כדורי אינטגרציה - למדידה וכמקורות אור הומוגניים
כדורי אינטגרציה מפזרים את האור הנופל באמצעות החזרה מפזרת באופן אחיד על פני השטח הפנימיים של הכדור. הם משמשים לאינטגרציה של אור וקרינה וכמקור לקרינה מפוזרת אחידה – למשל למדידות שטף אור ושטף קרינה, מדידת הספק לייזר, כיול גלאים ומדידות של החזרה והעברה מפוזרות. Opsytec מייצרת אותם באופן פרטני בקטרים של 25 mm עד 2.5 m ועם ציפויים של בריום סולפט, PTFE או זהב.
עיקרי היתרונות של כדורי האינטגרציה שלנו
- התמחות בייצור בהתאמה אישית ללקוח
- קוטר של 25 mm עד 2.5 m
- ציפויי בריום סולפט, זהב ו-PTFE לבחירה
כדי למנוע פלואורסצנציה מפריעה ושגיאות מדידה, במיוחד בשטף אור נמוך, כדורי האינטגרציה שלנו עשויים כדורי מתכת מצופים זהב או BaSO₄. כדורי האינטגרציה מ-PTFE מיוצרים ככדורים חלולים מוצקים בתוך מארז אלומיניום גלילי.
כך אנו מבטיחים בנוסף שבכל כדורי האינטגרציה לא חודר אור מבחוץ, כפי שעלול לקרות בכדורי פלסטיק דקי דופן.
יישומים של כדורי אינטגרציה
- מדידת בהירות ובהיקות קרינה של מנורות
- מדידת הספק לייזר
- מדידת LED, OLED, צגים ומוליכי אור
- כיול גלאים
- מדידת החזרה והעברה מפוזרות
- מקור אור אחיד
במטרולוגיית לייזר אותה מערכת נקראת גלאי אנרגיה או גלאי הספק עם כדור אינטגרציה: הכדור קולט את האלומה, מפזר אותה על פני השטח הפנימיים ובכך מאפשר למדוד אותה באמצעות גלאי יחיד – ללא תלות במקום כניסת האלומה ובפרופיל שלה.
כיצד נמדדים שטף האור ושטף הקרינה של רכיבי LED באמצעות כדור אינטגרציה וספקטרורדיומטר – מתואר בדף מדידת שטף האור של LED.
כיצד פועל כדור אינטגרציה: החזרות מרובות ומכפיל הכדור
המשטח הפנימי המחזיר באופן מפוזר פולט על פי חוק למברט: כל נקודה מוארת מחזירה את האור באופן שווה לכל הכיוונים. יחד עם הגאומטריה הכדורית נוצרת תכונה שאף צורה אחרת אינה מספקת – עצמת התאורה על הדופן אינה תלויה לא במקום שבו נכנס האור ולא בכיוון שבו המקור מקרין. בדיוק מסיבה זו יכול כדור למדוד את השטף האורי של מנורה שתבנית הקרינה שלה אינה ידועה.
האור אינו מוחזר פעם אחת אלא פעמים רבות. את מספר הפעמים קובע מכפיל הכדור M:
M = ρ / [ 1 − ρ (1 − f) ] כאשר ρ = מקדם ההחזרה של הציפוי, f = חלק הפתחים מתוך שטח הפנים הפנימי של הכדור
שני מספרים ממחישים את העיקר. בחלק פתחים של 2 % ומקדם החזרה של 0.98 המכפיל הוא M ≈ 25. הורדת מקדם ההחזרה ל-0.95 מפחיתה את M לכ-14.
שלוש נקודות אחוז של מקדם החזרה מקטינות את האות כמעט למחצה. מכאן נובעים שני דברים שגיליונות נתונים כמעט אינם מציינים: הציפוי קובע את הרגישות של כל המדידה. וכדור מזדקן באופן מדיד – בריום סולפט מצהיב תחת קרינת UV, ו-PTFE סופג שמן ואבק. כל אחד מאלה מוריד את ρ בכמה נקודות אחוז ואת האות בשליש. לפיכך יש לבצע כיול מחדש לכדורי אינטגרציה במרווחי זמן קבועים.
