Integrační koule – pro měření i jako homogenní zdroje světla
Integrační koule rozdělují dopadající světlo difuzním odrazem rovnoměrně po vnitřním povrchu koule. Používají se k integraci světla a záření a jako zdroj rovnoměrného difuzního záření – například pro měření světelného a zářivého toku, měření výkonu laseru, kalibraci detektorů a měření difuzní odrazivosti a propustnosti. Opsytec je vyrábí individuálně s průměry od 25 mm do 2,5 m a s povrchovou úpravou ze síranu barnatého, PTFE nebo zlata.
Přednosti našich integračních koulí
- Specializace na zakázkovou výrobu
- Průměr od 25 mm do 2,5 m
- Na výběr povrchové úpravy ze síranu barnatého, zlata a PTFE
Aby se zamezilo rušivé fluorescenci a chybám měření, zejména při nízkém světelném toku, jsou naše integrační koule vyrobeny z kovových koulí se zlatou úpravou nebo s povrchem BaSO₄. Integrační koule z PTFE se vyrábějí jako plné duté koule ve válcovém hliníkovém pouzdře.
Tím navíc u všech integračních koulí zajišťujeme, že dovnitř nepronikne žádné světlo zvenčí, jak je to možné u tenkostěnných plastových koulí.
Aplikace integračních koulí
- Měření jasu a záře lamp
- Měření výkonu laseru
- Měření LED, OLED, displejů, světlovodů
- Kalibrace detektorů
- Měření difuzního odrazu a propustnosti
- Rovnoměrný zdroj světla
V laserové metrologii se stejné uspořádání nazývá detektor energie nebo detektor výkonu s integrační koulí: koule přijme svazek, rozdělí jej po vnitřním povrchu, a tím jej učiní měřitelným jediným detektorem – bez ohledu na to, kde svazek vstupuje a jaký má profil.
Jak se světelný tok a zářivý tok LED měří pomocí integrační koule a spektroradiometru, popisuje stránka Měření světelného toku LED.
Jak funguje integrační koule: vícenásobný odraz a násobitel koule
Difuzně odrážející vnitřní povrch vyzařuje podle Lambertova zákona: každý osvětlený bod odevzdává světlo rovnoměrně do všech směrů. Ve spojení s kulovou geometrií to vytváří vlastnost, kterou žádný jiný tvar neposkytuje – osvětlenost na stěně nezávisí ani na tom, kde světlo vstupuje, ani na tom, jakým způsobem zdroj vyzařuje. Právě proto může koule změřit světelný tok lampy, jejíž vyzařovací charakteristika není známa.
Světlo se neodráží jednou, ale mnohokrát. Kolikrát, udává násobitel koule M:
M = ρ / [ 1 − ρ (1 − f) ] kde ρ = odrazivost povlaku, f = podíl otvorů na vnitřním povrchu koule
Dvě čísla ukazují, na čem záleží. Při podílu otvorů 2 % a odrazivosti 0,98 je násobitel M ≈ 25. Snižte odrazivost na 0,95 a M klesne přibližně na 14.
Tři procentní body odrazivosti sníží signál téměř na polovinu. Z toho plynou dvě věci, které katalogové listy uvádějí jen zřídka: povlak určuje citlivost celého měření. A koule měřitelně stárne – síran barnatý pod UV zářením žloutne, PTFE pohlcuje olej a prach. Obojí sníží ρ o několik procentních bodů a signál o třetinu. Integrační koule by se proto měly v pravidelných intervalech rekalibrovat.
Která povrchová úprava se hodí pro kterou vlnovou délku
| Povrchová úprava | Rozsah vlnových délek | typická odrazivost | Přednost | Omezení |
|---|---|---|---|---|
| Síran barnatý (BaSO₄) | 300–2400 nm | 88–93 % | Lze nanést i na velmi velké koule až do 2,5 m | Odrazivost klesá pod 300 nm; citlivý na vlhkost |
| PTFE | 200–2500 nm | až 99 % | Nejvyšší odrazivost, dosahuje až do oblasti UV-C | Jako pevný materiál prakticky použitelný jen pro malé a střední průměry |
| Zlato, 20 µm | 0,7–20 µm | 96–98 % | Jediná cesta do oblasti NIR a IR | Ve viditelné ani v UV oblasti nepoužitelné |
Volba se tedy řídí vlnovou délkou, nikoli cenou. Kdo měří v UV-C při 254 nm, nemá se sírníkem barnatým volbu – tam je PTFE jediným povlakem s použitelnou odrazivostí. Ani ten, kdo potřebuje dvoumetrovou kouli pro měření světelného toku, nemá volbu, ovšem naopak: plný PTFE nelze v takové velikosti vyrobit.
