積分(fēn)球看起來很(hěn)簡單:該光學(xué)設備包括一個中(zhōng)空的球形腔體(tǐ)，内部塗有(yǒu)特殊的高反射朗伯塗層，用(yòng)于均勻散射和漫射入射光。積分(fēn)球設有(yǒu)入口和出口。

通過變換積分(fēn)球的配置，如光源、配件、開口等可(kě)實現不同的應用(yòng)。

積分(fēn)球的工(gōng)作(zuò)原理(lǐ)是什麽？

積分(fēn)球類似于擴散器，保留更多(duō)的光線(xiàn)信息，包括光的顔色、強度等，忽略了空間信息（無法告訴我們在球體(tǐ)表面的不同位置上光的強度是如何分(fēn)布的）。積分(fēn)球的内表面是高朗伯特性漫反射材料，這種材料能(néng)夠将入射的光線(xiàn)以相同的強度反射到各個方向，從而使得光線(xiàn)在球内經過多(duō)次反射和散射後，能(néng)夠均勻地分(fēn)布，減少光線(xiàn)原始方向的影響。

什麽時候用(yòng)到積分(fēn)球？

Avian Technologies公(gōng)司總裁阿特·斯普林斯汀(Art Springsteen)說:“通常，當光被發射、反射或透射時，人們想要捕捉到盡可(kě)能(néng)多(duō)的光，就會使用(yòng)積分(fēn)球。”對于漫反射，透射率和散射測量光譜(如濁度)，積分(fēn)球是非常好的選擇。積分(fēn)球也用(yòng)于測量總光通量和總光譜輻射。

什麽時候選用(yòng)積分(fēn)球而不是光譜儀或功率計?

Labsphere銷售和應用(yòng)工(gōng)程副總裁Chris Durell解釋說，與傳統的功率計相比，積分(fēn)球具(jù)有(yǒu)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(tǐ)不關心光源的角度輪廓和空間分(fēn)布，隻關心輸入功率。”這對于有(yǒu)角發散的二極管或光纖的測量很(hěn)有(yǒu)用(yòng)，因為(wèi)角發散會影響功率測量的質(zhì)量。

“另一方面，”Durell說，“如果你想要光束輪廓和角度信息，那麽就使用(yòng)光束輪廓儀或角度計。根據定義，積分(fēn)球通常會抹去這些空間信息。”

積分(fēn)球的第二個主要優點是它的衰減特性。具(jù)體(tǐ)來說，積分(fēn)球可(kě)以被視為(wèi)一個均勻衰減器，這意味着它能(néng)夠将入射的光線(xiàn)以相同的比例進行衰減或減弱。

這種特性使得積分(fēn)球在功率測量方面具(jù)有(yǒu)一些優勢。首先，傳統的功率計可(kě)能(néng)會被光源的功率水平損壞，而積分(fēn)球則可(kě)以避免這種情況，因為(wèi)它對所有(yǒu)光線(xiàn)進行均勻衰減，不會對任何特定光線(xiàn)産(chǎn)生過大的壓力。

然而，需要注意的是，積分(fēn)球的靈敏度相對于傳統的功率計要低一些。這可(kě)能(néng)會成為(wèi)積分(fēn)球的一個潛在缺點，因為(wèi)較低的靈敏度可(kě)能(néng)會影響其對低功率光源的測量準确性。

此外，根據NIST可(kě)追溯的标準進行校準也是優化積分(fēn)球測量性能(néng)的重要步驟。通過校準，可(kě)以确保積分(fēn)球的衰減特性和測量結果具(jù)有(yǒu)可(kě)比較性和可(kě)重複性，從而提高測量的準确性和可(kě)靠性。

積分(fēn)球的應用(yòng)

積分(fēn)球被廣泛應用(yòng)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(yòng)于測量樣品的反射率和透射率。此外積分(fēn)球還可(kě)以用(yòng)來産(chǎn)生均勻的光場來校準遙感相機。

積分(fēn)球根據應用(yòng)可(kě)分(fēn)為(wèi)四個基本類别:均勻光源、燈具(jù)或光源測量、反射率和透射率測量以及激光功率測量。确實，每個應用(yòng)類别都有(yǒu)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(fēn)球以提供最佳的性能(néng)。

積分(fēn)球在許多(duō)領域都有(yǒu)廣泛的應用(yòng)，其中(zhōng)最常見的兩種應用(yòng)是作(zuò)為(wèi)測量燈具(jù)總通量的測量工(gōng)具(jù)和作(zuò)為(wèi)校準其他(tā)儀器的均勻光源。在這些應用(yòng)中(zhōng)，積分(fēn)球的用(yòng)途特别廣泛，能(néng)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。

積分(fēn)球尺寸選擇

積分(fēn)球也可(kě)根據積分(fēn)球尺寸大小(xiǎo)和内部塗層進行分(fēn)類。積分(fēn)球内徑尺寸1mm-3m可(kě)選，積分(fēn)球的大小(xiǎo)取決于實際應用(yòng)需求。例如小(xiǎo)的積分(fēn)球可(kě)以很(hěn)好的集成到其他(tā)設備中(zhōng)。

