1、积分球系统 申丰,概 述,光度学概念积分球简介积分球原理积分球涂层积分球测量方法积分球尺寸选择,光度学概念,电磁波 电磁波又称电磁辐射。人眼可接收到的电磁辐射，波长大约在380至780纳米之间，称为可见光。,光度学概念,视见函数 也被称为光谱光效率函数。人眼对不同波长的光有不同的灵敏度。 根据环境明暗条件的不同，又被分为明视觉视见函数V（）和暗视觉视见函数V（） 。,光度学概念,辐射通量 单位时间内物质以电磁辐射的形式发射、传输或接受的能量称为辐射通量。 符号：e 单位:瓦特(W)光通量 可见光波段内的辐射通量 与相对视见函数的乘积。 符号： 单位:流明(lm),光度学概念,光照度 单位受照面
2、积接受的光通量，定义为光照面的光照度E。 表达式： 单位：流明每平方米（lm/m2）,光度学,立体角一个锥面所围成的空间部分称为立体角。点光源以一定发散角照射到物体表面，它所形成的立体角称为。 表达式：,光度学概念,发光强度 点光源向各方向发出的可见光。在某一个方向，单位立体角内发出的光通量的发光强度。 表达式： 单位：坎德拉（cd）,光度学概念,亮度 发光表面法线方向上，单位面积上单位立体角内的光通量定义为光源的亮度L。 表达式：单位：（cd/m2）,积分球简介,积分球的功能及应用 积分球系统主要功能是测量光源的辐射度、色度、光度等光色电参数。具体包括光源的光通量、照度、色温、色度坐标、发光
3、效率等。 积分球系统主要应用于光源、灯具等光测量领域。,积分球简介,积分球是一个内部涂有漫反射涂层的空心球体，外面一般是金属结构，开有几个小孔。 积分球内部有标准灯、辅助灯、光纤接口等，外接设备包括电源、电脑、光谱仪等仪器。,积分球简介,理想积分球系统球内表面是一完美的球面，半径处处相等；球内壁是均匀的漫反射涂层，对各种波长的光具有相同的漫反射率；球内没有任何物体，光源只看作发光但没有实物的抽象光源。,积分球原理,朗伯光源与朗伯特性 若光源的发光强度按余弦规律变化，即其亮度与方向无关。这类发射体称为余弦发光体或朗伯体，朗伯光源又称为余弦体光源。 自然界的朗伯体：太阳、毛玻璃灯罩、白纸、积雪、白
4、墙,积分球原理,朗伯特性：光源发出的光从任意方向看亮度都是一样的。根据之前亮度的定义，可知： 当光源的发光强度满足:光源的亮度与方向无关。,积分球原理,根据朗伯定律，说明积分球的原理。 如图所示，O是球心，r是半径。A是球面上单位面积为dS 的漫反射源，光源光通量为 ，P点的照度 ，考虑到整个发光面都有漫反射光，则P点的照度 。,积分球原理,假设涂层漫反射系数为 。假设一束光通量为 的光入射到积分球里面，在球内形成均匀光，在球内任意点A的照度为E，设 是由第一次反射产生的照度（考虑到挡板对光源的作用）：,积分球原理,这束光在球内还要进行无穷多次的反射。则A点经过n次反射后的总照度： P1是一次
5、反射 P2是二次反射,积分球原理,当 时 结论： 积分球内光照度大小与涂层的漫反射、光通量、球体的半径有关。 我们要求照度均匀的话，需要保证积分球涂层漫反射率稳定，球体半径处处相等。,积分球原理,当积分球内的光是均匀光的时候，可以测量任意一点的照度E，根据辐照度原理 ，可以求出某个光谱对应的光通量 ，则光源的光通量 其中 ， 为视见函数。,积分球原理,怎样验证光均匀性？ 一般来说，验证积分球内反射光的均匀性，我们采用转动待测光源位置，观察测试结果变化的方法。,积分球原理,测试方案 采用高亮度绿色F5LED，功率约0.35W，发光角度约30。测试结果如下：,积分球原理,测量结果： 测量得到的平均
