Esferas integradoras: para medición y como fuentes de luz homogéneas
Las esferas integradoras distribuyen la luz incidente mediante reflexión difusa de forma uniforme sobre la superficie interior de la esfera. Se emplean para la integración de luz y radiación y como fuente de radiación difusa uniforme, por ejemplo para mediciones de flujo luminoso y flujo radiante, medición de potencia láser, calibración de detectores y mediciones de reflectancia y transmitancia difusas. Opsytec las fabrica de forma individual con diámetros de 25 mm a 2,5 m y recubrimientos de sulfato de bario, PTFE u oro.
Puntos destacados de nuestras esferas integradoras
- Especializados en la fabricación específica para el cliente
- Diámetro de 25 mm a 2,5 m
- Recubrimientos de sulfato de bario, oro y PTFE a elegir
Para evitar fluorescencias parásitas y errores de medición, especialmente con flujos luminosos bajos, nuestras esferas integradoras se fabrican como esferas metálicas de oro o recubiertas de BaSO₄. Las esferas integradoras de PTFE se fabrican como esferas huecas macizas en una carcasa cilíndrica de aluminio.
De este modo garantizamos además que en todas las esferas integradoras no entre luz desde el exterior, como sí puede ocurrir con esferas de plástico de pared delgada.
Aplicaciones de las esferas integradoras
- Medición de la luminancia y de la radiancia de lámparas
- Medición de potencia láser
- Medición de LED, OLED, pantallas y guías de luz
- Calibración de detectores
- Medición de la reflexión y la transmisión difusas
- Fuente de luz uniforme
En la metrología láser, esta misma disposición se denomina detector de energía o detector de potencia con esfera integradora: la esfera recibe el haz, lo distribuye sobre la superficie interior y lo hace así medible con un único detector, independientemente de dónde entre el haz y de cuál sea su perfil.
Cómo se miden el flujo luminoso y el flujo radiante de los LED con esfera integradora y espectrorradiómetro se describe en la página Medir el flujo luminoso de LED.
Cómo funciona una esfera integradora: reflexión múltiple y multiplicador de esfera
La superficie interior de reflexión difusa emite según la ley de Lambert: cada punto iluminado reemite la luz por igual en todas las direcciones. Junto con la geometría esférica, esto genera una propiedad que ninguna otra forma ofrece: la iluminancia sobre la pared no depende ni del lugar por el que entra la luz ni de la forma en que radia la fuente. Precisamente por eso una esfera puede medir el flujo luminoso de una lámpara cuyo diagrama de radiación es desconocido.
La luz no se refleja una sola vez, sino muchas veces. El número de reflexiones viene dado por el multiplicador de esfera M:
M = ρ / [ 1 − ρ (1 − f) ] con ρ = reflectancia del recubrimiento, f = fracción de puertos de la superficie interior de la esfera
Dos cifras muestran lo que importa. Con una fracción de puertos del 2 % y una reflectancia de 0,98, el multiplicador es M ≈ 25. Si la reflectancia baja a 0,95, M cae a aproximadamente 14.
Tres puntos porcentuales de reflectancia reducen la señal casi a la mitad. De ello se derivan dos cosas que las hojas de datos rara vez indican: el recubrimiento determina la sensibilidad de toda la medición. Y una esfera envejece de forma medible: el sulfato de bario amarillea bajo la radiación UV y el PTFE absorbe aceite y polvo. Cualquiera de los dos reduce ρ en unos pocos puntos porcentuales y la señal en un tercio. Por ello, las esferas integradoras deben recalibrarse a intervalos regulares.