איזה ציפוי מתאים לאיזה אורך גל
| ציפוי | טווח אורכי גל | החזרה אופיינית | יתרון | מגבלה |
|---|---|---|---|---|
| סולפט בריום (BaSO₄) | 300 עד 2400 nm | 88 עד 93 % | ניתן ליישום גם בכדורים גדולים מאוד, עד 2.5 m | ההחזרה יורדת מתחת ל-300 nm; רגיש ללחות |
| PTFE | 200 עד 2500 nm | עד 99 % | ההחזרה הגבוהה ביותר, מגיעה אל תוך תחום ה-UV-C | כחומר מוצק, מעשי רק לקטרים קטנים ובינוניים |
| זהב, 20 µm | 0.7 עד 20 µm | 96 עד 98 % | הדרך היחידה אל תחומי NIR ו-IR | חסר תועלת בתחום הנראה או ב-UV |
תכנון: קוטר, שבר הפתחים ומחסום אור
שלושה גדלים קשורים זה בזה, ואין אפשרות לקבוע אף אחד מהם בנפרד.
שבר הפתחים f. כל פתח הוא אזור ללא החזרה ומתנהג כמו כתם שחור. ככלל אצבע, סך כל הפתחים יחד צריך להישאר מתחת ל-5 % משטח הפנים הפנימי של הכדור; ולמדידות שטף אור מדויקות – הרבה מתחת לכך. הנוסחה שלמעלה מסבירה את הסיבה: f נכנס ישירות למכפיל הכדור.
הקוטר. הוא נגזר מהפריט הנבדק. כדי שהכדור יבצע אינטגרציה של השטף ולא ידמה את המקור, על עצם הבדיקה להיות קטן ביחס לכדור – ככלל אצבע לא יותר מעשירית מקוטר הכדור. גוף תאורה LED בגודל 30 cm דורש אפוא כדור בקוטר של כשלושה מטרים, בעוד ש-LED בודד של 5 mm מסתפק ב-50 mm. הקשר השני הוא שבר הפתחים: כדור גדול יותר סובל שבר קטן יותר באותו קוטר פתח.
מחסום האור. מסך קטן בין המקור לגלאי. בלעדיו, אור נופל ישירות מהמקור על הגלאי והמדידה תלויה שוב בכיוון הקרינה – בדיוק מה שהכדור אמור למנוע.
בליעה עצמית. עצם הבדיקה עצמו בולע אור: מנורה עם בסיס גדול גורעת מהכדור יותר מ-LED קטן. מתקנים זאת באמצעות מנורת עזר, הנמדדת פעם אחת עם עצם הבדיקה ופעם אחת בלעדיו. למדידות שטף אור מדויקות אין זה אביזר נלווה אלא תנאי הכרחי.
מדידת הספק לייזר ואנרגיית לייזר בכדור אינטגרציה
אלומת לייזר מביאה עמה שלוש תכונות שמעוותות כל מדידה ישירה: פרופיל אלומה המתפלג באופן לא אחיד על פני שטח הגלאי, זווית פגיעה שאליה מגיבה התגובתיות, וקיטוב. כדור האינטגרציה מסלק את שלושתם: לאחר ההחזרה המפוזרת הראשונה האור אינו מקוטב, נטול כיווניות ומתפרש באופן אחיד על פני הדופן. הגלאי אינו רואה דבר מלבד עצמת קרינה נופלת.
הסיבה השנייה היא צפיפות ההספק. אלומה של 10 W בקוטר 1 mm נושאת כ-1.3 kW/cm² – די והותר כדי להשמיד מיידית כל גלאי מוליך למחצה. הכדור מפרש את אותו ההספק על כל פני השטח הפנימיים שלו; בקוטר של 100 mm מדובר ב-314 cm². כך שמה שמגיע אל הגלאי נמוך ביותר משלושה סדרי גודל.
לייזרים פולסיים עוברים אינטגרציה על פני הפולס: מה שנמדד הוא אנרגיה ביחידות ג'אול ולא הספק ביחידות ואט. הכדור אינו משנה דבר בכך – גם כאן הוא מספק את היתרון שפרופיל האלומה והיישור אינם משנים.
