Интегрирующая сфера

( Интегрирующая сфера также известная как сфера Ульбрихта ) представляет собой оптический компонент, состоящий из полой сферической полости, внутренняя часть которой покрыта диффузным белым отражающим покрытием, с небольшими отверстиями для входных и выходных портов. Его важным свойством является эффект равномерного рассеивания или рассеивания. Лучи света, падающие на любую точку внутренней поверхности, за счет многократного рассеяния распространяются поровну на все остальные точки. Эффекты исходного направления света сведены к минимуму. Интегрирующую сферу можно рассматривать как диффузор , который сохраняет силу, но уничтожает пространственную информацию. Обычно он используется с источником света и детектором для измерения оптической мощности. Аналогичным устройством является фокусирующая или сфера Кобленца, отличающаяся тем, что она имеет зеркальную (зеркальную) внутреннюю поверхность, а не размытую внутреннюю поверхность.

В 1892 году У. Е. Сампнер опубликовал выражение для пропускной способности сферического помещения с диффузно отражающими стенками. ^[1] РЖ. Ульбрихт разработал практическую реализацию интегрирующей сферы, ставшую темой публикации в 1900 году. ^[2] Он стал стандартным инструментом в фотометрии и радиометрии и имеет преимущество перед гониофотометром в том, что полную мощность, производимую источником, можно получить за одно измерение. Другие формы, такие как кубическая коробка, также были теоретически проанализированы. ^[3]

Даже небольшие коммерческие интегрирующие сферы обходятся во многие тысячи долларов, в результате чего их использование зачастую ограничивается промышленностью и крупными научными учреждениями. Однако 3D-печать и самодельные покрытия позволили создать экспериментально точные сферы DIY по очень низкой цене. ^[4]

Теория

Теория интеграции сфер основана на следующих предположениях:

Свет, падающий на стороны сферы, рассеивается диффузно, т.е. по Ламберту.
Только свет, рассеянный в сфере, попадает в порты или детекторы, используемые для исследования света.

Используя эти предположения, можно рассчитать сферный множитель. Это число представляет собой среднее количество раз, когда фотон рассеивается в сфере, прежде чем он поглотится покрытием или выйдет через порт. Это число увеличивается с увеличением отражательной способности покрытия сферы и уменьшается с увеличением соотношения общей площади портов и других поглощающих объектов к внутренней площади сферы. Для достижения высокой однородности рекомендуемый множитель сферы составляет 10-25. ^[5]

Теория далее утверждает, что если вышеуказанные критерии выполняются, то освещенность любого элемента площади на сфере будет пропорциональна общему потоку излучения, поступающему в сферу. Затем можно выполнить абсолютные измерения светового потока, измеряя известный источник света и определяя передаточную функцию или калибровочную кривую.

Суммарное выходное излучение

Для сферы радиуса r, коэффициента отражения ρ и потока источника Φ начальная отраженная освещенность равна:

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

Каждый раз, когда излучение отражается, коэффициент отражения экспоненциально растет. Полученное уравнение:

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

Поскольку ρ ≤ 1, геометрический ряд сходится, и полная выходная освещенность равна: ^[6]

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

Приложения

Интегрирующие сферы используются для различных оптических, фотометрических или радиометрических измерений. Они используются для измерения общего света, излучаемого лампой во всех направлениях. Интегрирующую сферу можно использовать для создания источника света с кажущейся интенсивностью, однородной во всех положениях внутри ее круглой апертуры и независимой от направления, за исключением функции косинуса, присущей идеально рассеивающим излучающим поверхностям ( поверхности Ламберта ). Интегрирующую сферу можно использовать для измерения диффузного отражения поверхностей, получая среднее значение по всем углам освещения и наблюдения.

Существует ряд методов измерения абсолютной отражательной способности тестируемого объекта, установленного на интегрирующей сфере. В 1916 году Э.Б. Роза и А.Х. Тейлор опубликовали первый такой метод. ^[7] Последующая работа А. Х. Тейлора, ^[8]^[9] Фрэнк А. Бенфорд, ^[10]^[11] Ч. Шарп и У. Ф. Литтл, ^[12] Енох Каррер, ^[13] и Леонард Ханссен и Саймон Каплан ^[14]^[15] расширено количество уникальных методов измерения тестовых объектов, установленных на портах. Эдвардс и др., ^[16] Корте и Шмидт, ^[17] и Ван ден Аккер и др. ^[18] разработала методы измерения тестовых объектов, расположенных в центре.

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

Поскольку весь свет, падающий на входной порт, собирается, детектор, подключенный к интегрирующей сфере, может точно измерить сумму всего окружающего света, падающего на небольшую круглую апертуру. Полную мощность лазерного луча можно измерить независимо от влияния формы луча, направления и положения падения, а также поляризации .

