积分球的原理|结构|应用

　　积分球是一个内壁涂有白色漫反射材料的空腔球体，又称光度球，光通球等。它能测量LED、COB、模组、光源和灯具的光、色、电的参数。测量参数包括光谱功率分布、辐射通量、光通量、光效、峰值波长、主波长、ZX波长、质心波长、色坐标、色温、显色指数、色纯度、电压、电流、功率等。

　　理想积分球是一个空心的球体，内壁均匀涂布白色的漫反射材料，使整个球壁处处都可以看作是一个余弦漫射面，球壁反射比为ρ，球的半径为R。在球心处悬挂一个光源，其光通量为Φ。

　　如下图所示，在积分球球壁上某个小面积ΔS接收到来自光源的一部分光通量ΔΦ，从这个小面积反射出来的光通量等于ρΔΦ。这时ΔS可以看作是一个余弦发光面，它所发出的光均匀分布在球壁的其他部分，积分球球壁的任何部分的照度是相同的。由于球的面积S=4πR2，所以ΔS反射光之后，产生的diyi次照度为ΔE1=ρΔΦ/S。光源的每一部分光通量ΔΦ，都会同样产生如上述所描述的一部分diyi次照度，总和为E1=ρΦ/S。第二次、第三次、第四次……直到第n次的反射，产生的总照度为E=(ρΦ/S)·ρ/(1-ρ)。由于积分球壁的无限多次反射作用，由各次反射光所叠加的照度正比于光源的总光通量。

　　值得注意的是上述分析得到的叠加照度都是至少经过一次反射之后得到的，而光源直接照射产生的照度不参与整个计算过程，因此需避免直接照射在积分球探头表面，正比关系才成立，故需要积分球探头前增加挡板避免光源直接照射。

　　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GX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。

　　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y

　　积分球又称为光通球，光度球，是一个中空的完整的内壁涂有白色漫反射材料的开腔球体，球壳内壁上开有几个窗孔，用于进光孔和安放光接收器等。积分球内壁上涂有漫反射材料，也就是漫反射材料接近于1的材料，使得球内壁可见光的光谱范围内的光谱反射比都在99%以上。

　　显然，积分球球体肯定是越圆越好，这样就更能保证光线在其内部的每次反射都有不同路径，更易使光均匀。

　　对于积分球球壁上开有2π测量口的球体，当采用4π方法测量时，其开口的挡板比较好的设计方法是挡板和球体有相同的球面度，这样当用挡板封贴在开口处时，挡板和球体可以形成一个完整的球面，对于光线的散射基本不造成影响。

　　显然，有的积分球采用平面挡板封贴于2π开口处，这样就严重破坏了球体的球面度，进而影响光线散射的均匀性。特别是当2π开口比较大时，这种影响就更加明显。

　　正常测量时，积分球球体内部或球壁上需要安装标准灯、辅助灯、温度探头、光纤探头、被测光源等各种部件。为了进行准确测量，这几个部件之间的位置关系需要遵循以下一些基本原则：

　　1、辅助灯、标准灯或被测光源发出的光线都不应该直接照射到光纤探头，否则测量结果会出现重大误差。因为如果光线直接照射到光纤探头，则其没有经过散射均匀化之前就直接被采集，这样其测量结果不能代表整个积分球内表面的照度水平，造成极大的测量误差。为了避免这种情况，通常在光纤探头正前方需要设置挡板。但积分球挡板的大小、位置与形状设计以不影响光线的均匀化为前提，即需要保证光纤探头部位的光照度与其它部分的光照度相同。

　　2、辅助灯、标准灯、被测光源发出的光线不应直接照射到温度探头。通常温度探头对于光线比较敏感，接收光线强度不同，其温度也会不同，这就会引入测量误差，从而使其测量值不能反映积分球体内部的真实温度。通常，我们也可以在探头前部设置挡板，以达到避免光线直射的目的。

　　3、辅助

　　积分球在测量光通量上的使用Z早可以追溯到1890年，并且现在已经成为一个多方面广泛使用的仪器。积分球可用于测试光源的光通量，色温，光效等参数，是辐射度、色度、光度测量中必不可少的仪器。

