Интегрирующая сфера

Большой интегрирующий шар для измерения на лампочках и маленьких лампах

Интегрирующая сфера (также известная как сферы Ульбрихта ) представляет собой оптический компонент , состоящий из полого сферического резонатора с его внутренним покрытым диффузным белым отражающим покрытием, с небольшими отверстиями для входа и выхода портов. Его важное свойство - равномерное рассеяние или рассеивающий эффект. Лучи света, падающие на любую точку внутренней поверхности, в результате многократного отражения рассеиваются равномерно по всем остальным точкам. Эффекты исходного направления света сведены к минимуму. Интегрирующую сферу можно рассматривать как диффузор.который сохраняет власть, но разрушает пространственную информацию. Обычно он используется с некоторым источником света и детектором для измерения оптической мощности. Аналогичным устройством является фокусирующая сфера или сфера Кобленца, которая отличается тем, что имеет зеркальную (зеркальную) внутреннюю поверхность, а не диффузную внутреннюю поверхность.

Даже небольшие коммерческие интегрирующие сферы стоят многие тысячи долларов, в результате чего их использование часто ограничивается промышленностью и крупными академическими учреждениями. Однако с помощью 3D-печати и самодельных покрытий были созданы экспериментально точные сферы DIY по очень низкой цене. ^[1]

Практическая реализация интегрирующей сферы была обеспечена работой. Ulbricht (1849–1923), опубликовано в 1900 году. ^[2] Он стал стандартным инструментом в фотометрии и радиометрии . Его преимущество перед гониофотометром для измерения света, производимого источником, состоит в том, что общая мощность может быть получена за одно измерение.

Теория светособирающего кубического ящика была описана У. Зумпнером в 1910 году ^[3].

Теория [ править ]

Теория интегрирующих сфер основана на следующих предположениях:

Свет, падающий на стороны сферы, рассеивается диффузным образом, т.е. коэффициент отражения Ламберта.
Только свет, который был рассеян в сфере, попадает в порты или детекторы, используемые для исследования света.

Используя эти предположения, можно рассчитать сферический множитель. Это число представляет собой среднее количество раз, когда фотон рассеивается в сфере, прежде чем он будет поглощен покрытием или улетит через порт. Это число увеличивается с отражательной способностью покрытия сферы и уменьшается с соотношением между общей площадью отверстий и других поглощающих объектов и внутренней площадью сферы. Для получения высокой однородности рекомендуемый множитель сфер составляет 10-25. ^[4] Теория далее утверждает, что если вышеупомянутые критерии выполнены, тогда освещенность на любом элементе площади на сфере будет пропорциональна общему лучистому потоку, поступающему в сферу. Абсолютные измерения светового потока экземпляра затем могут быть выполнены путем измерения известного источника света и определения передаточной функции иликалибровочная кривая.

Полная выходная освещенность [ править ]

Для сферы с радиусом r, коэффициентом отражения ρ и потоком источника Φ начальная отраженная освещенность равна:

${\ displaystyle E = \ rho {\ frac {\ Phi} {4 \ pi r ^ {2}}} \,}$

Каждый раз при отражении освещенности коэффициент отражения экспоненциально растет. В результате получается уравнение

$E={\frac {\Phi }{4\pi r^{2}}}\,\rho (1+\rho +\rho ^{2}+...)$

Поскольку ρ ≤ 1, геометрический ряд сходится и полная выходная освещенность равна: ^[5]

$E={\frac {\Phi }{4\pi r^{2}}}\,{\frac {\rho }{1-\rho }}\,$

Приложения [ править ]

Упрощенный принцип использования интегрирующей сферы для измерения коэффициента пропускания и отражения тестового образца.

Свет, рассеянный внутренней частью интегрирующей сферы, равномерно распределяется по всем углам. Интегрирующая сфера используется в оптических измерениях. Полная мощность (поток) источника света может быть измерена без погрешностей, вызванных характеристиками направленности источника или измерительного устройства. Можно изучать отражение и поглощение образцов. Сфера создает эталонный источник излучения, который можно использовать в качестве фотометрического стандарта.

Сфера коммерческой интеграции . В этой конкретной модели от Electro Optical Industries используются четыре отдельные лампы, которые можно настроить для достижения требуемого спектрального выхода от ультрафиолета до инфракрасного .

Интегрирующие сферы используются для различных оптических, фотометрических и радиометрических измерений. Они используются для измерения общего света, излучаемого лампой во всех направлениях. Интегрирующая сфера может использоваться для измерения коэффициента диффузного отражения поверхностей, обеспечивая среднее значение по всем углам освещения и наблюдения. Интегрирующая сфера может использоваться для создания источника света с кажущейся интенсивностью, однородной по всем позициям в пределах его круглой апертуры и независимой от направления, за исключением функции косинуса, присущей идеально рассеянным излучающим поверхностям ( ламбертовским поверхностям ).

Поскольку весь свет, падающий на входной порт, собирается, детектор, подключенный к интегрирующей сфере, может точно измерить сумму всего окружающего света, падающего на маленькое круглое отверстие. Полная мощность лазерного луча может быть измерена без влияния формы луча, направления и положения падения, а также поляризации .

