积分球简介

积分球简介材料科学研究方法积分球是具有高反射性内表面的空心球体。它主要用来对处于球内或放在球外并靠近某个窗口处的试样对光的散射或发射，或是光源本身发出的光进行收集的一种高效率器件。能够用来对材料的光学反射透射性能，光源的辐射度、亮度或色度等做一些精确的测量。积分球的国内外现状现在国内外生产的积分球在外形、大小、形状等大部分参数上相差无几，基本上国外能做到的国内也能生产。唯一有差别的地方在于涂层。下面从结构、涂层、直径大小等几个方面来介绍国内外的积分球。积分球的结构一个完整的积分球测量系统还会有载物台、辅助光源、光源转接器、光纤接口等。积分球的涂层在涂层方面，国内低端的主要为氧化镁(MgO)，硫酸钡(BaSO4)，较高端的则有国产聚四氟乙烯悬浮树脂(F4)。F4代替常用的氧化镁(MgO)，硫酸钡(BaSO4)作积分球涂层，在0.2~2.5微米波长范围内，光谱反射比都高于MgO和BaSO4，且反射比中性好，有利于减小它对积分球非中性的影响。另外，涂层粘性好，不易破裂与起皱，灰尘可以用清洁的毛刷清除，不会损伤涂层。F4涂层不怕潮湿，暴露在紫外光下也不会变黄。根据测光积分球的基本原理，使用F4涂层的积分球可以大大提高积分球的效率，通常为MgO和BaSO4的2~3倍。这有利于低透射、弱反射光信号测量，不仅可以提高测量的灵敏度，而且也大大改善了测量的信噪比。中国计量院、中科院上海技物所等数十家科研、生产等单位已建立了F4测光积分球系统，并显示出新型测光积分球的许多优点。在国外，则针对不同情况有各式各样的涂层。如需防水、防潮、耐腐蚀则有Duraflect；工作于近、中红外波段可以使用Infragold；同时工作于紫外、可见光、近红外波段则有Spectralon，并且具有很高的反射率。积分球的大小在大小方面，国内外差距不大。国内积分球可达到的大小有：直径80、100、150mm的积分球适用于LED、激光、LED（LCD）发光模块、发光屏等的光色测试；直径300mm积分球，专用于LED的光色测试，可配合LED专用测试夹具；直径500mm积分球，适合于大功率LED，迷你泡，珠泡等光源的光色测试；直径1000mm的积分球，用于节能灯，环形灯，白炽灯，冷阴极灯，卤钨灯等光源光色测试；直径1500，1750mm积分球，用于大功率节能灯，环形灯，白炽灯，卤钨灯，冷阴极灯，直管荧光灯，HID灯等光源光色测试；直径2000mm，2500mm的积分球，用于大功率节能灯、直管荧光灯、HID灯、无极灯等光源光色测试；直径3000mm的积分球用于大功率直管荧光灯，HID灯等光源光色测试。积分球的原理积分球之基本工作原理如图所示；光线由输入孔入射后，光线在此球内部被均匀的反射及漫射，因此输出孔所得到的光线为相当均匀之漫射光束。而且入射光之入射角度、空间分布、及极化皆不会对输出之光束强度及均匀度造成影响。也因为光线经过积分球内部之积分后才射出，因此积分球亦可当作一光强度衰减器。其输出强度与输入强度比约为：光输出孔之面积/积分球内部之表面积。积分球的基本工作原理积分球的原理积分球一般作为一个理想的漫射光源或是匀光器来使用，从而消除由于光源自身特性而造成的出射光束不均匀或者带有偏振方向。积分球之所以有这种特性，主要是由于入射光在积分球内部发生多次漫反射造成的。在积分球中心为一光源，设光源的辐射通量为Φ，在积分球内某一表面A上的辐照度值为，则A表面的辐亮度为AEAAEL若考虑上积分球内壁材料的反射比ρ，则公式变为dAdELAA此时A即可作为积分球内新的一点光源进行处理，并且可视为朗伯光源。那么积分球内另一点B上的辐照度为1BE22211444RRdRdALdEEAABB但此时B上的辐照度不止由A点提供，还包括A点照射到积分球内其他点，再由其他点部分漫反射到B的二次漫反射。此时若忽略积分球表面上的开孔和积分球内部的遮挡物，则同理运用前面公式可以得到二次漫反射的辐照度为2224REB22141REEEBBB同理还可以得到三次、四次、多次漫反射对B点的辐照度贡献。因此B点最终的辐照度为其中由于反射率ρ与波长λ有关，故在工程实践中一般令)(1)()(并且以这个作为评价积分球的指标。从上式可以看出，如果积分球内壁上的材料为理想漫反射材料，并且不考虑积分球壁上开孔的影响，则积分球内壁上的每一个面元都有均匀的辐照度，这也就是为什么积分球可以作为理想漫射光源或是匀光器使用的原因。