Konstrukce: průměr, podíl otvorů a clonka
Tři veličiny spolu souvisejí a žádnou z nich nelze stanovit samostatně.
Podíl otvorů f. Každý otvor je místem bez odrazu a působí jako černá skvrna. Jako orientační pravidlo platí, že všechny otvory dohromady by měly zůstat pod 5 % vnitřního povrchu koule; u přesných měření světelného toku výrazně pod touto hodnotou. Důvod udává výše uvedený vzorec: f vstupuje přímo do násobitele koule.
Průměr. Řídí se zkoušeným zařízením. Aby koule tok integrovala a nezobrazovala zdroj, musí být zkoušený objekt malý vůči kouli – jako orientační pravidlo nanejvýš jedna desetina průměru koule. Svítidlo LED o velikosti 30 cm proto vyžaduje kouli o průměru zhruba tří metrů, zatímco jediné 5 mm LED vystačí s 50 mm. Druhou souvislostí je podíl otvorů: větší koule snese při stejném průměru otvoru menší podíl.
Clonka. Malá zástěna mezi zdrojem a detektorem. Bez ní dopadá světlo ze zdroje přímo na detektor a měření opět závisí na směru záření – přesně tomu má koule zabránit.
Vlastní absorpce. Zkoušený objekt sám pohlcuje světlo: lampa s velkou paticí odebere kouli více než malá LED. Toto se koriguje pomocí pomocné lampy, přičemž se měří jednou se zkoušeným objektem a jednou bez něj. U přesných měření světelného toku nejde o příslušenství, nýbrž o nezbytný předpoklad.
Měření výkonu a energie laseru v integrační kouli
Laserový svazek má tři vlastnosti, které zkreslují jakékoli přímé měření: profil svazku nerovnoměrně rozložený po ploše detektoru, úhel dopadu, na který reaguje citlivost, a polarizaci. Integrační koule všechny tři odstraňuje: po prvním difuzním odrazu je světlo nepolarizované, bez směru a rovnoměrně rozložené po stěně. Detektor nevidí nic jiného než ozářenost.
Druhým důvodem je hustota výkonu. Svazek o výkonu 10 W a průměru 1 mm nese přibližně 1,3 kW/cm² – dost na to, aby okamžitě zničil jakýkoli polovodičový detektor. Koule rozloží stejný výkon po celém svém vnitřním povrchu; při průměru 100 mm je to 314 cm². To, co dopadá na detektor, je tedy o více než tři řády nižší.
U pulzních laserů se integruje přes puls: měří se energie v joulech, nikoli výkon ve wattech. Koule na tom nic nemění – i zde přináší výhodu, že profil svazku a seřízení nehrají roli.
Zbývají dva body. Za prvé je třeba znát odrazivost na vlnové délce laseru – koule kalibrovaná při 550 nm měří při 1064 nm chybně. Za druhé je povlak tepelně omezen: při kontinuálních výkonech ve stovkách wattů je nutné do úvah zahrnout i tepelný návrh.
Technické údaje pro integrační koule BaSO4, zlaté nebo PTFE
| Průměr | viz: objednací čísla |
| zákaznicky specifický na vyžádání | |
| Povlak | Síran barnatý (BaSO₄) |
| PTFE | |
| Zlato, 20 µm | |
| Porty | 2 (standard) |
| Clony | 1 (standard) |
| Možnosti | vnitřní osvětlení |
| další porty | |
| Příslušenství | Světelné pasti |
| Radiometr | |
| Spektrometr | |
| Záslepka portu | |
| Redukce portu |
Objednací čísla, rozsah dodávky, příslušenství a varianty
| Povlak | Rozsah vlnových délek |
|---|---|
| Síran barnatý (BaSO₄) | 300–2400 nm |
| PTFE | 200–2500 nm |
| Zlato | 0,7–20 µm |
Povlak určuje využitelný rozsah vlnových délek. Síran barnatý je standardní povlak, PTFE zasahuje dále do UV oblasti a blízké infračervené oblasti, zlato je volbou pro střední infračervenou oblast.
