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English| 發(fā)布日期：2019-07-01 |
【關(guān)鍵詞】: 積分球
漫反射積分球原理
一、積分球的結(jié)構(gòu)：
積分球是具有高反射性內(nèi)表面的空心球體。它主要用來對處于球內(nèi)或放在球外并靠近某個窗口處的試樣對光的散射或發(fā)射，或是光源本身發(fā)出的光進行收集的一種高效率器件。能夠用來對材料的光學(xué)反射透射性能，光源的輻射度、亮度或色度等做-些精確時測量。
一個完成的積分球測量系統(tǒng)還會有載物臺、輔助光源、光源轉(zhuǎn)接器、光纖接收器等。
一般由積分球球體、儀器測量系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)等部分組成。
積分球:按球體直徑分，有2.5m/2m/1.5m/1m/0.5m/0.3m等多種規(guī)格，不同直徑的球體應(yīng)用場合不一樣。
儀器測量系統(tǒng):包含光譜儀、交流電源、直流電源功率計等測量儀器。
1.積分球光通測量原理理想積分球的條件:
①積分球的內(nèi)表面為一完整的幾何球面,半徑處處相等。
②球內(nèi)壁是中性均勻漫射面，對各種波長的入射光線具有相同的漫反射比。遠方積分球內(nèi)壁涂詩貝侖涂層，漫反射率高達98%。
③球內(nèi)沒有任何物體，光源也看作只發(fā)光而沒有實物的抽象光源。
2. 積分球組成結(jié)構(gòu):
①內(nèi)部為空完整球殼,測量時球為封閉狀態(tài)，不能有漏光。
②有電信號輸入和光信號輸出裝置。
③有防止光直射入探頭的擋屏(采用輔助燈法測量時也可有輔助燈及輔助擋屏)。
④有光源/燈具固定裝置。
二、積分球光通量測量原理
積分球之基本工作原理如圖所示:光線由輸入孔入射后，光線在此球內(nèi)部被均勻的反射及漫射，因此輸出孔所得到的光線為相當(dāng)均勻之漫射光束。而且入射光之入射角度、空間分布、及極化皆不會對輸出之光束強度及均勻度造成影響。也因為光線經(jīng)過積分球內(nèi)部之積分后才射出，因此積分球亦可當(dāng)作一光強度衰減器。其輸出強度與輸入強度比約為:光輸出孔之面積/積分球內(nèi)部之表面積。
如圖光源S直接在球壁任意一點產(chǎn)生的直射照度為,探頭M點處的照度設(shè)為E。A處面積元dS產(chǎn)生的一次漫射出射度為M=pEA，考慮積分球內(nèi)壁材料的反射比。
由朗伯定律的特性知lds面的光亮度為:LA≈ρE1π
A處dS發(fā)生的漫射在M處產(chǎn)生的二次照度為:
所以：
整個球面的漫射在M處產(chǎn)生的二次二次照度為：
整個球面的漫射在M處產(chǎn)生的三次照度為：
……
……
M點的前方用擋屏擋住從光源S直射入M點的光線時：
由于反射率與波長有關(guān)，故在工程實踐中一般令
并且以這個作為評價積分球的指標(biāo)。
由于積分球內(nèi)壁上的材料為理想漫反射材料，并且不考慮積分球壁上開孔的影響，則積分球內(nèi)壁上的每一個面元都有均勻的輻照度，這也就是為什么積分球可以作為理想漫射光源或是勻光器使用的原因。
三、積分球的作用
一般而言，光學(xué)擴散片在小心地使用狀況下，可降低量測時因偵測器上之入射光源不均勻分布或光束稍微偏移所造成之些微誤差，因而可提高量測之準(zhǔn)確度;但是在更精密的量測時，您就必須使用積分球作為光學(xué)擴散器以使得上述之誤差最小。使用積分球來量測光通量(Lumen)時，可使得量測結(jié)果更為可靠:積分球可降低并除去因光線之形狀、發(fā)散角度、 及偵測器上不同位置之響應(yīng)度差異所造成之量測誤差。
積分球亦可與分光儀搭配，將積分球之光輸出孔銜接于分光儀之入射光柵前，以確保待測光源射入分光儀之角度皆相同:使得量測之精度再現(xiàn)性大幅的提高。
（一）輻射型積分球
輻射型積分球可以用來測量各種光源(如:激光，LED和鹵鎢燈)的輻射量。對于LED測量，有種特殊適配器用于把LED 與AvaSphere-50/80-IRRAD積分球連接。這種適配器能把3mm、5mm和8mm的ED固定在積分球內(nèi)恰當(dāng)?shù)奈恢?，而且重?fù)性很好。
（二）反射型積分球
反射型積分球可以用來測量某表面的總體反射率的，也可以用于顏色測量和熒光光譜學(xué)。測量原理是基于直接照明和間接反射。通過光纖將光源連接到積分球上部與垂直方向成8度角的帶SMA接口的端口上，使積分球成為一個理想的均勻光源。積分球內(nèi)壁由具有高反射率的漫反射材料制成，它可以在很寬的光譜范圍內(nèi)(250 2500 nm)具有很高的漫反射率(>96 %)。
四、積分球測量誤差的因數(shù)
在上面的分析中，我們忽略了積分球內(nèi)壁上材料、積分球內(nèi)部遮擋物和積分球上開口所造成的影響。因而實際使用的積分球之所以具有誤差，主要也就是因為開口、球內(nèi)遮擋物和內(nèi)部漫射材料并非理想造成的。
1.來分析積分球內(nèi)部遮擋物。在測量光源光譜功率分布曲線或是將積分球作為一個滿設(shè)光源使用時，積分球內(nèi)部-般會有遮擋物，目的是為了防止光源或入射光直接從出射口出射出去。但加上遮擋物后積分球?qū)嶋H工作狀況偏離理想狀況。
2.涂層的影響。由于涂層的反射率與波長有關(guān)，因此會造成出射光的光譜特性有一定的變化。特別當(dāng)涂層的反射率很高時，涂層材料光譜反射比的少量變化，都會使得出射輻照度有相當(dāng)大的變化。因此，涂層股需要選用光譜反射比近似平坦且朗伯漫射特性好的材料作為涂層?，F(xiàn)在常用的一股有硫酸鋇、氧化鎂、聚四氟乙烯等。
3.開口的影響。由于實際積分球的工作特性并非理想，因此出射窗口出的輻照度也并非完全均勻。另外，實際工作時由于接收器不可能緊貼積分球內(nèi)壁，因此積分球內(nèi)部分漫射光無法進入接收器，造成誤差。實際中有人在一-定條件下使探測器凹進，使得入射光無法直接進入接收器，在定程度上代替屏的作用，從而減小誤差。
4.積分球大小的影響。在推導(dǎo)中積分球的大小并不影響積分球表面上光照度的均勻性。但由于積分球內(nèi)部光線傳播時必然帶有損失，由平方反比定律可知，積分球越大，出射窗上的光照度將越小。但積分球越大，能有效的減少屏和球內(nèi)其它物體使積分球偏離理想條件的影響，改善積分球出射窗處輻照度的均勻性，從而提高測試精度。
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