Integroivat pallot – mittaukseen ja homogeenisiksi valonlähteiksi
Integroivat pallot jakavat sisääntulevan valon diffuusin heijastuksen avulla tasaisesti pallon sisäpinnalle. Niitä käytetään valon ja säteilyn integrointiin sekä tasaisen diffuusin säteilyn lähteenä – esimerkiksi valovirran ja säteilytehon mittauksiin, laserin tehon mittaukseen, ilmaisimien kalibrointiin sekä diffuusin heijastuksen ja läpäisyn mittauksiin. Opsytec valmistaa ne yksilöllisesti halkaisijaltaan 25 mm – 2,5 m ja pinnoitteina bariumsulfaatti, PTFE tai kulta.
Integroivien pallojemme kohokohdat
- Erikoistuneet asiakaskohtaiseen valmistukseen
- Halkaisija 25 mm – 2,5 m
- Valittavissa bariumsulfaatti-, kulta- ja PTFE-pinnoitteet
Häiritsevän fluoresenssin ja mittausvirheiden välttämiseksi erityisesti pienillä valovirroilla integroivat pallomme valmistetaan kullalla tai BaSO₄:llä pinnoitetuista metallipalloista. PTFE-integroivat pallot valmistetaan umpinaisina onttoina palloina lieriömäisessä alumiinikotelossa.
Näin varmistamme lisäksi, ettei mihinkään integroivaan palloon pääse valoa ulkopuolelta, kuten ohutseinäisissä muovipalloissa on mahdollista.
Integroivien pallojen sovellukset
- Lamppujen luminanssin ja radianssin mittaus
- Laserin tehon mittaus
- LEDien, OLEDien, näyttöjen ja valojohteiden mittaus
- Ilmaisimien kalibrointi
- Diffuusin heijastuksen ja läpäisyn mittaus
- Tasainen valonlähde
Lasermetrologiassa samaa järjestelyä kutsutaan nimellä energiailmaisin tai tehoilmaisin integroivalla pallolla: pallo ottaa säteen vastaan, jakaa sen sisäpinnalleen ja tekee siitä siten mitattavan yhdellä ainoalla ilmaisimella – riippumatta siitä, mistä säde tulee sisään ja millainen sen profiili on.
Sivulla LEDien valovirran mittaus kuvataan, miten LEDien valovirta ja säteilyvuo mitataan integroivalla pallolla ja spektroradiometrillä.
Miten integroiva pallo toimii: monikertainen heijastus ja pallokerroin
Diffuusisti heijastava sisäpinta säteilee Lambertin lain mukaisesti: jokainen valaistu piste luovuttaa valon yhtä voimakkaasti kaikkiin suuntiin. Yhdessä pallomaisen geometrian kanssa tämä tuottaa ominaisuuden, jota mikään muu muoto ei tarjoa – seinämän valaistusvoimakkuus ei riipu siitä, mistä valo tulee sisään, eikä siitä, mihin suuntaan lähde säteilee. Juuri siksi pallolla voidaan mitata sellaisen lampun valovirta, jonka säteilykuvio ei ole tiedossa.
Valo ei heijastu kerran vaan monta kertaa. Kertojen määrän antaa pallokerroin M:
M = ρ / [ 1 − ρ (1 − f) ] jossa ρ = pinnoitteen heijastuskerroin, f = aukkojen osuus pallon sisäpinnasta
Kaksi lukua osoittaa, mikä on olennaista. Kun aukkojen osuus on 2 % ja heijastuskerroin 0,98, kerroin on M ≈ 25. Jos heijastuskerroin laskee arvoon 0,95, M putoaa noin arvoon 14.
Kolme prosenttiyksikköä heijastuskerrointa puolittaa signaalin lähes kokonaan. Tästä seuraa kaksi asiaa, joita datalehdissä harvoin mainitaan: pinnoite määrää koko mittauksen herkkyyden. Ja pallo vanhenee mitattavasti – bariumsulfaatti kellastuu UV:n vaikutuksesta, PTFE imee itseensä öljyä ja pölyä. Kumpi tahansa alentaa ρ:tä muutaman prosenttiyksikön ja signaalia kolmanneksen. Integroivat pallot tulisi siksi kalibroida uudelleen säännöllisin väliajoin.
