積分球系統(tǒng)

1、積分球系統(tǒng) 申豐,概 述,光度學概念積分球簡介積分球原理積分球涂層積分球測量方法積分球尺寸選擇,光度學概念,電磁波 電磁波又稱電磁輻射。人眼可接收到的電磁輻射，波長大約在380至780納米之間，稱為可見光。,光度學概念,視見函數(shù) 也被稱為光譜光效率函數(shù)。人眼對不同波長的光有不同的靈敏度。 根據(jù)環(huán)境明暗條件的不同，又被分為明視覺視見函數(shù)V（λ）和暗視覺視見函數(shù)V（λ'）

2、。,光度學概念,輻射通量 單位時間內(nèi)物質(zhì)以電磁輻射的形式發(fā)射、傳輸或接受的能量稱為輻射通量。 符號：Φe 單位:瓦特(W)光通量 可見光波段內(nèi)的輻射通量 與相對視見函數(shù)的乘積。 符號：Φ 單位:流明(lm),光度學概念,光照度 單位受照面積接受的光通量，定義為光照面的光照度E。 表達式： 單位：流明每平方米（lm/m2）,光度學,立體角一個錐面所圍成的空間部分稱為立體角

3、。點光源以一定發(fā)散角照射到物體表面，它所形成的立體角稱為Ω。 表達式：,光度學概念,發(fā)光強度 點光源向各方向發(fā)出的可見光。在某一個方向，單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量的發(fā)光強度。 表達式： 單位：坎德拉（cd）,光度學概念,亮度 發(fā)光表面法線方向上，單位面積上單位立體角內(nèi)的光通量定義為光源的亮度L。 表達式：單位：（cd/m2）,積分球簡介,積分球的功能及應(yīng)用 積分球系統(tǒng)主要功能是測量光源的輻射度、色度

4、、光度等光色電參數(shù)。具體包括光源的光通量、照度、色溫、色度坐標、發(fā)光效率等。 積分球系統(tǒng)主要應(yīng)用于光源、燈具等光測量領(lǐng)域。,積分球簡介,積分球是一個內(nèi)部涂有漫反射涂層的空心球體，外面一般是金屬結(jié)構(gòu)，開有幾個小孔。 積分球內(nèi)部有標準燈、輔助燈、光纖接口等，外接設(shè)備包括電源、電腦、光譜儀等儀器。,積分球簡介,理想積分球系統(tǒng)球內(nèi)表面是一完美的球面，半徑處處相等；球內(nèi)壁是均勻的漫反射涂層，對各種波長的光具有相同的漫反射率；球內(nèi)沒有

5、任何物體，光源只看作發(fā)光但沒有實物的抽象光源。,積分球原理,朗伯光源與朗伯特性 若光源的發(fā)光強度按余弦規(guī)律變化，即其亮度與方向無關(guān)。這類發(fā)射體稱為余弦發(fā)光體或朗伯體，朗伯光源又稱為余弦體光源。 自然界的朗伯體：太陽、毛玻璃燈罩、白紙、積雪、白墻,積分球原理,朗伯特性：光源發(fā)出的光從任意方向看亮度都是一樣的。根據(jù)之前亮度的定義，可知： 當光源的發(fā)光強度滿足:光源的亮度與方向無關(guān)。,積分球原理,根據(jù)朗伯定律，說明積

6、分球的原理。 如圖所示，O是球心，r是半徑。A是球面上單位面積為dS 的漫反射源，光源光通量為 ，P點的照度 ，考慮到整個發(fā)光面都有漫反射光，則P點的照度 。,積分球原理,假設(shè)涂層漫反射系數(shù)為 。假設(shè)一束光通量為 的光入射到積分球里面，在球內(nèi)形成均勻光，在球內(nèi)任意點A的照度為E，設(shè) 是由第一次反射產(chǎn)生的照度（考慮到擋板對光源的作用）：,積分球原理,這束光在球內(nèi)還要進行無窮多次的反射。則A點經(jīng)

7、過n次反射后的總照度： P1是一次反射 P2是二次反射,積分球原理,當 時 結(jié)論： 積分球內(nèi)光照度大小與涂層的漫反射、光通量、球體的半徑有關(guān)。 我們要求照度均勻的話，需要保證積分球涂層漫反射率穩(wěn)定，球體半徑處處相等。,積分球原理,當積分球內(nèi)的光是均勻光的時候，可以測量任意一點的照度E，根據(jù)輻照度原理 ，可以求出某個光譜對應(yīng)的光通量 ，則光源的光通量

8、 其中 ， 為視見函數(shù)。,積分球原理,怎樣驗證光均勻性？ 一般來說，驗證積分球內(nèi)反射光的均勻性，我們采用轉(zhuǎn)動待測光源位置，觀察測試結(jié)果變化的方法。,積分球原理,測試方案 采用高亮度綠色F5LED，功率約0.35W，發(fā)光角度約30°。測試結(jié)果如下：,積分球原理,測量結(jié)果： 測量得到的平均光通量值為16.911 流明，測量值的標準偏差為0.3911，得到