Материалы [ править ]

Оптические свойства футеровки сферы сильно влияют на ее точность. Необходимо использовать разные покрытия в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах волн. Источники освещения высокой мощности могут нагреть или повредить покрытие, поэтому интегрирующая сфера будет рассчитана на максимальный уровень падающей мощности. Используются различные материалы покрытия. Для света видимого спектра ранние экспериментаторы использовали отложение оксида магния , а сульфат бария также имеет очень плоскую отражательную способность в видимом спектре. Различные запатентованные соединения ПТФЭ также используются для измерений в видимом свете. Для инфракрасных измерений используется тонко нанесенное золото.

Важное требование к материалу покрытия - отсутствие флуоресценции. Флуоресцентные материалы поглощают коротковолновый свет и повторно излучают более длинные волны. Из-за большого количества рассеяний этот эффект более выражен в интегрирующей сфере, чем для материалов, облучаемых нормально.

Структура [ править ]

Теория интегрирующей сферы предполагает однородную внутреннюю поверхность с коэффициентом диффузного отражения, приближающимся к 100%. Отверстия для выхода или проникновения света, используемые для детекторов и источников, обычно называются портами. Общая площадь всех портов должна быть небольшой, менее примерно 5% площади поверхности сферы, чтобы теоретические предположения были верными. Поэтому неиспользуемые порты должны иметь подходящие заглушки, при этом внутренняя поверхность заглушки покрыта тем же материалом, что и остальная сфера.

Интегрирующие сферы различаются по размеру от нескольких сантиметров до нескольких метров в диаметре. Меньшие сферы обычно используются для рассеивания входящего излучения, в то время как большие сферы используются для измерения интегрирующих свойств, таких как световой поток лампы или светильников, которые затем помещаются внутри сферы.

Если входящий свет некогерентен (а не лазерный луч), то он обычно заполняет порт источника, и отношение площади порта источника к площади порта детектора имеет значение.

Перегородки обычно вставляются в сферу, чтобы блокировать прямой путь света от порта источника до порта детектора, поскольку этот свет будет иметь неравномерное распределение.

См. Также [ править ]

Скульптура объединяющей сферы. Расположен в кампусе Технического университета Дрездена.

Закон косинусов Ламберта

Ссылки [ править ]

^ Томес, Джон Дж .; Финлейсон, Крис Э. (2016). «Недорогая 3D-печать, использованная в студенческом проекте: интегрирующая сфера для измерения квантового выхода фотолюминесценции» (PDF) . Европейский журнал физики . 37 (5): 055501. DOI : 10,1088 / 0143-0807 / 37/5/055501 . ISSN 0143-0807 .
^ Джеймс М. Палмер, Барбара Г. Грант Искусство радиометрии , SPIE Press, 2010, ISBN 978-0-8194-7245-8 , стр.
^ Х. Бакли, «Белый куб как прецизионный интегрирующий фотометр» (1920) Труды Института инженеров-электриков 59 (Лондон)
^ Интеграция дизайна сфер и приложений, Sphere Optics [1] , стр. 5
^ Шотт, Джон Р. (2007). Дистанционное зондирование: подход цепочки изображений . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-972439-0. Проверено 17 июня 2020 .

RP Photonics, Энциклопедия лазерной физики и технологий , Интегрирующие сферы
Брайан Лай, Labsphere, Обучение интеграции сфер и приложений
Labsphere, Inc., Руководство по интеграции теории сферы и приложений
Pike Technologies, Интегрирующие сферы - Введение и теория , Pike Technologies Application Note
Ньюпорт, Интегрирующие сферы с фланцевым креплением
Уайтхед, Лорн А .; Моссман, Мишель А. (2006). «Джек О'Лэнтернс и интегрирующие сферы: физика Хэллоуина» . Американский журнал физики . 74 (6): 537–541. Bibcode : 2006AmJPh..74..537W . DOI : 10.1119 / 1.2190687 .
Дюшарм, Альфред; Дэниелс, Арнольд; Гранн, Эрик; Бореман, Гленн (1997). «Дизайн интегрирующей сферы как источника однородного освещения» . IEEE Transactions по образованию . 40 (2): 131–134. Bibcode : 1997ITEdu..40..131D . DOI : 10.1109 / 13.572326 .
Питер Хискокс, Интегрирующая сфера для калибровки яркости, Ред. 6, май 2016 г.
Ci Systems, Интегрирующая сфера, введение, механическая структура, калибровка и источники
Электрооптическая промышленность, интегрирующие сферы

[1] Томес, Джон Дж .; Финлейсон, Крис Э. (2016). «Недорогая 3D-печать, использованная в студенческом проекте: интегрирующая сфера для измерения квантового выхода фотолюминесценции» (PDF) . Европейский журнал физики . 37 (5): 055501. DOI : 10,1088 / 0143-0807 / 37/5/055501 . ISSN 0143-0807 .

[2] Джеймс М. Палмер, Барбара Г. Грант Искусство радиометрии , SPIE Press, 2010, ISBN 978-0-8194-7245-8 , стр.

[3] Х. Бакли, «Белый куб как прецизионный интегрирующий фотометр» (1920) Труды Института инженеров-электриков 59 (Лондон)

[4] Интеграция дизайна сфер и приложений, Sphere Optics [1] , стр. 5

[Irradiance-5] Шотт, Джон Р. (2007). Дистанционное зондирование: подход цепочки изображений . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-972439-0. Проверено 17 июня 2020 .

[1]