נותרו שני עניינים. ראשית, יש להכיר את מקדם ההחזרה באורך הגל של הלייזר – כדור המכויל ב-550 nm ימדוד שגוי ב-1064 nm. שנית, הציפוי מוגבל תרמית: בהספקי גל רצוף בסדר גודל של מאות ואט, יש לכלול בדיון גם את התכן התרמי.
מספרי הזמנה, היקף האספקה, אביזרים וגרסאות
| ציפוי | טווח אורכי גל |
|---|---|
| בריום סולפט (BaSO₄) | 300 עד 2400 nm |
| PTFE | 200 עד 2500 nm |
| זהב | 0.7 עד 20 µm |
הציפוי קובע את טווח אורכי הגל השמיש. בריום סולפט הוא הציפוי הסטנדרטי, PTFE מגיע עמוק יותר אל תחום ה-UV ואל התחום התת-אדום הקרוב, וזהב הוא הבחירה לתחום התת-אדום התיכון.
| קוטר פנימי | זמין עם |
|---|---|
| 25 mm | PTFE |
| 50 mm | PTFE, זהב |
| 75 mm | PTFE, זהב |
| 100 mm | PTFE, זהב |
| 150 mm | גופרת בריום, PTFE, זהב |
| 200 mm | גופרת בריום, זהב |
| 300 mm | גופרת בריום, זהב |
| 500 mm | גופרת בריום, זהב |
| 600 mm | גופרת בריום, זהב |
| 800 mm | גופרת בריום |
| 1000 mm | גופרת בריום, זהב |
| 1650 mm | גופרת בריום |
| 2500 mm | גופרת בריום |
קטרים נוספים מיוצרים לפי הזמנה. אפשריים גם: כניסות ויציאות נוספות מעבר לתקן של שתיים, תאורת עזר וחצאי כדור על צירים. זמינים כאביזרים: מלכודות אור, רדיומטרים, ספקטרומטרים, מחיצות פתח ומתאמי פתח.
| קוטר פנימי | גופרת בריום | PTFE | זהב |
|---|---|---|---|
| 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 | לפי בקשה | – | – |
הכדור בקוטר 2500 mm מיוצר לפי בקשה; בשנת 2003 סיפקנו כדור כזה ל-PTB בבראונשוויג.
Downloads
- דף נתונים
- החזרה מפוזרת של זהב, PTFE ו-BASO4 בתחום אורכי הגל 250 nm עד 1100 nm
- החזרה מפוזרת של זהב, PTFE ו-BASO4 בתחום אורכי הגל 250 nm עד 2500 nm
- מדריך הפעלה
גיליונות הנתונים זמינים בגרמנית ובאנגלית. הגרסה האנגלית היא המחייבת.
כדור אינטגרציה - מקור התמונה
אתר זה עושה שימוש בתמונות באישור ה-PTB, רשות הבדיקה הלאומית הגרמנית, שמקום מושבה בבראונשווייג. מידע נוסף ניתן למצוא באתר PTB או בפרסום „Messung von Licht. Photometrie (גרמנית)".
עבודות שבהן בוצעו מדידות באמצעות כדורי אינטגרציה מתוצרת 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
הפרטים מגיעים מ-Crossref. האחריות על המחברים והתוכן היא של קבוצות המחקר הרלוונטיות.
אלה הכללים הנפוצים ביותר בפרקטיקה לגבי כדורי אינטגרציה — מן המדידה, דרך ערכי הגבול ועד לדרישות מן המכשיר:
- DIN EN ISO/IEC 17025:2018-03 — דרישות כלליות לכשירותן של מעבדות בדיקה וכיול
- CIE 250:2022 — מדידה ספקטרורדיומטרית של מקורות קרינה אופטית
- ISO/CIE 19476:2014 — אפיון ביצועיהם של מודדי עצמת הארה ומודדי בהירות
כל הכללים לכדורי אינטגרציה מרוכזים במאתר התקנים.
אין זו הפניה נורמטיבית. הקובעת היא תמיד המהדורה התקפה במקור.
