积分球的原理和典型应用

（北京理工大学光电学院，北京100081）摘要: 积分球用于测量光通量的历史可以追溯到1890年，现已成为测量光通量和色度的一种广泛使用的仪器. 因此，有必要分析积分球的误差. 本文简要介绍了积分球的基本原理，并总结了一些积分球仪器的发展. 同时，研究了积分球误差的分析方法（蒙特卡罗算法）. 另外，本文还给出了积分球的一些应用实例，例如如何测量积分球的光通量. 典型应用错误分析；蒙特卡罗算法典型应用积分球摘要: 应用积分球的发光度可以追溯到过去，已经成为广泛使用的色度，因此积分球的误差是非常必要的. 本文还总结了包括最新类型的积分球在内的方法，并给出了一些实例，这些积分球可以在光谱分析气氛中进行荧光量的荧光量子产率测量. 典型应用错误分析；蒙特卡洛算法积分球是测量辐射度积分球测量原理，色度和光度法必不可少的工具.

本文详细讨论了积分领域的原理和应用状况. 一方面，本文总结了积分球的发展，从积分球的尺寸，涂层材料等方面简要介绍了积分球的发展属或硬塑料覆盖，并且在表面上开有一个或多个孔，这些孔可用作入射窗或出射窗.

在积分球中也有屏蔽屏和光阱. 完整的集成球体测量系统还将具有平台，辅助光源，光源适配器，光纤接口等. 图1是德国仪器系统公司生产并由台湾公司代表的ISP150-100积分球. 图2是杭州远方公司生产的稳定流控温积分球. 在涂层方面，家用低端产品主要是氧化镁（MgO）和硫酸钡（BaSO4），而高端产品是家用特氟龙悬浮树脂（F4）. F代替了常用的氧化镁（MgO）和硫酸钡（BaSO4）作为积分球涂层. 在0.2到2.5微米的波长范围内，光谱反射率高于MgO BaSO4，中性反射率良好，这有助于降低它对积分球的非中性作用. 另外，该涂层具有良好的粘合性，并且不容易破裂和起皱. 可以使用干净的刷子清除灰尘，而不会损坏涂层. F4涂层不怕湿，暴露在紫外线下也不会变黄. 根据光度积分球的基本原理，使用F4涂层积分球可以大大提高积分球的效率，通常是MgO倍. 这有利于低透射和弱反射光信号的测量，这不仅提高了测量的灵敏度，而且大大提高了测量的信噪比. 中国计量科学研究院和中国科学院上海应用技术研究所等数十个科研，生产单位已经建立了F4光度积分球系统，并展示了新型光度积分球的许多优点. 在国外，有针对不同情况的各种涂料.

Duraflect是防水，防潮和抗腐蚀的必需材料；在近红外和中红外波段工作时，可以使用Infragold. Spectralon还可以用于紫外线，可见光和近红外波段，并具有高反射率. 在规模上，没有太大的区别. 家用积分球可以实现的尺寸如下: 直径为80、100和150mm的积分球适用于LED，激光器，LED（LCD）发光模块和发光屏的光色测试；直径300mm的球体专门用于LED测试的颜色，可与LED专用测试夹具一起使用；直径为500mm的积分球，适用于大功率LED，微型气泡，灯珠和其他光源的光色测试；直径1000mm的积分球，用于节能灯，环形灯，白炽灯，冷阴极灯，卤素灯等光源的光色测试；直径1500，直径1750mm的积分球，用于大功率节能灯，环形灯，白炽灯，卤钨灯，冷阴极灯，直管荧光灯，HID灯和其他光源的色彩测试；直径为2000mm和2500mm的积分球用于对光源进行光色测试，例如大功率节能灯，直管荧光灯，HID灯和无电极灯；直径为3000mm的积分球用于大功率直管荧光灯，HID灯和其他光源的颜色测试. 图3所示为德国仪器公司和台湾方泉公司生产的直径1900mm的ISP2000-100积分球. 图4显示了杭州远方公司生产的直径为3000mm的积分球.

图片1图片2图片3从上面可以看出，积分球之间的区别主要在于积分球涂层所用的材料，而积分球的材料在很大程度上决定了积分球的质量. 积分球的典型应用积分球的最典型应用是作为扩散器. 实际设备如图5所示. 由于光源会受到其尺寸，形状，电压波动等的影响，因此光源发出的光不能是均匀的光，这会影响辐射度，发光度，和亮度. 因此，此时，需要积分球以使光源发出的光均匀. 将光源放在积分球内. 在积分球中形成一个孔作为出射窗. 光源和积分球之间有一个屏蔽屏. 之后，只需关闭积分球并打开光源，您就可以在出射窗中获得均匀的照明. 图片中的其他两个黑白设备是照度计，用于监视积分球中的照度，在实际使用中可以将其删除. 积分球除用作扩散器外，还有其他用途. 例如，在气相色谱曲线的测量中，积分球可以用作样品池. 实验装置的如图6所示. 该装置可以测量大气中的二氧化碳量. 气体从积分球的一个入口进入积分球，其他三个出口分别装有光电二极管，LED驱动电路和. 入射光在积分球中来回反射. 由于积分球中气体对入射光的每个波长的吸收能力不同，因此出射光的波长将相应地发生变化，最终获得积分球中气体的吸收光谱.