9、誤差小于±2.35%。結(jié)論： 藍菲光學（Labsphere）的積分球系統(tǒng)測量結(jié)果可靠、穩(wěn)定，對產(chǎn)品的性能給予可靠的保證，是LED 行業(yè)光學性能測量的理想選擇。,積分球涂層,為什么強調(diào)積分球涂層？評價積分球的好壞主要靠涂料、擋板、開口、球體完美度等，最主要是涂料。國內(nèi)外的積分球最主要的差別在于積分球涂料不同。,積分球涂層,積分球涂層需要滿足的條件根據(jù)CIE標準要求，漫反射率至少大于80%。漫反射率

10、隨波長的變化小，即呈光譜中性特性。化學穩(wěn)定性好、不發(fā)黃。（關(guān)于積分球涂層的標準要求：CIE-84-1989 Measurement of Luminous Flux）,積分球涂層,常見積分球涂料 積分球的涂料很多，不同的涂料適用于不同的波長范圍。積分球涂料對積分球至關(guān)重要，廠家一般采用硫酸鋇、聚四氟乙烯（PTFE）等作為積分球涂料。,積分球涂層,最常見的積分球涂料—硫酸鋇該涂料的優(yōu)點：高反射率、高朗伯特性、噴涂容易

11、、容易清除、無毒等。該涂料的缺點：水溶性、不夠牢固、容易被損害等。,積分球涂層,較高端的涂料-聚四氟乙烯 該涂料的優(yōu)點：在0.2-2.5微米波長范圍內(nèi)，光譜反射率高于硫酸鋇。該涂料不怕潮濕，暴露在紫外光下也不會變黃。 該涂料的缺點：易碎、對溫度敏感、熱穩(wěn)定性差、容易污染、價格高。,積分球涂層,聚四氟乙烯與硫酸鋇的反射率對比圖,積分球涂層,總結(jié) 不同的涂料各有優(yōu)缺點，我們需要根據(jù)特定的情況選擇合適的

12、積分球涂料。比如潮濕的環(huán)境就不能用硫酸鋇涂料，高溫的環(huán)境就不適合用聚四氟乙烯涂料。 其中，硫酸鋇涂料的缺點很明顯，較容易受潮，受潮后容易脫落。高溫環(huán)境下容易氧化、變色。這些都會造成數(shù)據(jù)測試誤差。,積分球涂層,國內(nèi)積分球涂料主要有硫酸鋇涂料R80、R93、R97、R98、詩貝倫SPEKTRON、聚四氟乙烯（PTFE）等。國內(nèi)主要銷售積分球廠家：杭州遠方光電、杭州浙大三色、杭州晶飛科技。,積分球涂層,國外，主要積分球生產(chǎn)廠家

13、有美國藍菲光學、美國OL、德國IS。 藍菲光學的涂料主要分為四種: Spectraflect、Duraflect、Infragold、Spectralon。,積分球涂層,Spectraflect涂料：經(jīng)濟實用型，在可見光光譜內(nèi)具有很高的反射率。厚度在0.5mm以上時，波長400-1100nm之間，反射率超過99%。在360-830nm的光譜范圍內(nèi)提供97%的反射率，并且能擴展至300-2400nm范圍。,積分球涂層,Duraf

14、lect涂料：在波長350-1200nm之間，反射率超過95%。主要優(yōu)點是防水、防潮、耐腐蝕。可應(yīng)用于惡劣的環(huán)境中，比如風化、磨損、濕度環(huán)境。,積分球涂層,Infragold涂料：工作于近、中、遠紅外波段，波長范圍從700nm到2000nm之間的紅外波段表現(xiàn)優(yōu)異。主要用于小功率激光器的光學測量。,積分球涂層,Spectralon涂料：同時工作于紫外、可見光、近紅外波段。在光譜范圍400至1500nm，其反射率能達到99%，而且在250至

15、2500nm的范圍下也能達到高于95%的反射率。高于目前任何已知材料的散射反射率且耐熱性好。,積分球涂層,Spectralon涂料 根據(jù)應(yīng)用場合分為三個層次：光學層次、激光層次和太空層次。光學層次：在紫外光、可見光和近紅外波段表現(xiàn)出高反射率和朗伯特性。激光層次：物理特性跟光學層次的一樣，就是應(yīng)用于激光泵浦腔時加入的特制樹脂增強了某些性能。太空層次：具有高反射率以及高朗伯特性，是地面遙感應(yīng)用的首選材料。,積分球涂層,國內(nèi)外積分