Mikä pinnoite mihinkin aallonpituuteen
| Pinnoite | Aallonpituusalue | tyypillinen heijastavuus | Vahvuus | Rajoitus |
|---|---|---|---|---|
| Bariumsulfaatti (BaSO₄) | 300–2400 nm | 88–93 % | Voidaan levittää hyvin suuriin palloihin aina 2,5 m:iin asti | Heijastavuus laskee alle 300 nm:n; kosteudelle herkkä |
| PTFE | 200–2500 nm | jopa 99 % | Suurin heijastavuus, ulottuu UV-C-alueelle asti | Kiinteänä materiaalina käytännöllinen vain pienille ja keskisuurille halkaisijoille |
| Kulta, 20 µm | 0,7–20 µm | 96–98 % | Ainoa reitti NIR- ja IR-alueelle | Hyödytön näkyvällä alueella ja UV-alueella |
Valinta määräytyy siis aallonpituuden, ei hinnan mukaan. Jos mitataan UV-C-alueella 254 nm:ssä, bariumsulfaatti ei tule kysymykseen – siellä PTFE on ainoa pinnoite, jonka heijastuskyky on käyttökelpoinen. Jos taas tarvitaan kaksimetrinen pallo valovirran mittauksiin, valinnanvaraa ei ole toisin päin: umpi-PTFE:stä ei voi rakentaa sen kokoista palloa.
Rakenne: halkaisija, aukkosuhde ja varjostin
Kolme suuretta liittyvät toisiinsa, eikä yhtäkään voi määrittää erikseen.
Aukkosuhde f. Jokainen aukko on kohta ilman heijastusta ja toimii kuin musta läiskä. Nyrkkisääntönä kaikkien aukkojen yhteispinta-alan tulisi jäädä alle 5 %:n pallon sisäpinnasta; tarkoissa valovirtamittauksissa selvästi sen alle. Yllä oleva kaava kertoo syyn: f vaikuttaa suoraan pallokertoimeen.
Halkaisija. Se määräytyy testattavan laitteen mukaan. Jotta pallo integroi vuon eikä kuvaa lähdettä, testikappaleen on oltava pieni palloon nähden – nyrkkisääntönä enintään kymmenesosa pallon halkaisijasta. Halkaisijaltaan 30 cm:n LED-valaisin vaatii siksi noin kolmen metrin pallon, kun taas yksittäinen 5 mm:n LED pärjää 50 mm:llä. Toinen kytkös on aukkosuhde: suurempi pallo sietää samalla aukon halkaisijalla pienemmän osuuden.
Varjostin. Pieni suojalevy lähteen ja ilmaisimen välissä. Ilman sitä valo osuu lähteestä suoraan ilmaisimeen ja mittaus riippuu jälleen säteilyn suunnasta – juuri siitä, minkä pallon on tarkoitus estää.
Itseabsorptio. Testikappale itse nielee valoa: kannaltaan suuri lamppu ottaa pallosta enemmän kuin pieni LED. Tämä korjataan apulampulla, jolloin mitataan kerran testikappaleen kanssa ja kerran ilman. Tarkoissa valovirtamittauksissa se ei ole lisävaruste vaan edellytys.
Laserin tehon ja energian mittaus integroivassa pallossa
Lasersäteellä on kolme ominaisuutta, jotka vääristävät kaikkia suoria mittauksia: säteen profiili, joka jakautuu epätasaisesti ilmaisimen pinnalle, tulokulma, johon vasteherkkyys reagoi, sekä polarisaatio. Integroiva pallo poistaa kaikki kolme: ensimmäisen hajaheijastuksen jälkeen valo on polarisoitumatonta, suunnatonta ja tasaisesti jakautunut seinämälle. Ilmaisin näkee ainoastaan irradianssin (säteilyvoimakkuuden).
Toinen syy on tehotiheys. Halkaisijaltaan 1 mm:n säde, jonka teho on 10 W, kuljettaa noin 1,3 kW/cm² – riittävästi tuhoamaan minkä tahansa puolijohdeilmaisimen välittömästi. Pallo levittää saman tehon koko sisäpinnalleen; 100 mm:n halkaisijalla se on 314 cm². Ilmaisimelle päätyvä teho on siis yli kolme suuruusluokkaa pienempi.
Pulssilaserit integroidaan pulssin yli: mitattava suure on energia jouleina eikä teho watteina. Pallo ei muuta tätä mitenkään – myös tässä se tuo sen edun, että säteen profiililla ja kohdistuksella ei ole merkitystä.
Kaksi asiaa on vielä huomioitava. Ensinnäkin heijastavuus laserin aallonpituudella on tunnettava – 550 nm:n kohdalla kalibroitu pallo mittaa väärin 1064 nm:n kohdalla. Toiseksi pinnoite on termisesti rajoitettu: jatkuvatoimisilla sadan watin luokan tehoilla terminen suunnittelu kuuluu osaksi keskustelua.
