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一文帶您了解積分球

發布日期: 2023-12-23
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積分球看起來很簡單,該光學設備包括一個中空的球形腔體,內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、開口等可實現不同的應用。

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積分球工作原理:積分球類似于擴散器,保留更多的光線信息,包括光的顏色、強度等,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度是如何分布的)。積分球的內表面是高朗伯特性漫反射材料,這種材料能夠將入射的光線以相同的強度反射到各個方向,從而使得光線在球內經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。

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什么時候選用積分球:通常,當光被發射、反射或透射時,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。

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什么時候選用積分球而不是光譜儀或功率計:

Labsphere銷售和應用工程副總裁Chris Durell解釋說,與傳統的功率計相比,積分球具有幾個主要優勢。“第一種是獨立于空間和角度信息的均勻響應。球體不關心光源的角度輪廓和空間分布,只關心輸入功率。”這對于有角發散的二極管或光纖的測量很有用,因為角發散會影響功率測量的質量。

“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。根據定義,積分球通常會抹去這些空間信息。”

積分球的第二個主要優點是它的衰減特性。具體來說,積分球可以被視為一個均勻衰減器,這意味著它能夠將入射的光線以相同的比例進行衰減或減弱。

這種特性使得積分球在功率測量方面具有一些優勢。首先,傳統的功率計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,因為它對所有光線進行均勻衰減,不會對任何特定光線產生過大的壓力。

然而,需要注意的是,積分球的靈敏度相對于傳統的功率計要低一些。這可能會成為積分球的一個潛在缺點,因為較低的靈敏度可能會影響其對低功率光源的測量準確性。

此外,根據NIST可追溯的標準進行校準也是優化積分球測量性能的重要步驟。通過校準,可以確保積分球的衰減特性和測量結果具有可比較性和可重復性,從而提高測量的準確性和可靠性。

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積分球的應用:

積分球被廣泛應用于照明光源和激光器的光功率測量,以及發光二極管(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生均勻的光場來校準遙感相機。

積分球根據應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,每個應用類別都有其特定的需求和挑戰,需要我們以細微的方式調整和優化積分球以提供最佳的性能。

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

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積分球尺寸的選擇:

積分球也可根據積分球尺寸大小和內部涂層進行分類。積分球內徑尺寸1mm-3m可選,積分球的大小取決于實際應用需求。例如小的積分球可以很好的集成到其他設備中。

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可以確保檢測上升時間不會受到不利影響。這是因為小型積分球的內部表面通常由高反射材料制成,能夠將入射光有效地散射和反射,從而提高了光的收集效率。

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。這樣做的好處是可以更好地適應這些大光源,并減少因光源尺寸過大而對測量結果產生的影響。

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。這是因為在這種情況下,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。為了達到理想的測量效果,需要根據實際應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公司的系統業務部門主管,回復道: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。

大多數球體由輕質鋁制成,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,而這是產生均勻的光分布的關鍵,”佛羅里達州奧蘭多市光電子實驗室的亞歷克斯·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。

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積分球內部涂層的選擇:

在選擇積分球時,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。積分球內部噴涂哪種漫反射涂層,取決于系統使用環境,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商的網站發布內容。

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積分球配置的選擇:

除了考慮積分球尺寸、內部漫反射涂層以外,積分球配置也是選配積分球系統的關鍵且*具挑戰的參數之一。

積分球開口數目和探測器開口數目多少?例如有的積分球設有18個開口端。

是否內部配置擋板,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,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射的設備(4π立體角),也可以測量只向前發射的設備(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,我們為您提供合適的積分球系統定制方案。

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