Материалы

Оптические свойства облицовки сферы существенно влияют на ее точность. Различные покрытия должны использоваться в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах волн. Мощные источники освещения могут нагреть или повредить покрытие, поэтому интегрирующая сфера будет рассчитана на максимальный уровень падающей мощности. Используются различные материалы покрытия. Для света видимого спектра первые экспериментаторы использовали отложения оксида магния , а сульфат бария также имеет практически плоский коэффициент отражения в видимом спектре. различные запатентованные соединения ПТФЭ Для измерений в видимом свете также используются . Мелкоосажденное золото используется для инфракрасных измерений.

Важным требованием к материалу покрытия является отсутствие флуоресценции. Флуоресцентные материалы поглощают коротковолновый свет и повторно излучают свет с более длинными волнами. Из-за множества рассеяний этот эффект гораздо более выражен в интегрирующей сфере, чем для материалов, облученных нормально.

Структура

Теория интегрирующей сферы предполагает однородную внутреннюю поверхность с диффузной отражательной способностью, приближающейся к 100%. Отверстия, через которые свет может выходить или проникать, используемые для детекторов и источников, обычно называются портами. Чтобы теоретические предположения были верными, общая площадь всех портов должна быть небольшой, менее 5% площади поверхности сферы. Поэтому неиспользуемые порты должны иметь соответствующие заглушки, причем внутренняя поверхность заглушки должна быть покрыта тем же материалом, что и остальная часть сферы.

Размер интегрирующих сфер варьируется от нескольких сантиметров в диаметре до нескольких метров в диаметре. Сферы меньшего размера обычно используются для рассеяния падающего излучения, а сферы большего размера используются для измерения интегрирующих свойств, таких как световой поток лампы или светильников, которые затем помещаются внутрь сферы.

Если входящий свет является некогерентным (а не лазерным лучом), то он обычно заполняет порт источника, и имеет значение соотношение площади порта источника к площади порта детектора.

В сферу обычно вставляются перегородки, чтобы заблокировать прямой путь света от порта источника к порту детектора, поскольку этот свет будет иметь неравномерное распределение. ^[19]