6、光通量值为16.911流明，测量值的标准偏差为0.3911，得到误差小于2.35%。结论： 蓝菲光学（Labsphere）的积分球系统测量结果可靠、稳定，对产品的性能给予可靠的保证，是LED行业光学性能测量的理想选择。,积分球涂层,为什么强调积分球涂层？评价积分球的好坏主要靠涂料、挡板、开口、球体完美度等，最主要是涂料。国内外的积分球最主要的差别在于积分球涂料不同。,积分球涂层,积分球涂层需要满足的条件根据CIE标准要求，漫反射率至少大于80%。漫反射率随波长的变化小，即呈光谱中性特性。化学稳定性好、不发黄。（关于积分球涂层的标准要求：CIE-84-1989 Measurement of Lu
7、minous Flux）,积分球涂层,常见积分球涂料 积分球的涂料很多，不同的涂料适用于不同的波长范围。积分球涂料对积分球至关重要，厂家一般采用硫酸钡、聚四氟乙烯（PTFE）等作为积分球涂料。,积分球涂层,最常见的积分球涂料硫酸钡该涂料的优点：高反射率、高朗伯特性、喷涂容易、容易清除、无毒等。该涂料的缺点：水溶性、不够牢固、容易被损害等。,积分球涂层,较高端的涂料-聚四氟乙烯 该涂料的优点：在0.2-2.5微米波长范围内，光谱反射率高于硫酸钡。该涂料不怕潮湿，暴露在紫外光下也不会变黄。 该涂料的缺点：易碎、对温度敏感、热稳定性差、容易污染、价格高。,积分球涂层,聚四氟乙烯与硫酸钡的反射率对比图
8、,积分球涂层,总结 不同的涂料各有优缺点，我们需要根据特定的情况选择合适的积分球涂料。比如潮湿的环境就不能用硫酸钡涂料，高温的环境就不适合用聚四氟乙烯涂料。 其中，硫酸钡涂料的缺点很明显，较容易受潮，受潮后容易脱落。高温环境下容易氧化、变色。这些都会造成数据测试误差。,积分球涂层,国内积分球涂料主要有硫酸钡涂料R80、R93、R97、R98、诗贝伦SPEKTRON、聚四氟乙烯（PTFE）等。国内主要销售积分球厂家：杭州远方光电、杭州浙大三色、杭州晶飞科技。,积分球涂层,国外，主要积分球生产厂家有美国蓝菲光学、美国OL、德国IS。 蓝菲光学的涂料主要分为四种: Spectraflect、Dura
9、flect、Infragold、Spectralon。,积分球涂层,Spectraflect涂料：经济实用型，在可见光光谱内具有很高的反射率。厚度在0.5mm以上时，波长400-1100nm之间，反射率超过99%。在360-830nm的光谱范围内提供97%的反射率，并且能扩展至300-2400nm范围。,积分球涂层,Duraflect涂料：在波长350-1200nm之间，反射率超过95%。主要优点是防水、防潮、耐腐蚀。可应用于恶劣的环境中，比如风化、磨损、湿度环境。,积分球涂层,Infragold涂料：工作于近、中、远红外波段，波长范围从700nm到2000nm之间的红外波段表现优异。主要用于
10、小功率激光器的光学测量。,积分球涂层,Spectralon涂料：同时工作于紫外、可见光、近红外波段。在光谱范围400至1500nm，其反射率能达到99%，而且在250至2500nm的范围下也能达到高于95%的反射率。高于目前任何已知材料的散射反射率且耐热性好。,积分球涂层,Spectralon涂料 根据应用场合分为三个层次：光学层次、激光层次和太空层次。光学层次：在紫外光、可见光和近红外波段表现出高反射率和朗伯特性。激光层次：物理特性跟光学层次的一样，就是应用于激光泵浦腔时加入的特制树脂增强了某些性能。太空层次：具有高反射率以及高朗伯特性，是地面遥感应用的首选材料。,积分球涂层,国内外积分球涂
11、料漫反射率对比,积分球涂层,总结分析从涂料反射率的角度上看一般厂家的硫酸钡涂料反射率低于聚四氟乙烯以及国外品牌涂料。聚四氟乙烯的反射率高、光谱范围宽，是理想的积分球涂料。蓝菲光学的Spectralon涂料的反射率最高。,积分球涂层,从涂料的光谱中性（波长选择性）来看硫酸钡在紫外及红外区的光谱中性均不理想，可见光内还可以接受。聚四氟乙烯涂料的光谱范围宽，光谱中性好。蓝菲光学的Spectralon涂料的光谱范围很广，光谱中性非常好。,积分球涂层,从客户的反馈来看很多厂商的积分球涂料时间久了会泛黄、开裂、脱落，且具有刺鼻的气味。而这样老化造成的反射率下降会严重影响测试精度，所以一般积分球涂料都需要一
