Tämä ilmainen online-työkalu laskee radianssin, luminanssin ja spektrisen radianssin integroivan pallon ulostuloportissa halogeenivalaistuksella. Valitkaa pallon halkaisija (vakiokoot 100–500 mm tai mikä tahansa arvo väliltä 25–2500 mm), pinnoite (bariumsulfaatti, optinen PTFE tai kulta), lampunporttien lukumäärä sekä lampputyyppi ja käyttöteho – simulaatio näyttää tulokset välittömästi, pallon pyöritettävän 3D-mallin ja koko spektrin väliltä 250–2500 nm. Laskenta perustuu todellisista pinnoitteista mitattuun spektriseen heijastuvuusdataan ja klassiseen integroivan pallon teoriaan spektrisen pallokertoimen kanssa.
Tyypillisiä käyttökohteita ovat tasaisten luminanssi- ja radianssistandardien suunnittelu, kalibrointilähteet kameroille ja spektrometreille, sekä nopeat arviot siitä, millainen pallon koko, pinnoite ja lamppukonfiguraatio tarvitaan tavoiteradianssin saavuttamiseksi. Yhdellä klikkauksella luodaan PDF-raportti kaikkine parametreineen ja tuloksineen. Kaikki tulokset ovat suuntaa-antavia tietoja, jotka perustuvat yksinkertaistettuun lampputmalliin – sitovaa suunnittelua varten ottakaa yhteyttä meihin: Opsytec Dr. Gröbel GmbH valmistaa räätälöityjä integroivia palloja halkaisijaltaan 25 mm:stä 2,5 m:iin.
Yksinkertaistettu lampun malli: halogeeni Planckin säteilijänä, valovirta = Pnom × lm/W × (P/Pnom)^2.2 (himmennyskäyrä); pallonteoria spektrisellä pallokertoimella, portit absorboivina aukkoina, yksi lisäheijastus suojalevystä, pinnoitteen heijastuskyky alennettu 2 %, pinnoite ihanteellisesti Lambertin mukainen. Heijastuskykytiedot: Opsytecin mittaukset 250–2500 nm. Kaikki tulokset ovat suuntaa-antavia tietoja – ilman takuuta.
Integroivan pallon simulaation perusteet
An integroiva pallo sekoittaa siihen syötetyn valon useiden heijastusten avulla diffuusisti heijastavalla, ihanteellisesti Lambert-tyyppisellä sisäpinnoitteellaan. Jo muutaman heijastuksen jälkeen pallon seinämä valaistuu käytännössä tasaisesti, ja ulostuloaukko muodostaa homogeenisen valoisan alueen. Simulaatio mallintaa tätä käyttäytymistä klassisen pallo-teorian avulla: halogeenilamppujen säteilyvuo mallinnetaan Planckin säteilijänä, jolla on tyypillinen värilämpötila, ja se vahvistetaan aallonpituuskohtaisesti pallokertoimen avulla:
Kaava: M(λ) = ρ(λ) / (1 − ρ(λ) · (1 − f))
Tässä ρ(λ) on pinnoitteen spektrinen heijastuskerroin ja f pallon pinta-alan osuus, jonka aukot vievät. Laskenta suoritetaan 1 nm:n välein alueella 250–2500 nm käyttäen todellisista Opsytec-pinnoitteista mitattuja heijastusspektrejä.
Ulostuloportin spektrinen radianssi saadaan kaikkien lamppujen kokonaisvuosta Φ(λ), pallon pinta-alasta A ja pallokertoimesta:
Kaava: L(λ) = Φ(λ) · ρ(λ) · M(λ) / (π · A)
Lisäkerroin ρ(λ) ottaa huomioon yhden heijastuksen esteessä, joka estää suoran näkyvyyden lampun ja ulostuloportin välillä. Radianssi L, yksikkönä W/(m²·sr), saadaan integroimalla alueella 250–2500 nm. Koska pallon sisäpinta säteilee Lambertin lain mukaisesti, radianssi on riippumaton katselukulmasta – integroiva pallo toimii homogeenisena, kulmasta riippumattomana säteilylähteenä.
Luminanssia varten spektrinen radianssi painotetaan ihmissilmän valotehokkuusfunktiolla V(λ) (CIE 1924, fotooppinen):
Kaava: Lv = 683 lm/W · ∫ L(λ) · V(λ) dλ
Tulos yksikössä cd/m² kuvaa, kuinka kirkkaana lähtöaukko näyttää silmälle tai fotometrisesti painotetulle kameralle. Kunkin lampun valovirta määritetään nimellistehon ja tyypillisen valotehokkuuden (lm/W) perusteella; himmennettynä se laskee epäsuhteisesti kaavalla (P/Pnom)^2.2 — vastaten halogeenilamppujen todellista himmennyskäyttäytymistä.
Luminanssi pienenee kääntäen verrannollisena pallon pinta-alaan ja siten suhteessa 1/D²: kaksi kertaa suurempi pallo tuottaa samoilla lampuilla vain neljäsosan luminanssista, mutta sekoittaa valon paremmin ja tarjoaa tilaa useammille aukoille. Jokainen aukko vie valoa pallosta: kun aukko-osuus f kasvaa, pallon kerroin pienenee huomattavasti. Nyrkkisääntönä f:n olisi pysyttävä alle 5 %:ssa — sen ylittyessä palloteoria muuttuu yhä epätarkemmaksi ja simulaatio näyttää varoituksen. Lampun aukot on järjestetty pyörähdyssymmetrisesti 35°:n kartion päälle lähtöaukon ympärille.