См. также

Косинусный закон Ламберта

Ссылки

^ Сампнер, МЫ (1892 г.). «Рассеяние света» . Труды Лондонского физического общества . 12 (1): 10–29. Бибкод : 1892PPSL...12...10S . дои : 10.1088/1478-7814/12/1/304 .
^ Ульбрихт, О. (1900). «Определение средней пространственной интенсивности света всего одним измерением». Электротехнический период. (на немецком языке). 21 :595-610.
^ Сампнер, МЫ (1910). «Прямое измерение общего количества света, излучаемого лампой». Инженер-светотехник . 3 : 323.
^ Томес, Джон Дж.; Финлейсон, Крис Э. (2016). «Недорогая 3D-печать, использованная в студенческом проекте: интегрирующая сфера для измерения квантового выхода фотолюминесценции» . Европейский журнал физики . 37 (5): 055501. Бибкод : 2016EJPh...37e5501T . дои : 10.1088/0143-0807/37/5/055501 . hdl : 2160/43921 . ISSN 0143-0807 . S2CID 124621249 . Проверено 12 октября 2021 г.
^ «Интеграция сферического дизайна и приложений» (PDF) . Сферическая оптика . ООО «СфераОптика». Архивировано из оригинала (PDF) 15 августа 2009 г.
^ Шотт, Джон Р. (2007). Дистанционное зондирование: подход «цепочка изображений» . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-972439-0 . Проверено 17 июня 2020 г.
^ Роза, Е.Б.; Тейлор, AH (1916). «Интегрирующая фотометрическая сфера, ее конструкция и использование». Труды Общества светотехники . 11 : 453.
^ Тейлор, AH (1920). «Измерение коэффициентов диффузного отражения и новый абсолютный рефлектометр» . Журнал Оптического общества Америки . 4 (1): 9–23. дои : 10.1364/JOSA.4.000009 . hdl : 2027/mdp.39015086549857 . Проверено 12 октября 2021 г.
^ Тейлор, AH (1935). «Ошибки в рефлектометрии» . Журнал Оптического общества Америки . 25 (2): 51–56. дои : 10.1364/JOSA.25.000051 . Проверено 12 октября 2021 г.
^ Бенфорд, Фрэнк А. (1920). «Абсолютный метод определения коэффициентов диффузного отражения». Обзор Дженерал Электрик . 23 : 72–75.
^ Бенфорд, Фрэнк А. (1934). «Рефлектометр для всех типов поверхностей» . Журнал Оптического общества Америки . 24 (7): 165–174. дои : 10.1364/JOSA.24.000165 . Проверено 12 октября 2021 г.
^ Шарп, Швейцария; Литтл, ВФ (1920). «Измерения коэффициентов отражения». Труды Общества светотехники . 15 :802.
^ Каррер, Енох (1921). «Использование сферы Ульбрихта для измерения коэффициентов отражения и прохождения» . Научные труды Бюро стандартов . 17 : 203–225. doi : 10.6028/nbsscipaper.092 . Проверено 12 октября 2021 г.
^ Ханссен, Леонард; Каплан, Саймон (2 февраля 1999 г.). «Приборы и стандарты диффузного отражения инфракрасного излучения в NIST» . Аналитика Химика Акта . 380 (2–3): 289–302. Бибкод : 1999AcAC..380..289H . дои : 10.1016/S0003-2670(98)00669-2 . Проверено 12 октября 2021 г.
^ Ханссен, Леонард (1 июля 2001 г.). «Система интегрирующей сферы и метод абсолютного измерения коэффициента пропускания, отражения и поглощения зеркальных образцов» . Прикладная оптика . 40 (19): 3196–3204. Бибкод : 2001ApOpt..40.3196H . дои : 10.1364/AO.40.003196 . ПМИД 11958259 . Проверено 12 октября 2021 г.
^ Эдвардс, ДК; Гир, Дж. Т.; Нельсон, Кентукки; Роддик, Р.Д. (1961). «Интегрирующая сфера для несовершенно диффузных образцов» . Журнал Оптического общества Америки . 51 (11): 1279–1288. дои : 10.1364/JOSA.51.001279 . Проверено 12 октября 2021 г.
^ Корте, Х.; Шмидт, М. (1967). «Об измерениях коэффициента яркости на произвольно отражающих образцах». Светотехника (на немецком языке). 19 :135А-137А.
^ Ван ден Аккер, JA; Дорт, Леонард Р.; Шиллкокс, Уэйн М. (1966). «Оценка абсолютного отражения в целях стандартизации» . Журнал Оптического общества Америки . 56 (2): 250–252. дои : 10.1364/JOSA.56.000250 . Проверено 12 октября 2021 г.
^ Ханссен, Леонард М.; Прохоров Александр В.; Хромченко, Владимир Б. (14 ноября 2003 г.). Зеркальная перегородка для улучшения характеристик интегрирующей сферы инфракрасного излучения . Оптическая наука и технологии, 48-е ежегодное собрание SPIE. Том. 5192. Сан-Диего, Калифорния, США: SPIE. дои : 10.1117/12.508299 . Проверено 12 октября 2021 г.

Внешние ссылки

РП Фотоника, Энциклопедия лазерной физики и техники , Интегрирующие сферы
Pike Technologies, Интеграция сфер – Введение и теория , Рекомендации по применению Pike Technologies
Ньюпорт, Интегрирующие сферы с фланцевым креплением
Уайтхед, Лорн А.; Моссман, Мишель А. (2006). «Джек О'Лантерны и объединяющиеся сферы: физика Хэллоуина» . Американский журнал физики . 74 (6): 537–541. Бибкод : 2006AmJPh..74..537W . дои : 10.1119/1.2190687 .
Дюшарм, Альфред; Дэниелс, Арнольд; Гранн, Эрик; Бореман, Гленн (1997). «Проектирование интегрирующей сферы как источника однородного освещения». Транзакции IEEE по образованию . 40 (2): 131–134. Бибкод : 1997ITEdu..40..131D . дои : 10.1109/13.572326 . S2CID 61946451 .
Питер Хискокс, Интегрирующая сфера для калибровки яркости. Архивировано 6 января 2012 г. в Wayback Machine , 6-я версия, май 2016 г.
Ci Systems, введение в интеграционную сферу, механическая структура, калибровка и источники
Электрооптическая промышленность, интеграционные сферы
Состояние интеграционной сферы в Китае

[Sumpner1892-1] Сампнер, МЫ (1892 г.). «Рассеяние света» . Труды Лондонского физического общества . 12 (1): 10–29. Бибкод : 1892PPSL...12...10S . дои : 10.1088/1478-7814/12/1/304 .

[Ulbricht1900-2] Ульбрихт, О. (1900). «Определение средней пространственной интенсивности света всего одним измерением». Электротехнический период. (на немецком языке). 21 :595-610.

[Sumpner1910-3] Сампнер, МЫ (1910). «Прямое измерение общего количества света, излучаемого лампой». Инженер-светотехник . 3 : 323.

