積分球看起來很簡單,該光學(xué)設(shè)備包括一個中空的球形腔體,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。
通過變換積分球的配置,如光源、配件、開口等可實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用。
積分球工作原理:積分球類似于擴(kuò)散器,保留更多的光線信息,包括光的顏色、強(qiáng)度等,忽略了空間信息(無法告訴我們在球體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€以相同的強(qiáng)度反射到各個方向,從而使得光線在球內(nèi)經(jīng)過多次反射和散射后,能夠均勻地分布,減少光線原始方向的影響。
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,就會使用積分球。對于漫反射,透射率和散射測量光譜(如濁度),積分球是非常好的選擇。積分球也用于測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銷售和應(yīng)用工程副總裁Chris Durell解釋說,與傳統(tǒng)的功率計(jì)相比,積分球具有幾個主要優(yōu)勢。“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。”這對于有角發(fā)散的二極管或光纖的測量很有用,因?yàn)榻前l(fā)散會影響功率測量的質(zhì)量。
“另一方面,”Durell說,“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,積分球通常會抹去這些空間信息。”
積分球的第二個主要優(yōu)點(diǎn)是它的衰減特性。具體來說,積分球可以被視為一個均勻衰減器,這意味著它能夠?qū)⑷肷涞墓饩€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量方面具有一些優(yōu)勢。首先,傳統(tǒng)的功率計(jì)可能會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λ泄饩€進(jìn)行均勻衰減,不會對任何特定光線產(chǎn)生過大的壓力。
然而,需要注意的是,積分球的靈敏度相對于傳統(tǒng)的功率計(jì)要低一些。這可能會成為積分球的一個潛在缺點(diǎn),因?yàn)檩^低的靈敏度可能會影響其對低功率光源的測量準(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)化積分球測量性能的重要步驟。通過校準(zhǔn),可以確保積分球的衰減特性和測量結(jié)果具有可比較性和可重復(fù)性,從而提高測量的準(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量,以及發(fā)光二極管(led)的光譜和光譜功率密度測量。也用于測量樣品的反射率和透射率。此外積分球還可以用來產(chǎn)生均勻的光場來校準(zhǔn)遙感相機(jī)。
積分球根據(jù)應(yīng)用可分為四個基本類別:均勻光源、燈具或光源測量、反射率和透射率測量以及激光功率測量。確實(shí),每個應(yīng)用類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,其中最常見的兩種應(yīng)用是作為測量燈具總通量的測量工具和作為校準(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,能夠集成來自狹窄準(zhǔn)直光束的光源,如激光,或來自全向光源,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。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量的情況下,使用小型積分球和探測器確實(shí)可以確保檢測上升時(shí)間不會受到不利影響。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>
對于非常大的多向光源,如高壓鈉燈或長熒光燈管,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大而對測量結(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,以及光場的均勻性。為了達(dá)到理想的測量效果,需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景選擇合適的積分球直徑。
Greg McKee是美國***制造積分球的Labsphere公司的系統(tǒng)業(yè)務(wù)部門主管,回復(fù)道:決定積分球最小尺寸的幾個主要因素:要測量的燈的物理尺寸(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,或者是被測量的長燈長度的兩倍。實(shí)際上,1到3米的積分球用于最常見的白熾燈和緊湊型熒光燈的光通量測量。2米或更大的球體通常用于測量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。鋁也是連接兩半或四分之一球體并管理密封/接縫*簡單的材料。“人們曾嘗試過只粉刷一個大房間作為積分球,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銷售和營銷副總裁Peter Weitzman說,“因此集成度更好,測量精度也更好。”
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,以及使用積分球測試的波段范圍。
針對極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。
積分球開口數(shù)目和探測器開口數(shù)目多少?例如有的積分球設(shè)有18個開口端。
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器,必須盡可能小,以減少陰影。在高發(fā)散激光二極管測量中,可以消除擋板,并且探測器移動到靠近入口端口的位置,以消除第一個光熱點(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,無論是全積分球4π立體角還是半積分球2π(見圖3)。“一個完整的積分球可以測量所有方向發(fā)射的設(shè)備(4π立體角),也可以測量只向前發(fā)射的設(shè)備(2π),”Weitzman說。“半積分球通常只用于2π測量。”選購合適積分球,歡迎您咨詢Labsphere,我們?yōu)槟峁┖线m的積分球系統(tǒng)定制方案。