Koska valo kokee useita heijastuksia, heijastuvuus toimii voimakkaana vipuvartena: kun ρ on lähellä arvoa 1, jo yhden prosenttiyksikön muutos vaikuttaa tulokseen huomattavasti. Kun f = 2 %, ρ = 98 % antaa kertoimeksi noin 25, kun ρ = 94 % antaa vain noin 12 – ero on lähes kaksinkertainen. Optinen PTFE heijastaa noin 99 % koko UV/VIS/NIR-alueella, bariumsulfaatti noin 97–98 %, kulta vain noin 25 % alle 500 nm:n mutta yli 95 % yli 800 nm:n aallonpituuksilla. Simulaatiossa käytetään näiden kolmen pinnoitteen mitattuja spektrejä sekä 2 %:n käytännön varmuusvähennystä vanhenemisen ja käyttöolosuhteiden huomioimiseksi.
- ideaalisesti lambertilainen, spatiaalisesti homogeeninen pinnoite; portit täysin absorboivina aukkoina; tarkalleen yksi lisäheijastus estelevyssä
- halogeenilamput Planckin säteilijöinä, joilla on vakio värilämpötila ja tyypillinen valotehokkuus; himmennyskäyrä (P/Pnom)^2,2
- ei säteenseurantaa — lampun hehkulankoja, kantoja ja estelevyn geometriaa ei ratkaista spatiaalisesti; lämpötila- ja vanhenemisvaikutukset huomioidaan ainoastaan tasaisen derating-kertoimen kautta
Tulokset ovat siis suuntaa-antavia tietoja suunnittelua varten — ilman takuuta eivätkä ne korvaa mittausta. Pyynnöstä Opsytec suorittaa kalibroituja mittauksia todellisesta pallosta omassa valolaboratoriossaan.
Valinnan nyrkkisäännöt: optinen PTFE on ensisijainen valinta pienissä ja keskikokoisissa palloissa UV:stä NIR:iin – korkein heijastuvuus ja pitkäaikaisstabiili. Bariumsulfaatti sopii erityisen hyvin suuriin palloihin, koska maalia voidaan levittää edullisesti suurille pinta-aloille. Kulta on pinnoite NIR/IR-sovelluksiin yli noin 800 nm:n aallonpituuksilla. Halkaisija määräytyy korkean radianssin (pieni pallo) ja hyvän tasaisuuden tai useiden porttien (suuri pallo) välisestä kompromississta. Opsytec Dr. Gröbel valmistaa asiakaskohtaisia integroivia palloja 25 mm:n ja 2,5 m:n halkaisijan väliltä – väliseinillä, mielivaltaisilla porttikonfiguraatioilla ja yhteensopivilla valonlähteillä: Opsytecin luminanssi- ja radianssistandardit
Usein kysytyt kysymykset
Kulta — noin 800 nm:n yläpuolella se heijastaa yli 95 % ja on kemiallisesti pitkäaikaisesti stabiili. Alle 500 nm:n heijastavuus laskee noin 25 %:iin; UV- ja VIS-sovelluksiin oikea valinta on optinen PTFE tai bariumsulfaatti.
Simulaatio tarjoaa suuntaa antavaa tietoa klassiseen pallosäteilijäteoriaan perustuen mitattujen heijastusspektrien avulla, ja se on kalibroitu todellisten Opsytec-pallojen kokemusarvojen mukaisesti. Valmistustoleranssit, häikäisysuojan geometria ja lampun sironta on mallinnettu yksinkertaistetusti — sitovana pidetään ainoastaan todellisen pallon mittausta.
Sisään syötetty valovirta jakautuu pallon pinnalle, joka kasvaa halkaisijan neliön suhteessa. Halkaisijan kaksinkertaistaminen tarkoittaa säteilyntiheyden pienenemistä noin neljäsosaan — vastineeksi saadaan parempi tasaisuus ja enemmän tilaa porteille.
Kyllä. Opsytec valmistaa asiakaskohtaisia integroivia palloja halkaisijaltaan 25 mm–2,5 m ja toimittaa niitä pyynnöstä jäljitettävästi kalibroituina omasta valolaboratoriostaan.
Kirjoittaja: Dr. Mark Paravia
Dr.-Ing. Mark Paravia on Opsytec Dr. Gröbel GmbH:n toimitusjohtaja Ettlingenissä ja johtaa akkreditoitua kalibrointilaboratoriota. KIT:n valaistustekniikan instituutissa tehdyn, pulssitettuja ksenoni-eksimeeripurkauksia käsittelevän tutkimuksensa jälkeen hänen nykyinen painopisteensä on optisessa säteilyn mittaustekniikassa. Hän toimii DIN-standardointikomitea FNL 7 "Optical Radiation" varapuheenjohtajana ja on DVGW:n UV-desinfiointia käsittelevän projektiryhmän jäsen.
Integroivan pallon laskeminen: halkaisija, portit ja pinnoite
Integroivan pallon laskeminen tarkoittaa kolmen suureen punnitsemista toisiaan vastaan: halkaisijan, porttiosuuden ja pinnoitteen heijastavuuden. Pallokerroin kasvaa heijastavuuden mukana ja pienenee jokaisen portin myötä.
Näin ollen suuri pallo pienillä porteilla ei ole automaattisesti parempi: se on tasaisempi, mutta himmeämpi. Yllä oleva työkalu laskee molemmat suunnat.