[Tomes2016-4] Томес, Джон Дж.; Финлейсон, Крис Э. (2016). «Недорогая 3D-печать, использованная в студенческом проекте: интегрирующая сфера для измерения квантового выхода фотолюминесценции» . Европейский журнал физики . 37 (5): 055501. Бибкод : 2016EJPh...37e5501T . дои : 10.1088/0143-0807/37/5/055501 . hdl : 2160/43921 . ISSN 0143-0807 . S2CID 124621249 . Проверено 12 октября 2021 г.

[SphereOptics2007-5] «Интеграция сферического дизайна и приложений» (PDF) . Сферическая оптика . ООО «СфераОптика». Архивировано из оригинала (PDF) 15 августа 2009 г.

[Schott2007-6] Шотт, Джон Р. (2007). Дистанционное зондирование: подход «цепочка изображений» . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-972439-0 . Проверено 17 июня 2020 г.

[Rosa1916-7] Роза, Е.Б.; Тейлор, AH (1916). «Интегрирующая фотометрическая сфера, ее конструкция и использование». Труды Общества светотехники . 11 : 453.

[Taylor1920-8] Тейлор, AH (1920). «Измерение коэффициентов диффузного отражения и новый абсолютный рефлектометр» . Журнал Оптического общества Америки . 4 (1): 9–23. дои : 10.1364/JOSA.4.000009 . hdl : 2027/mdp.39015086549857 . Проверено 12 октября 2021 г.

[Taylor1935-9] Тейлор, AH (1935). «Ошибки в рефлектометрии» . Журнал Оптического общества Америки . 25 (2): 51–56. дои : 10.1364/JOSA.25.000051 . Проверено 12 октября 2021 г.

[Benford1920-10] Бенфорд, Фрэнк А. (1920). «Абсолютный метод определения коэффициентов диффузного отражения». Обзор Дженерал Электрик . 23 : 72–75.

[Benford1934-11] Бенфорд, Фрэнк А. (1934). «Рефлектометр для всех типов поверхностей» . Журнал Оптического общества Америки . 24 (7): 165–174. дои : 10.1364/JOSA.24.000165 . Проверено 12 октября 2021 г.

[Sharpe1920-12] Шарп, Швейцария; Литтл, ВФ (1920). «Измерения коэффициентов отражения». Труды Общества светотехники . 15 :802.

[Karrer1921-13] Каррер, Енох (1921). «Использование сферы Ульбрихта для измерения коэффициентов отражения и прохождения» . Научные труды Бюро стандартов . 17 : 203–225. doi : 10.6028/nbsscipaper.092 . Проверено 12 октября 2021 г.

[Hanssen1999-14] Ханссен, Леонард; Каплан, Саймон (2 февраля 1999 г.). «Приборы и стандарты диффузного отражения инфракрасного излучения в NIST» . Аналитика Химика Акта . 380 (2–3): 289–302. Бибкод : 1999AcAC..380..289H . дои : 10.1016/S0003-2670(98)00669-2 . Проверено 12 октября 2021 г.

[Hanssen2001-15] Ханссен, Леонард (1 июля 2001 г.). «Система интегрирующей сферы и метод абсолютного измерения коэффициента пропускания, отражения и поглощения зеркальных образцов» . Прикладная оптика . 40 (19): 3196–3204. Бибкод : 2001ApOpt..40.3196H . дои : 10.1364/AO.40.003196 . ПМИД 11958259 . Проверено 12 октября 2021 г.

[Edwards1961-16] Эдвардс, ДК; Гир, Дж. Т.; Нельсон, Кентукки; Роддик, Р.Д. (1961). «Интегрирующая сфера для несовершенно диффузных образцов» . Журнал Оптического общества Америки . 51 (11): 1279–1288. дои : 10.1364/JOSA.51.001279 . Проверено 12 октября 2021 г.

[Korte1967-17] Корте, Х.; Шмидт, М. (1967). «Об измерениях коэффициента яркости на произвольно отражающих образцах». Светотехника (на немецком языке). 19 :135А-137А.

[VandenAkker1966-18] Ван ден Аккер, JA; Дорт, Леонард Р.; Шиллкокс, Уэйн М. (1966). «Оценка абсолютного отражения в целях стандартизации» . Журнал Оптического общества Америки . 56 (2): 250–252. дои : 10.1364/JOSA.56.000250 . Проверено 12 октября 2021 г.

[Hanssen2003-19] Ханссен, Леонард М.; Прохоров Александр В.; Хромченко, Владимир Б. (14 ноября 2003 г.). Зеркальная перегородка для улучшения характеристик интегрирующей сферы инфракрасного излучения . Оптическая наука и технологии, 48-е ежегодное собрание SPIE. Том. 5192. Сан-Диего, Калифорния, США: SPIE. дои : 10.1117/12.508299 . Проверено 12 октября 2021 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]