16、球涂料漫反射率對比,積分球涂層,總結(jié)分析從涂料反射率的角度上看一般廠家的硫酸鋇涂料反射率低于聚四氟乙烯以及國外品牌涂料。聚四氟乙烯的反射率高、光譜范圍寬，是理想的積分球涂料。藍菲光學的Spectralon涂料的反射率最高。,積分球涂層,從涂料的光譜中性（波長選擇性）來看硫酸鋇在紫外及紅外區(qū)的光譜中性均不理想，可見光內(nèi)還可以接受。聚四氟乙烯涂料的光譜范圍寬，光譜中性好。藍菲光學的Spectralon涂料的光譜范圍很廣，光譜中

17、性非常好。,積分球涂層,從客戶的反饋來看很多廠商的積分球涂料時間久了會泛黃、開裂、脫落，且具有刺鼻的氣味。而這樣老化造成的反射率下降會嚴重影響測試精度，所以一般積分球涂料都需要一兩年一次的重新噴涂。藍菲光學的Spectraflect涂料完全無毒、無異味，且具備8年以上的使用壽命，無需重新噴涂。,積分球測量方法,SSL產(chǎn)品光通量測量一般使用積分球系統(tǒng)或分布光度計。積分球與光度計的不同點積分球系統(tǒng)的原理就是測量積分球上某一點的照度，

18、算出某個波長下的輻射通量，最后算出光源的總光通量。分布光度計一般是測出光源的光強分布，計算出光源的光通量。,積分球測量方法,積分球與光度計的不同點積分球系統(tǒng)適合于集成LED燈具和相對較小的LED照明產(chǎn)品。積分球系統(tǒng)LED的光譜分布和光強分布與常用標準燈之間存在較大的差異，會帶來較大的測量誤差。分布式光度計適用于大型燈具如高壓汞燈、鈉燈的光學測量，測量精度更高。大多數(shù)第三方檢測機構(gòu)和大型國家實驗室多會選用旋轉(zhuǎn)反光鏡式分布光度計，當然

19、很多的生產(chǎn)型企業(yè)也會選用臥式分布光度計。,積分球測量方法,積分球與光度計的不同點積分球系統(tǒng)配合光譜儀可以測量色溫、顯色指數(shù)、色品坐標等參數(shù)。分布式光度計還可以提供IES文件（光度學數(shù)據(jù)文件）。,積分球測量方法,兩種測量方法：4π測量、2π測量4π測量-適用于所有類型的SSL產(chǎn)品2π測量-適用于發(fā)光角度小于180°的SSL產(chǎn)品安裝方式：燈具或者光源發(fā)光角度朝下,積分球測量方法,固態(tài)照明產(chǎn)品的電氣和光度測量標準

20、LM-79-80 ，規(guī)定了積分球的測量方法。 積分球的光通量測量必須根據(jù)校準得到。待測燈的光通量是與標準燈的比較得到的，這種方法可以降低待測燈光通量的測量誤差。 輔助燈的作用是比較標準燈和待測燈外形或顏色對于光吸收的差異。,積分球測量方法,一般積分球的基本操作步驟標準燈放入積分球內(nèi)部，點亮，獲得此時光譜儀的讀值yREF（λ）。標準燈熄滅，輔助燈點亮，獲得光譜儀讀值yaux,REF（λ）。輔助燈不要熄滅，把標準燈更換

21、為被測燈，被測燈不要點亮，獲得光譜儀讀值yaux,TEST（λ）。輔助燈熄滅，被測燈點亮，獲得光譜儀讀數(shù)yTEST（λ）。,積分球測量方法,積分球的計算公式其中α（λ）為自吸收補償系數(shù),積分球測量方法,ΦTEST（λ）為待測燈每個波長對應(yīng)的光譜輻射量。根據(jù)以下公式，可以計算出實際待測燈的光通量。其中，Km為最大光譜光視效能函數(shù)。,積分球測量方法,光譜光視效能K(λ) ： 描述某一波長的單色光輻射通量產(chǎn)生的光

22、通量，即波長為λ的單色光，其單色光通量Φv(λ)與單色光輻射通量Φe(λ)之比定義為光譜光視效能。 用K(λ)表示明視覺光譜光視效能，用K′(λ)表示暗視覺光譜光視效能，單位為lm/W。,積分球測量方法,K(λ) = Φv(λ)/ Φe(λ) = Km · V(λ)Km 為最大光譜光視效能，即：明視覺Km = K(555) = 683 lm/W暗視覺K′m =K′(507) = 1700 lm/W,積分球尺寸選擇,

23、積分球尺寸的影響積分球尺寸必須足夠大，確保擋板和自吸收造成的誤差在固態(tài)照明產(chǎn)品測試中不會很明顯。積分球尺寸必須足夠大，避免待測光源的熱量使溫度增加過高。積分球尺寸也不能太大，避免探測器接受到的信號太微弱，曝光時間過長。,積分球尺寸選擇,通常，緊湊型熒光燈具采用的球體尺寸為1m或者更大。燈具越大，所需的積分球尺寸越大。例如四腳線性熒光燈和高強度氣體放電燈，采用1.5m或更大的積分球。通常，測量500w或者更強的燈源，采用2m或更大