使用积分球的原因一般而言，光学扩散片在小心地使用状况下，可降低量测时因侦测器上之入射光源不均匀分布或光束稍微偏移所造成之些微误差，因而可提高量测之准确度；但是在更精密的量测时，您就必须使用积分球作为光学扩散器以使得上述之误差最小。使用积分球来量测光通量(Lumen)时，可使得量测结果更为可靠；积分球可降低并除去因光线之形状、发散角度、及侦测器上不同位置之响应度差异所造成之量测误差。积分球亦可与分光仪搭配，将积分球之光输出孔衔接于分光仪之入射光栅前，以确保待测光源射入分光仪之角度皆相同；使得量测之精度再现性大幅的提高。积分球的辅助光源直接固定于积分球球壁上,用来补偿当待测物置入积分球内部时,待测物本身所吸收的光谱曲线,一般辅助光源为10瓦之卤素灯泡,须注意进行补偿校正时,辅助光源之光线不可直接照射到待测物。积分球的设计在积分球的设计中，主要设计的是开孔的位置，积分球内光源的放置位置，遮蔽屏如何设置。积分球的典型设计假设光源放置于积分球外，则积分球上开有两个孔。一个作为入射窗，一个为出射窗。入射窗与出射窗的直径大小不超过积分球直径大小的1/10。在入射窗和出射窗之间放置有遮蔽屏，遮蔽屏上涂有与积分球内部相同的材料，用来防止入射窗的光未经漫反射直接出射。出射窗加装可变光阑，当入射光信号较小时，光阑可以调大，用以增大信噪比；当入射光信号较大时，光阑可以调小，防止能量太大使得接收器损坏。最终设计如图所示。积分球设计积分球的测量误差及原因在上面的分析中，我们忽略了积分球内壁上材料、积分球内部遮挡物和积分球上开口所造成的影响。因而实际使用的积分球之所以具有误差，主要也就是因为开口、球内遮挡物和内部漫射材料并非理想造成的。首先来分析积分球内部遮挡物。在测量光源光谱功率分布曲线或是将积分球作为一个满设光源使用时，积分球内部一般会有遮挡物，目的是为了防止光源或入射光直接从出射口出射出去。但加上遮挡物后积分球实际工作状况偏离理想状况。再次是开口的影响。由于实际积分球的工作特性并非理想，因此出射窗口出的辐照度也并非完全均匀。另外，实际工作时由于接收器不可能紧贴积分球内壁，因此积分球内部分漫射光无法进入接收器，造成误差。实际中有人在一定条件下使探测器凹进，使得入射光无法直接进入接收器，在一定程度上代替屏的作用，从而减小误差。其次是涂层的影响。由于涂层的反射率与波长有关，因此会造成出射光的光谱特性有一定的变化。特别当涂层的反射率很高时，涂层材料光谱反射比的少量变化，都会使得出射辐照度有相当大的变化。因此，涂层一般需要选用光谱反射比近似平坦且朗伯漫射特性好的材料作为涂层。现在常用的一般有硫酸钡、氧化镁、聚四氟乙烯等。最后是积分球大小的影响。在推导中积分球的大小并不影响积分球表面上光照度的均匀性。但由于积分球内部光线传播时必然带有损失，由平方反比定律可知，积分球越大，出射窗上的光照度将越小。但积分球越大，能有效的减少屏和球内其它物体使积分球偏离理想条件的影响，改善积分球出射窗处辐照度的均匀性，从而提高测试精度。积分球的作用辐射型积分球可以用来测量各种光源（如：激光，LED和卤钨灯）的辐射量。对于LED测量，有一种特殊适配器用于把LED与AvaSphere-50/80-IRRAD积分球连接。这种适配器能把3mm、5mm和8mm的LED固定在积分球内恰当的位置，而且重复性很好。辐射型积分球反射型积分球可以用来测量某表面的总体反射率的，也可以用于颜色测量和荧光光谱学。测量原理是基于直接照明和间接反射。通过光纤将光源连接到积分球上部与垂直方向成8度角的带SMA接口的端口上，使积分球成为一个理想的均匀光源。积分球内壁由具有高反射率的漫反射材料制成，它可以在很宽的光谱范围内（250-2500nm）具有很高的漫反射率（96%）。反射型积分球积分球内部实物图积分球测试报告积分球的测试操作1、开启电脑，待电脑进入系统后，开启光谱分析系统仪器；然后再开启智能变频交流电源（测直流则开启WY系列精密数显直流稳流稳压电源，主机后面至积分球电源线也应做相应改动）。2、进入软件之后点击系统设置（每次换电源必需步骤），按照该机设置通讯口应设为com4，电参数通讯设为制动，功率计类型设为TYPE8BITS(仅交流)或者WY（9BETS）(仅直流)，功率计通讯口设为com3,设置完以上步骤后点击确定保存数据。3、选择正确的灯座，将待测LED灯具安装至积分球内，点亮20分钟左右待其光源稳定。4、点击软件中的文件新建PMS光谱分析测试，再点击电光源测试单击确定，系统进入自动状态，对LED灯具进行光谱分析，3分钟左右系统报告自动弹出。5、关机前务必先将球内灯具断电然后按开机的放顺序依次关闭机器。谢谢大家！