对该设备的分析如下: 定义积分球乘数M，其中ρ是积分球内表面的反射率，而f是积分球开口面积与积分球开口面积之比. 球的内表面积. 它的物理含义是在球体内为真空（即透射率为1，能量损失仅由内表面上的光反射引起），即入射光子在光子中的平均反射次数. 离开积分球之前的积分球. 当积分球充满气体时，由于气体分子吸收了光能，积分球乘数变为以下形式: 引入了气体吸收系数a（v）. 根据统计定律，积分球中的光子有两个. 二次反射之间传播的距离是积分球直径的三分之二. 基于此，光子在积分球中传播的平均距离为: 因此，有三个因素会影响光子在积分球中传播的距离. 球的内表面的反射率，积分球的直径以及积分球中气体对光能的吸收系数. 由于积分球的内表面的反射率和积分球的直径可以用作已知量，因此可以根据积分球中不同气体对光的吸收系数的不同来测量积分球中的气体含量. 能源. 在测试中使用的波长下测量二氧化碳含量. 积分球中的二氧化碳气体含量与光电二极管上产生的电压之间的关系如图7所示. 该测试方法比测量气体光谱曲线的常规方法（例如白色）更方便，更具成本效益. 单元法，有利于推广，准确度满足一般要求，更适合于快速，的气体含量检测.

与其他化学方法相比，它具有相同的特性. 典型原理和误差分析4.1积分球的基本原理无论在什么应用中，积分球通常用作理想的漫射光源或漫射器，以消除光源自身特性引起的光束不均匀或出射. 有一个极化方向. 积分球具有此特性的原因主要是由于积分球内部入射光的多次漫反射. 积分球的中心是光源，并且光源的辐射通量是Φ. 积分球中的表面A上的辐照度值可以视为积分球中的新点光源，并且可以视为长光源. 柏柏尔光源. 然后，积分球中另一个点B上的辐照点辐照积分球中的其他点，然后从其他点扩散到B的二次漫反射. 此时，如果忽略积分球表面上的开口和积分球内部的障碍物，则可以通过与上述相同的公式获得第二漫反射的辐照度. 由于相同的原因，也可以获得三，四和多次漫反射. B点的辐照度的贡献. 因此，B点的最终辐照度被用作评估积分球的指标. 从上式可以看出，如果积分球内壁上的材料是理想的漫反射材料，并且不管开口对积分球壁的影响如何，则积分球内壁上的每个箱积分球具有均匀的辐照度，这就是为什么积分球可以用作理想的漫射光源或漫射器的原因. 4.2积分球的误差和误差的主要原因在上面的分析中，我们忽略了材料对积分球的内壁，积分球的内部覆盖以及积分球开口的影响.

实际使用的积分球有误差的原因主要是由于开口，球体内的障碍物和内部扩散材料不理想. 首先，分析积分球的内部障碍. 在测量光源的光谱功率分布曲线或将积分球用作全尺寸光源时，积分球内部通常会存在障碍. 目的是防止光源或入射光直接离开出口. 但是，添加障碍物后，积分球的实际工作条件偏离了理想情况. 在工程实践中，通常认为，当满足以下条件时，积分球的工作条件不会受到影响. 第二是涂层的影响. 由于涂层的反射率取决于波长，因此它将导致出射光的光谱特性发生一定的变化. 尤其是当涂层的反射率非常高时，涂层材料的光谱反射率的小变化将导致发射辐射的显着变化. 因此，涂层通常需要使用具有近似平坦的光谱反射率和良好的朗伯扩散特性的材料作为涂层. 现在常用的硫酸钡，氧化镁，聚四氟乙烯等. 再次影响开放. 由于实际积分球的工作特性不理想，因此出射窗的辐照度并不完全均匀. 因此，出射窗的大小与积分球应具有一定的比例关系. 在工程实践中，通常认为，如果出口伤口的辐照度均匀性保持在大约1％，则出口窗口的直径应优选不大于球直径的十分之一. 另外，在实际操作中，由于不能靠近积分球的内壁，所以积分球中的部分散射光无法进入，从而引起误差.

