologies公司总裁阿特·斯普林斯汀(Art Springsteen)说:“通常,当光被发射、反射或透射时,人们想要捕捉到尽可能多的光,就会使用积分球。”对于漫反射,透射率和散射测量光谱(如浊度),积分球是非常好的选择。积分球也用于测量总光通量和总光谱辐射。

什么时候选用积分球而不是光谱仪或功率计?

Labsphere销售和应用工程副总裁Chris Durell解释说,与传统的功率计相比,积分球具有几个主要优势。“第一种是独立于空间和角度信息的均匀响应。球体不关心光源的角度轮廓和空间分布,只关心输入功率。”这对于有角发散的二极管或光纤的测量很有用,因为角发散会影响功率测量的质量。

“另一方面,”Durell说,“如果你想要光束轮廓和角度信息,那么就使用光束轮廓仪或角度计。根据定义,积分球通常会抹去这些空间信息。”

积分球的第二个主要优点是它的衰减特性。具体来说,积分球可以被视为一个均匀衰减器,这意味着它能够将入射的光线以相同的比例进行衰减或减弱。

这种特性使得积分球在功率测量方面具有一些优势。首先,传统的功率计可能会被光源的功率水平损坏,而积分球则可以避免这种情况,因为它对所有光线进行均匀衰减,不会对任何特定光线产生过大的压力。

然而,需要注意的是,积分球的灵敏度相对于传统的功率计要低一些。这可能会成为积分球的一个潜在缺点,因为较低的灵敏度可能会影响其对低功率光源的测量准确性。

此外,根据NIST可追溯的标准进行校准也是优化积分球测量性能的重要步骤。通过校准,可以确保积分球的衰减特性和测量结果具有可比较性和可重复性,从而提高测量的准确性和可靠性。

积分球的应用

积分球被广泛应用于照明光源和激光器的光功率测量,以及发光二极管(led)的光谱和光谱功率密度测量。也用于测量样品的反射率和透射率。此外积分球还可以用来产生均匀的光场来校准遥感相机。

积分球根据应用可分为四个基本类别:均匀光源、灯具或光源测量、反射率和透射率测量以及激光功率测量。确实,每个应用类别都有其特定的需求和挑战,需要我们以细微的方式调整和优化积分球以提供最佳的性能。

积分球在许多领域都有广泛的应用,其中最常见的两种应用是作为测量灯具总通量的测量工具和作为校准其他仪器的均匀光源。在这些应用中,积分球的用途特别广泛,能够集成来自狭窄准直光束的光源,如激光,或来自全向光源,如白炽灯泡或荧光灯。

积分球尺寸选择

积分球也可根据积分球尺寸大小和内部涂层进行分类。积分球内径尺寸1mm-3m可选,积分球的大小取决于实际应用需求。例如小的积分球可以很好的集成到其他设备中。

在快脉冲激光功率测量的情况下,使用小型积分球和探测器确实可以确保检测上升时间不会受到不利影响。这是因为小型积分球的内部表面通常由高反射材料制成,能够将入射光有效地散射和反射,从而提高了光的收集效率。

对于非常大的多向光源,如高压钠灯或长荧光灯管,由于这些光源的尺寸较大,可能需要直径大于1米的积分球来安装并将灯置于球体内。这样做的好处是可以更好地适应这些大光源,并减少因光源尺寸过大而对测量结果产生的影响。

如果积分球被用作光源以提供大而均匀的出光面,那么也可能需要大直径的积分球。这是因为在这种情况下,积分球的尺寸将直接影响到光的散射和反射效果,以及光场的均匀性。为了达到理想的测量效果,需要根据实际应用场景选择合适的积分球直径。

Greg McKee是美国第一家制造积分球的Labsphere公司的系统业务部门主管,回复道:决定积分球最小尺寸的几个主要因素:要测量的灯的物理尺寸(为挡板留出空间)、灯的自吸收性和积分球内部温度。灯具安装硬件也必须能足够安装在里面。另一方面,积分球不能太大,否则它的响应性是有限的:理想的直径是小灯最大尺寸的十倍,或者是被测量的长灯长度的两倍。实际上,1到3米的积分球用于最常见的白炽灯和紧凑型荧光灯的光通量测量。2米或更大的球体通常用于测量500瓦或更大的光源。

大多数球体由轻质铝制成,但也有使用其他材料,如钢、塑料和玻璃纤维。“很难使球体在物理上均匀,而这是产生均匀的光分布的关键,”佛罗里达州奥兰多市光电子实验室的亚历克斯·方说。铝也是连接两半或四分之一球体并管理密封/接缝最简单的材料。“人们曾尝试过只粉刷一个大房间作为积分球,但铝是迄今为止非常好的材料。

涂层

在选择积分球时,漫反射涂层的选择非常重要,漫反射涂层或材料的反射率——越高越好。“更高的反射率意味着光在被吸收之前在球体内有更多的反射,”Labsphere销售和营销副总裁Peter Weitzman说,“因此集成度更好,测量精度也更好。”

漫反射涂料喷涂方式通常包括喷雾式或粉末式。积分球内部喷涂哪种漫反射涂层,取决于系统使用环境,以及使用积分球测试的波段范围。

针对极端条件或者小积分球,烧结聚四氟乙烯(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、极端物理和真空中。

典型的硫酸钡涂层,尽管也可在近紫外和红外使用,但主要用于可见光波段范围。

镀金漫反射涂层主要应用于NIR-MIR波段范围。

每种漫反射涂层的最佳使用波段范围和概述详见生产商的网站发布内容。

配置

除了考虑积分球尺寸、内部漫反射涂层以外,积分球配置也是选配积分球系统的关键且极具挑战的参数之一。

积分球开口数目和探测器开口数目多少?例如有的积分球设有18个开口端。

是否内部配置挡板,如果需要,挡板尺寸多大?

挡板防止直接光源的光饱和或损坏探测器,必须尽可能小,以减少阴影。在高发散激光二极管测量中,可以消除挡板,并且探测器移动到靠近入口端口的位置,以消除第一个光热点,并最大限度地减少饱和或损坏光电二极管的可能性。


图3

此外,明确您要测量单位(功率W,辐照度W/m2,或光通量流明),以及积分球的几何形状,无论是全积分球4π立体角还是半积分球2π(见图3)。“一个完整的积分球可以测量所有方向发射的设备(4π立体角),也可以测量只向前发射的设备(2π),”Weitzman说。“半积分球通常只用于2π测量。”

本文参考:PRODUCT FOCUS: INTEGRATING SPHERES: How to select an integrating sphere for your application | Laser Focus World(Url:https://www.laserfocusworld.com/test-measurement/test-measurement/article/16567486/product-focus-integrating-spheres-how-to-select-an-integrating-sphere-for-your-application

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