　　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Z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，将积分球的光输出孔衔接于分光仪的入射光栅前，以确保待测光源射入分光仪的角度皆相同;使得量测的再现性大幅的提高。

　　1、光接收器

　　被测光经积分球上的小孔进入球内，在内壁上设置一个或两个光探测器，由光探测器输出的光电流与积分球内壁的照度成正比。这样就可以根据输出光电流的变化，得知进入积分球的光通量的变化。

　　2、均匀照亮的物面

　　在积分球内壁上与出光孔对称地均匀设置几个灯泡(通常有四个或六个)。由灯泡发出的光经内壁多次漫反射而形成一个均匀明亮的发光球面，该积分球用于照相物镜的渐晕系数和像面照度均匀性测量。

　　3、球形平行光管

　　带有准直物镜、灯泡、和黑、白塞子的积分球称为球形平行光管，它用于测量望远系数的杂光系数。积分球测量时，通过光电探测器分别测得黑体目标像和“白塞子”像的照度，也就是光电探测器分别测得的对应指示值，经过计算即可得到被测望远镜的杂光系数。因为，若望远镜对明亮天空中一个黑体目标的成像不是全黑的，则说明望远镜除对目标成像外，还有杂光射到像面上。

　　在使用积分球进行光通量测量过程中，与普通光源不同，LED光源的光通量测量在的测试准

　　积分球Z早在19世纪90年代就用于光源的光 度测量，很快就在许多方面得到了应用，现在它已 成为辐射度、光度、色度测量中不可缺少的设备。积分球是中空的完整球壳，内壁涂有白色漫反射层，且球壁内各点漫射均勻。球壁上开一个或几个窗孔，用作进光孔和放置光接收器件的接收孔。

　　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。

　　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。但加上遮挡物后回事积分球实际工作状况偏离理想状况。

　　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。

　　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。因此，出射窗口的尺寸和积分球应当有一定的比例关系。工程实践中一般认为，如果要保证出射创辐照度均匀性在1%左右，则出射窗直径Z好不大于球直径的十分之一。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。

　　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

　　积分球是一个空心的球体，内部涂有漫反射涂层，外面一般是碳钢金属结构，侧面开有小孔。测量时，积分球内部放有标准灯、辅助灯、光纤接口等，外接设备包括光谱分析仪、电源、电脑等。

　　1、首先要确定需要的积分球的尺寸：

　　选择多大的积分球Z合适，应根据测量的实际需要作周到的考虑。一般的讲：积分球的直径应是球内安装器件(包括支架)尺寸的二倍以上，倍数越大越好;球壁上开口的总面积越小越好，Zda不超过球总面积的5%;同样开口的积分球直径小的输出信号强，也就是转换效率高，但小球的积分效果要差一些。所以说积分球的尺寸大小选择要适中。

　　2、要确定你需要的积分球的开口数量：

　　一般的讲：测量光源的光通量开1-2个孔;测量样品的反射比、透射比、荧光特性时，积分球开3-4个孔;采用双光路测量时，可以开4个以上的孔。应当注意，开孔多时会影响积分效果，所以一定要根据实际测量需要合理开孔。

　　3、积分球开孔的位置和大小：

　　要根据实际测量需要考虑，一般的讲：要按照设计的光路来确定积分球开孔的位置，应有利于光路调整和固定;开孔的大小要满足光斑以及接收器的使用条件。

　　4、在样品孔和接收器之间加隔板：

　　在输入光束与出光孔之间，通常需要加一个挡屏，积分球隔板的作用就是防止光源的一次光进入接收器，以提高测量的精确度。

　　5、积分球的内壁涂料

　　积分球的关键在于将不均匀的入射光均匀化，因此内壁涂料是影响测量的关键因素，而涂料的选择主要看以下四个方面：

　　①漫反射率：积分球LED灯光的方向性很强，必须经过多次反射，才能使球体内光达到均匀分布，因此要求反射率在95%以上;投射灯的方向性更强，对漫反射率的要求更高。

　　②琅伯特性：琅伯特性是指涂料漫反射性能，好的涂料，不管入射光从哪个角度入射，从任何角度观察，亮度值都是一样的。这种情况下，取样才有意义。

　　③涂料反射率的光谱选择性：光谱反射率指的是