在快脈沖激光功率測量的情況下，使用(yòng)小(xiǎo)型積分(fēn)球和探測器确實可(kě)以确保檢測上升時間不會受到不利影響。這是因為(wèi)小(xiǎo)型積分(fēn)球的内部表面通常由高反射材料制成，能(néng)夠将入射光有(yǒu)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(duō)向光源，如高壓鈉燈或長(cháng)熒光燈管，由于這些光源的尺寸較大，可(kě)能(néng)需要直徑大于1米的積分(fēn)球來安(ān)裝(zhuāng)并将燈置于球體(tǐ)内。這樣做的好處是可(kě)以更好地适應這些大光源，并減少因光源尺寸過大而對測量結果産(chǎn)生的影響。

如果積分(fēn)球被用(yòng)作(zuò)光源以提供大而均勻的出光面，那麽也可(kě)能(néng)需要大直徑的積分(fēn)球。這是因為(wèi)在這種情況下，積分(fēn)球的尺寸将直接影響到光的散射和反射效果，以及光場的均勻性。為(wèi)了達到理(lǐ)想的測量效果，需要根據實際應用(yòng)場景選擇合适的積分(fēn)球直徑。

Greg McKee是美國(guó)第一家制造積分(fēn)球的Labsphere公(gōng)司的系統業務(wù)部門主管，回複道：決定積分(fēn)球最小(xiǎo)尺寸的幾個主要因素:要測量的燈的物(wù)理(lǐ)尺寸(為(wèi)擋闆留出空間)、燈的自吸收性和積分(fēn)球内部溫度。燈具(jù)安(ān)裝(zhuāng)硬件也必須能(néng)足夠安(ān)裝(zhuāng)在裏面。另一方面，積分(fēn)球不能(néng)太大，否則它的響應性是有(yǒu)限的:理(lǐ)想的直徑是小(xiǎo)燈最大尺寸的十倍，或者是被測量的長(cháng)燈長(cháng)度的兩倍。實際上，1到3米的積分(fēn)球用(yòng)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(tǐ)通常用(yòng)于測量500瓦或更大的光源。

大多(duō)數球體(tǐ)由輕質(zhì)鋁制成，但也有(yǒu)使用(yòng)其他(tā)材料，如鋼、塑料和玻璃纖維。“很(hěn)難使球體(tǐ)在物(wù)理(lǐ)上均勻，而這是産(chǎn)生均勻的光分(fēn)布的關鍵，”佛羅裏達州奧蘭多(duō)市光電(diàn)子實驗室的亞曆克斯·方說。鋁也是連接兩半或四分(fēn)之一球體(tǐ)并管理(lǐ)密封/接縫最簡單的材料。“人們曾嘗試過隻粉刷一個大房間作(zuò)為(wèi)積分(fēn)球，但鋁是迄今為(wèi)止非常好的材料。

塗層

在選擇積分(fēn)球時，漫反射塗層的選擇非常重要，漫反射塗層或材料的反射率——越高越好。“更高的反射率意味着光在被吸收之前在球體(tǐ)内有(yǒu)更多(duō)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(jīng)度也更好。”

漫反射塗料噴塗方式通常包括噴霧式或粉末式。積分(fēn)球内部噴塗哪種漫反射塗層，取決于系統使用(yòng)環境，以及使用(yòng)積分(fēn)球測試的波段範圍。

針對極端條件或者小(xiǎo)積分(fēn)球，燒結聚四氟乙烯(PTFE或Teflon)提供非常好的性能(néng)。例如Labsphere的Spectralon EPV漫反射材料可(kě)用(yòng)于深紫外、極端物(wù)理(lǐ)和真空中(zhōng)。

典型的硫酸鋇塗層，盡管也可(kě)在近紫外和紅外使用(yòng)，但主要用(yòng)于可(kě)見光波段範圍。

鍍金漫反射塗層主要應用(yòng)于NIR-MIR波段範圍。

每種漫反射塗層的最佳使用(yòng)波段範圍和概述詳見生産(chǎn)商(shāng)的網站發布内容。

配置

除了考慮積分(fēn)球尺寸、内部漫反射塗層以外，積分(fēn)球配置也是選配積分(fēn)球系統的關鍵且極具(jù)挑戰的參數之一。

積分(fēn)球開口數目和探測器開口數目多(duō)少？例如有(yǒu)的積分(fēn)球設有(yǒu)18個開口端。

是否内部配置擋闆，如果需要，擋闆尺寸多(duō)大？

擋闆防止直接光源的光飽和或損壞探測器，必須盡可(kě)能(néng)小(xiǎo)，以減少陰影。在高發散激光二極管測量中(zhōng)，可(kě)以消除擋闆，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(diàn)二極管的可(kě)能(néng)性。

此外，明确您要測量單位(功率W，輻照度W/m2，或光通量流明)，以及積分(fēn)球的幾何形狀，無論是全積分(fēn)球4π立體(tǐ)角還是半積分(fēn)球2π(見圖3)。“一個完整的積分(fēn)球可(kě)以測量所有(yǒu)方向發射的設備(4π立體(tǐ)角)，也可(kě)以測量隻向前發射的設備(2π)，”Weitzman說。“半積分(fēn)球通常隻用(yòng)于2π測量。”選購(gòu)合适積分(fēn)球，歡迎您咨詢Labsphere,我們為(wèi)您提供合适的積分(fēn)球系統定制方案。

本文(wén)參考：PRODUCT FOCUS: INTEGRATING SPHERES: How to select an integrating sphere for your application | Laser Focus World