Qué recubrimiento se adecua a cada longitud de onda
| Recubrimiento | Rango de longitudes de onda | reflectancia típica | Ventaja | Límite |
|---|---|---|---|---|
| Sulfato de bario (BaSO₄) | 300–2400 nm | 88–93 % | Se puede aplicar a esferas muy grandes, de hasta 2,5 m | La reflectancia cae por debajo de 300 nm; sensible a la humedad |
| PTFE | 200–2500 nm | hasta 99 % | La reflectancia más alta, llega hasta el UV-C | Como material macizo solo resulta práctico para diámetros pequeños y medios |
| Oro, 20 µm | 0,7–20 µm | 96–98 % | La única vía hacia el NIR y el IR | No sirve en el visible ni en el UV |
Por tanto, la elección se rige por la longitud de onda, no por el precio. Quien mide en el UV-C a 254 nm no tiene alternativa con el sulfato de bario: allí el PTFE es el único recubrimiento con una reflectancia utilizable. Quien necesita una esfera de dos metros para mediciones de flujo luminoso tampoco tiene alternativa, pero a la inversa: el PTFE macizo no puede fabricarse en ese tamaño.
Diseño: diámetro, fracción de puertos y baffle
Tres magnitudes están relacionadas entre sí y ninguna puede fijarse de forma independiente.
La fracción de puertos f. Toda abertura es un punto sin reflexión y actúa como una mancha negra. Como regla general, todas las aberturas en conjunto deben mantenerse por debajo del 5 % de la superficie interior de la esfera; para mediciones precisas de flujo luminoso, muy por debajo de ese valor. La fórmula anterior explica el motivo: f entra directamente en el multiplicador de la esfera.
El diámetro. Depende del objeto que se vaya a ensayar. Para que la esfera integre el flujo en lugar de formar una imagen de la fuente, el objeto de ensayo debe ser pequeño frente a la esfera: como regla general, como máximo una décima parte del diámetro de la esfera. Por ello, una luminaria LED de 30 cm requiere una esfera de unos tres metros, mientras que un único LED de 5 mm se conforma con 50 mm. El segundo vínculo es la fracción de puertos: una esfera mayor admite una fracción menor con el mismo diámetro de puerto.
El baffle. Una pequeña pantalla situada entre la fuente y el detector. Sin ella, la luz incide directamente desde la fuente sobre el detector y la medición vuelve a depender de la dirección de la radiación, justo lo que la esfera debe evitar.
La autoabsorción. El propio objeto de ensayo absorbe luz: una lámpara con un casquillo grande sustrae más luz a la esfera que un LED pequeño. Esto se corrige con una lámpara auxiliar, midiendo una vez con el objeto de ensayo y otra sin él. Para mediciones precisas de flujo luminoso no es un accesorio, sino un requisito indispensable.
Medición de la potencia y la energía láser en una esfera integradora
Un haz láser presenta tres propiedades que falsean cualquier medición directa: un perfil de haz distribuido de forma desigual sobre la superficie del detector, un ángulo de incidencia al que reacciona la sensibilidad y una polarización. La esfera integradora elimina las tres: tras la primera reflexión difusa, la luz está despolarizada, sin dirección y repartida uniformemente por la pared. El detector no ve más que una irradiancia.
La segunda razón es la densidad de potencia. Un haz de 10 W con 1 mm de diámetro transporta aproximadamente 1,3 kW/cm², suficiente para destruir al instante cualquier detector de semiconductor. La esfera distribuye esa misma potencia por toda su superficie interior; con un diámetro de 100 mm, son 314 cm². Lo que llega al detector es, por tanto, más de tres órdenes de magnitud menor.
En los láseres pulsados se integra a lo largo del pulso: lo que se mide es energía en julios y no potencia en vatios. La esfera no cambia nada en ello; también aquí aporta la ventaja de que el perfil del haz y la alineación resultan indiferentes.
Quedan dos aspectos. En primer lugar, hay que conocer la reflectancia a la longitud de onda del láser: una esfera calibrada a 550 nm mide de forma errónea a 1064 nm. En segundo lugar, el recubrimiento está limitado térmicamente: con potencias en onda continua de varios cientos de vatios, el diseño térmico debe entrar en la discusión.
