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漫反射积分球原理

发布日期:2019-07-01    

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漫反射积分球原理

一、积分球的结构:

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-些精确时测量。

一个完成的积分球测量系统还会有载物台、辅助光源、光源转接器、光纤接收器等。

一般由积分球球体、仪器测量系统、软件系统部分组成。

积分球:按球体直径分,有2.5m/2m/1.5m/1m/0.5m/0.3m等多种规格,不同直径的球体应用场合不一样

仪器测量系统:包含光谱仪、交流电源、直流电源功率计等测量仪器

 

1.积分球光通测量原理理想积分球的条件:

 ①积分球的内表面为一完整的几何球面,半径处处相等

 ②球内壁是中性均匀漫射面,对各种波长的入射光线具有相同的漫反射比。远方积分球内壁涂诗贝仑涂层,漫反射率高达98%

 ③球内没有任何物体,光源也看作只发光而没有实物的抽象光源

2. 积分球组成结构:

 ①内部为空完整球壳,测量时球为封闭状态,不能有漏光。

 ②有电信号输入和光信号输出装置。

 ③有防止光直射入探头的挡屏(采用辅助灯法测量时也可有辅助灯及辅助挡屏)。

 ④有光源/灯具固定装置。

 

二、积分球光通量测量原理

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。


图片2.png

如图光源S直接在球壁任意一点产生的直射照度为,探头M点处的照度设为E。A处面积元dS产生的一次漫射出射度为M=pEA,考虑积分球内壁材料的反射比

由朗伯定律的特性知lds面的光亮度为:LA≈ρE1π

A处dS发生的漫射在M处产生的二次照度为:

                          所以:

整个球面的漫射在M处产生的二次二次照度为:


整个球面的漫射在M处产生的三次照度为:

……

……

M点的前方用挡屏挡住从光源S直射入M点的光线时:

由于反射率与波长有关,故在工程实践中一般令并且以这个作为评价积分球的指标。

由于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。

 

三、积分球的作用

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。

(一)辐射型积分球

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ED固定在积分球内恰当的位置,而且重复性很好。

(二)反射型积分球

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 2500 nm)具有很高的漫反射率(>96 %)。

 

四、积分球测量误差的因数

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。

1.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-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。

2.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,涂层股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。现在常用的一股有硫酸钡、氧化镁、聚四氟乙烯等。

3.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,在定程度上代替屏的作用,从而减小误差。

4.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。

 



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