实际上，某些人会在某些条件下使检测器凹进，以使入射光无法直接进入，从而在一定程度上替代了屏幕的作用，从而减少了误差. 最后，积分球尺寸的影响. 在推导中，积分球的大小不影响积分球表面上照度的均匀性. 然而，由于积分球内部的光的损失，从平方反比定律得知，积分球越大，出射窗上的照度越小. 但是，积分球越大，可以从理想条件下有效地减少屏幕和其他物体在积分球中的影响，提高积分球出射窗处的辐照度均匀性，从而提高测试精度. 4.3使用蒙特卡洛算法对积分球进行分析尽管早在1950年代，许多国外学者就积分球提出了各种理论分析方法来为积分球提供解析解. 然而，由于这些分析方法更加复杂，并且在实际中积分球与理想积分球之间的偏差增大，因此该分析方法难以分析积分球的误差. 但是，如果每个整合领域都采用实际的方法来测量和计算误差，那么经济效益就很差，浪费人力和物力. 针对上述情况，美国学者布莱克·G. Crowther提出了蒙特卡罗方法来模拟积分球，为分析积分球的误差提供了一种新的方法. 使用蒙特卡洛算法分析积分球的主要思想是使用随机函数在入口处产生具有不同位置和不同入射角的光子. 根据遮挡屏幕和积分球的出射窗口等条件设置边界条件. 每个光子跟踪光路，以获取出射屏幕上或积分球内部的光子分布.

理论上，只要有足够的光子，就可以得到接近实际情况的结果. 可以假设积分球的直径R = 30mm，开口的半径Rs = 5mm，开口在积分球Z轴的正方向上，入射光子数为1000，并且积分球的内壁材料的反射率为0.9. 内部反射的最大数量为22. 积分球从上到下分为6个区域. 通过MATLAB程序进行的仿真结果如图8所示. 可以看到，环上有一些光子没有被漫反射的地方. 这是因为模拟光子的数量太少. 就总体趋势而言，可以认为光子在积分球内表面上的分布几乎是均匀的. 每个带上的能量分布如图9所示. 可以看出，在积分球中多次漫反射之后，积分球中的照度趋于均匀. 另外，在积分球的X-Y平面上的下一个区域中，照度的均匀性比其他地方要好，因此积分球的开口通常在该区域中打开. 与实际情况相比，主要区别是光子数少. 实际的光子数约为17 18 10〜10，因此实际积分球的均匀性优于仿真结果. 我们对积分球的设计在积分球的设计中，主要设计是开口的位置，光源在积分球中的位置以及如何设置屏蔽屏. 基于以上分析和积分球的几种典型应用，我们设计如下. 假设光源位于积分球之外，则积分球中有两个孔.

一个是入口窗口，另一个是出口窗口. 入射窗和出射窗的直径不超过积分球直径的1/10. 在入射窗和出射窗之间放置一个屏蔽屏. 屏蔽屏涂有与积分球内部相同的材料，以防止来自入射窗的光直接出射而不会发生漫反射. 出射窗配有可变光阑. 当入射光信号较小时，可以调节光圈以增加信噪比；当入射光信号较大时，可以调节光圈以防止能量过大而导致接收信号损坏设备. 最终设计如图10所示. 总结未来积分球的发展前景: 随着色彩科学和光电成像技术的飞速发展，对色度和亮度的测量要求也越来越高. 作为一种混光仪器，积分球因其出色的光学性能和简单的结构而越来越多地用于现代光学工程. 同时，随着光谱信息技术的发展，光谱分析技术被用于越来越多的领域，例如确定大气中温室气体的含量，快速检测液体中的有毒成分，快速检测液体易燃易爆物品等. 光谱技术由于其安全性和速度优势而被越来越广泛地用于各种测量中，并且积分球是光谱测量的基本且非常重要的组成部分. 在现代光学工程中，它也变得越来越重要. 有很多应用. 因此，将来，积分球将与色彩科学和光谱技术一起用于更多领域，从而获得更广阔的发展. 参考文献Hawe，E.＆P.Chambers＆C.Fitzpatrick. 利用积分球多通吸收池进行CO2监测[J]. 测量科学Blake，GG计算机模拟积分球[J]. 应用光学，1996,35（30）: 5880-5886. 黄丽丽，徐红梅，顾小超等. 积分球微光源的蒙特卡罗模拟[J]. 长春科技大学学报（自然科学版），2008，31（2）: 57-58，50. 汪高明，郭成，张良亮等. 积分球蒙特卡洛光能均匀度的模拟[J]. 弱光与红外，2009,39（1）: 67-69.

本文来自电脑杂谈，转载请注明本文网址：
http://www.pc-fly.com/a/shumachanpin/article-167851-1.html