Tekniset tiedot BaSO4-, kulta- tai PTFE-integroiville palloille
| Halkaisija | katso: tuotenumerot |
| asiakaskohtainen pyynnöstä | |
| Pinnoite | Bariumsulfaatti (BaSO₄) |
| PTFE | |
| Kulta, 20 µm | |
| Portit | 2 (standardi) |
| Varjostimet | 1 (standardi) |
| Optiot | sisäinen valaistus |
| lisäportit | |
| Lisävarusteet | Valoloukut |
| Radiometri | |
| Spektrometri | |
| Porttitulppa | |
| Portin supistin |
Tilausnumerot, toimituksen sisältö, lisävarusteet ja versiot
| Pinnoite | Aallonpituusalue |
|---|---|
| Bariumsulfaatti (BaSO₄) | 300–2400 nm |
| PTFE | 200–2500 nm |
| Kulta | 0,7–20 µm |
Pinnoite määrää käytettävissä olevan aallonpituusalueen. Bariumsulfaatti on vakiopinnoite, PTFE ulottuu pidemmälle UV-alueelle ja lähi-infrapunaan, ja kulta on oikea valinta keski-infrapuna-alueelle.
| Sisähalkaisija | Saatavana materiaalilla |
|---|---|
| 25 mm | PTFE |
| 50 mm | PTFE, kulta |
| 75 mm | PTFE, kulta |
| 100 mm | PTFE, kulta |
| 150 mm | bariumsulfaatti, PTFE, kulta |
| 200 mm | bariumsulfaatti, kulta |
| 300 mm | bariumsulfaatti, kulta |
| 500 mm | bariumsulfaatti, kulta |
| 600 mm | bariumsulfaatti, kulta |
| 800 mm | bariumsulfaatti |
| 1000 mm | bariumsulfaatti, kulta |
| 1650 mm | bariumsulfaatti |
| 2500 mm | bariumsulfaatti |
Muut halkaisijat valmistetaan tilauksesta. Mahdollisia ovat myös vakiona olevan kahden lisäksi useammat tulo- ja lähtöportit, apuvalaistus ja saranoidut puolipallot. Lisävarusteina saatavana: valoloukkuja, radiometrejä, spektrometrejä, porttien varjostimia ja porttisovittimia.
| Sisähalkaisija | Bariumsulfaatti | PTFE | Kulta |
|---|---|---|---|
| 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 | pyynnöstä | – | – |
2500 mm:n pallo valmistetaan pyynnöstä; vuonna 2003 toimitimme yhden PTB:lle Braunschweigiin.
Downloads
- Tekniset tiedot
- Kullan, PTFE:n ja BASO4:n diffuusi heijastus aallonpituusalueella 250 nm – 1100 nm
- Kullan, PTFE:n ja BASO4:n diffuusi heijastus aallonpituusalueella 250 nm – 2500 nm
- Käyttöohje
Tekniset tiedotteet ovat saatavilla saksaksi ja englanniksi. Englanninkielinen versio on sitova.
Integroiva pallo – kuvalähde
Tällä verkkosivustolla käytetään kuvia Braunschweigissa sijaitsevan Saksan kansallisen mittausviranomaisen PTB:n luvalla. Lisätietoja on PTB:n verkkosivustolla tai julkaisussa „Messung von Licht. Photometrie (saksaksi)".
Työt, joissa mittaukset on tehty Opsytecin integroivilla palloilla:
- 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
Tiedot ovat peräisin Crossrefistä. Tekijyys ja sisältö ovat kyseisten tutkimusryhmien vastuulla.
Nämä ovat käytännössä useimmin käytetyt integroivia palloja koskevat säännöt – mittauksesta raja-arvoihin ja laitteelle asetettuihin vaatimuksiin:
- DIN EN ISO/IEC 17025:2018-03 – Testaus- ja kalibrointilaboratorioiden pätevyyden yleiset vaatimukset
- CIE 250:2022 – Optisen säteilyn lähteiden spektroradiometrinen mittaus
- ISO/CIE 19476:2014 – Valaistusvoimakkuus- ja luminanssimittareiden suorituskyvyn karakterisointi
Kaikki integroivia palloja koskevat säännöt on luetteloitu standardihaussa.
Ei normatiivinen viite. Ratkaiseva on aina kullakin hetkellä voimassa oleva laitos alkuperäisenä tekstinä.