Datos técnicos de esferas integradoras de BaSO4, oro o PTFE
| Diámetro | véase: números de referencia |
| específico del cliente bajo consulta | |
| Revestimiento | Sulfato de bario (BaSO₄) |
| PTFE | |
| Oro, 20 µm | |
| Puertos | 2 (estándar) |
| Baffles | 1 (estándar) |
| Opciones | iluminación interna |
| puertos adicionales | |
| Accesorios | Trampas de luz |
| Radiómetro | |
| Espectrómetro | |
| Tapón de puerto | |
| Reductor de puerto |
Números de pedido, volumen de suministro, accesorios y versiones
| Recubrimiento | Rango de longitudes de onda |
|---|---|
| Sulfato de bario (BaSO₄) | 300–2400 nm |
| PTFE | 200–2500 nm |
| Oro | 0,7–20 µm |
El recubrimiento determina el rango de longitudes de onda utilizable. El sulfato de bario es el recubrimiento estándar, el PTFE alcanza más hacia el UV y el infrarrojo cercano, y el oro es la opción para el infrarrojo medio.
| Diámetro interior | Disponible con |
|---|---|
| 25 mm | PTFE |
| 50 mm | PTFE, oro |
| 75 mm | PTFE, oro |
| 100 mm | PTFE, oro |
| 150 mm | sulfato de bario, PTFE, oro |
| 200 mm | sulfato de bario, oro |
| 300 mm | sulfato de bario, oro |
| 500 mm | sulfato de bario, oro |
| 600 mm | sulfato de bario, oro |
| 800 mm | sulfato de bario |
| 1000 mm | sulfato de bario, oro |
| 1650 mm | sulfato de bario |
| 2500 mm | sulfato de bario |
Otros diámetros se fabrican bajo pedido. También es posible: entradas y salidas adicionales más allá del estándar de dos, iluminación auxiliar y hemisferios abatibles. Disponibles como accesorios: trampas de luz, radiómetros, espectrómetros, pantallas deflectoras para puertos y adaptadores de puerto.
| Diámetro interior | Sulfato de bario | PTFE | Oro |
|---|---|---|---|
| 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 | – | – |
| 1000 mm | 850140 | – | 850516 |
| 1650 mm | 850165 | – | – |
| 2500 mm | bajo demanda | – | – |
La esfera de 2500 mm se fabrica bajo demanda; en 2003 entregamos una al PTB de Braunschweig.
Downloads
- Ficha técnica
- Reflexión difusa de oro, PTFE y BASO4 en el rango de longitudes de onda de 250 nm a 1100 nm
- Reflexión difusa de oro, PTFE y BASO4 en el rango de longitudes de onda de 250 nm a 2500 nm
- Manual
Las fichas técnicas están disponibles en alemán e inglés. La versión inglesa es la vinculante.
Esfera integradora - fuente de las imágenes
Este sitio web utiliza imágenes con la autorización del PTB, el organismo nacional de ensayo alemán, con sede en Braunschweig. Puede encontrar más información en el sitio web del PTB o en la publicación «Messung von Licht. Photometrie (en alemán)».
Trabajos en los que se realizaron mediciones con esferas integradoras de 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
Los datos proceden de Crossref. La autoría y el contenido corresponden a los respectivos grupos de investigación.
Estas son las reglas que se consultan con mayor frecuencia en la práctica para las esferas integradoras: desde la medición, pasando por los valores límite, hasta los requisitos que debe cumplir el equipo:
- DIN EN ISO/IEC 17025:2018-03 — Requisitos generales para la competencia de los laboratorios de ensayo y de calibración
- CIE 250:2022 — Medición espectrorradiométrica de fuentes de radiación óptica
- ISO/CIE 19476:2014 — Caracterización del comportamiento de luxómetros y luminancímetros
Todas las reglas para esferas integradoras se enumeran en el buscador de normas.
No constituye una referencia normativa. Siempre es determinante la edición vigente en su texto original.