12、两年一次的重新喷涂。蓝菲光学的Spectraflect涂料完全无毒、无异味，且具备8年以上的使用寿命，无需重新喷涂。,积分球测量方法,SSL产品光通量测量一般使用积分球系统或分布光度计。积分球与光度计的不同点积分球系统的原理就是测量积分球上某一点的照度，算出某个波长下的辐射通量，最后算出光源的总光通量。分布光度计一般是测出光源的光强分布，计算出光源的光通量。,积分球测量方法,积分球与光度计的不同点积分球系统适合于集成LED灯具和相对较小的LED照明产品。积分球系统LED的光谱分布和光强分布与常用标准灯之间存在较大的差异，会带来较大的测量误差。分布式光度计适用于大型灯具如高压汞灯、钠灯的光学测量
13、，测量精度更高。大多数第三方检测机构和大型国家实验室多会选用旋转反光镜式分布光度计，当然很多的生产型企业也会选用卧式分布光度计。,积分球测量方法,积分球与光度计的不同点积分球系统配合光谱仪可以测量色温、显色指数、色品坐标等参数。分布式光度计还可以提供IES文件（光度学数据文件）。,积分球测量方法,两种测量方法：4测量、2测量4测量-适用于所有类型的SSL产品2测量-适用于发光角度小于180的SSL产品安装方式：灯具或者光源发光角度朝下,积分球测量方法,固态照明产品的电气和光度测量标准LM-79-80 ，规定了积分球的测量方法。 积分球的光通量测量必须根据校准得到。待测灯的光通量是与标准灯的比较
14、得到的，这种方法可以降低待测灯光通量的测量误差。 辅助灯的作用是比较标准灯和待测灯外形或颜色对于光吸收的差异。,积分球测量方法,一般积分球的基本操作步骤标准灯放入积分球内部，点亮，获得此时光谱仪的读值yREF（）。标准灯熄灭，辅助灯点亮，获得光谱仪读值yaux,REF（）。辅助灯不要熄灭，把标准灯更换为被测灯，被测灯不要点亮，获得光谱仪读值yaux,TEST（）。辅助灯熄灭，被测灯点亮，获得光谱仪读数yTEST（）。,积分球测量方法,积分球的计算公式其中（）为自吸收补偿系数,积分球测量方法,TEST（）为待测灯每个波长对应的光谱辐射量。根据以下公式，可以计算出实际待测灯的光通量。其中，Km为最
15、大光谱光视效能函数。,积分球测量方法,光谱光视效能K() ： 描述某一波长的单色光辐射通量产生的光通量，即波长为的单色光，其单色光通量v()与单色光辐射通量e()之比定义为光谱光视效能。 用K()表示明视觉光谱光视效能，用K()表示暗视觉光谱光视效能，单位为lm/W。,积分球测量方法,K() = v()/ e() = Km V()Km 为最大光谱光视效能，即：明视觉Km = K(555) = 683 lm/W暗视觉Km =K(507) = 1700 lm/W,积分球尺寸选择,积分球尺寸的影响积分球尺寸必须足够大，确保挡板和自吸收造成的误差在固态照明产品测试中不会很明显。积分球尺寸必须足够大，避免待测光源的热量使温度增加过高。积分球尺寸也不能太大，避免探测器接受到的信号太微弱，曝光时间过长。,积分球尺寸选择,通常，紧凑型荧光灯具采用的球体尺寸为1m或者更大。灯具越大，所需的积分球尺寸越大。例如四脚线性荧光灯和高强度气体放电灯，采用1.5m或更大的积分球。通常，测量500w或者更强的灯源，采用2m或更大的积分球。,积分球尺寸选择,4几何体中，固态照明产品的表面总面积应该小于球壁面积的2%。对应球形物体的直径大概小于积分球直径的1/7。线性产品的直径小于球体直径的2/3。2几何体中，用于安装固态照明产品的开口直径，应该小于球体直径的1/3。,