| Vnitřní průměr | Dostupné s |
|---|---|
| 25 mm | PTFE |
| 50 mm | PTFE, zlato |
| 75 mm | PTFE, zlato |
| 100 mm | PTFE, zlato |
| 150 mm | síran barnatý, PTFE, zlato |
| 200 mm | síran barnatý, zlato |
| 300 mm | síran barnatý, zlato |
| 500 mm | síran barnatý, zlato |
| 600 mm | síran barnatý, zlato |
| 800 mm | síran barnatý |
| 1 000 mm | síran barnatý, zlato |
| 1 650 mm | síran barnatý |
| 2 500 mm | síran barnatý |
Další průměry vyrábíme na zakázku. Možné je rovněž: doplňkové vstupy a výstupy nad rámec standardních dvou, pomocné osvětlení a odklopné polokoule. Jako příslušenství jsou k dispozici: světelné pasti, radiometry, spektrometry, clony portů a adaptéry portů.
| Vnitřní průměr | Síran barnatý | PTFE | Zlato |
|---|---|---|---|
| 25 mm | – | 850301 | – |
| 50 mm | – | 850302 | 850502 |
| 75 mm | – | 850303 | 850503 |
| 100 mm | – | 850304 | 850504 |
| 150 mm | 850106 | 850306 | 850506 |
| 200 mm | 850108 | – | 850508 |
| 300 mm | 850112 | – | 850512 |
| 500 mm | 850130 | – | 850513 |
| 600 mm | 850135 | – | 850514 |
| 800 mm | 850138 | – | – |
| 1 000 mm | 850140 | – | 850516 |
| 1 650 mm | 850165 | – | – |
| 2 500 mm | na vyžádání | – | – |
Koule o průměru 2 500 mm se vyrábí na vyžádání; v roce 2003 jsme jednu dodali PTB v Braunschweigu.
Downloads
- Datový list
- Difuzní odraz zlata, PTFE a BASO4 v rozsahu vlnových délek 250 nm až 1100 nm
- Difuzní odraz zlata, PTFE a BASO4 v rozsahu vlnových délek 250 nm až 2500 nm
- Návod
Katalogové listy jsou k dispozici v němčině a angličtině. Závazná je anglická verze.
Integrační koule – zdroj obrázků
Tato webová stránka používá obrázky se svolením PTB, německého národního zkušebního úřadu se sídlem v Braunschweigu. Další informace najdete na webových stránkách PTB nebo v publikaci „Messung von Licht. Photometrie (německy)".
Práce, v nichž byla měření provedena s integračními koulemi od Opsytec:
- Luminescence and Photochromism in Lanthanide‐Doped Hackmanites — Baggott, J.; Tuomisto, M.; Williams, J. A. G. et al. · Advanced Optical Materials · 2026
- Customizing Tactile and Visual Perceptions of Organic Light–Emitting Diodes by Surface Coatings — Buhl, J.; Cojocaru, A.; Gerken, M. · Advanced Intelligent Systems · 2021
- Design of Instrumentation & Control and Optical Table Instruments for the Divertor Flow Monitor Diagnostic at ITER
Údaje pocházejí z databáze Crossref. Za autorství a obsah odpovídají příslušné výzkumné skupiny.
Toto jsou předpisy, které se v praxi u integračních koulí využívají nejčastěji — od měření přes mezní hodnoty až po požadavky na zařízení:
- DIN EN ISO/IEC 17025:2018-03 — Všeobecné požadavky na kompetenci zkušebních a kalibračních laboratoří
- CIE 250:2022 — Spektroradiometrické měření zdrojů optického záření
- ISO/CIE 19476:2014 — Charakterizace vlastností měřičů osvětlenosti a měřičů jasu
Všechny předpisy pro integrační koule jsou uvedeny ve vyhledávači norem.
Nejde o normativní odkaz. Rozhodující je vždy aktuálně platné vydání v originálním textu.
