積分球 ― 測定用および均一光源として

拡散反射する内面はランバートの法則に従って光を放出します。すなわち、照らされたすべての点が全方向に等しく光を放ちます。これが球形状と組み合わさることで、他のどの形状でも得られない特性が生まれます。– 壁面上の照度は、光がどこから入射するか、また光源がどの方向に放射するかに依存しません。まさにこの理由から、放射パターンが不明なランプの光束も球で測定できるのです。

光は一度だけ反射するのではなく、何度も反射します。その回数は球乗数 Mで表されます。

M = ρ / [ 1 − ρ (1 − f) ] ここで ρ = コーティングの反射率、f = 球内面に対する開口部の面積比

二つの数値が要点を示します。開口部の面積比が 2 %、反射率が0.98の場合、乗数は M ≈ 25 となります。反射率を0.95に下げると、M は約14まで低下します。

反射率がわずか3ポイント下がるだけで、信号はほぼ半減します。ここから、データシートにはほとんど記載されない二つのことが導かれます。コーティングが測定全体の感度を決定するということ。そして、積分球は測定できるほどに劣化するということです。硫酸バリウムは紫外線で黄変し、PTFE は油分やほこりを取り込みます。いずれも ρ を数ポイント低下させ、信号を3分の1減少させます。したがって積分球は定期的に再校正することが推奨されます。

したがって選定基準となるのは波長であり、価格ではありません。UV-Cの254 nmで測定する場合、硫酸バリウムという選択肢はありません。この領域で使用可能な反射率を持つコーティングはPTFEのみです。一方、光束測定用に2 mの積分球が必要な場合にも選択肢はなく、逆の理由からです。ソリッドPTFEではそのサイズの製作ができません。

3つの量は互いに関連しており、いずれも単独で決めることはできません。

ポート比率 f。開口部はすべて反射のない箇所であり、黒い領域と同じように作用します。目安として、すべての開口部の合計は内球表面積の 5 % 未満に抑えるべきであり、光束を正確に測定する場合はそれよりさらに十分小さくする必要があります。上記の式がその理由を示しています。f は球乗数に直接影響します。

直径。直径は被測定物に依存します。球が光源を結像するのではなく光束を積分するためには、被測定物が球に対して小さくなければなりません。目安として球の直径の10分の1以下です。したがって 30 cm の LED 照明器具には約3メートルの球が必要ですが、単体の 5 mm LED であれば 50 mm で足ります。second 2つ目の関連はポート比率です。球が大きいほど、同じポート径でもポート比率は小さくなります。

バッフル。光源と検出器の間に置く小さな遮光板です。これがないと、光源から検出器へ光が直接入射し、測定値が再び放射方向に依存してしまいます。これはまさに球が防ぐべきことです。

自己吸収。被測定物自体が光を吸収します。大きな口金を持つランプは、小さな LED よりも多くの光を球から奪います。これは補助ランプによって補正し、被測定物を入れた場合と入れない場合の2回測定します。光束を正確に測定する場合、これは付属品ではなく前提条件です。

レーザービームには、直接測定を歪める三つの特性があります。検出器面上で不均一に分布するビームプロファイル、感度が影響を受ける入射角、そして偏光です。積分球はこの三つすべてを取り除きます。最初の拡散反射の後、光は偏光がなく、方向性もなく、球壁全体に均一に広がります。検出器が捉えるのは放射照度のみです。

第二の理由はパワー密度です。直径 1 mm の 10 W のビームは約 1.3 kW/cm² に相当し、半導体検出器を瞬時に破壊するのに十分です。積分球は同じパワーを内面全体に分散させます。直径 100 mm であれば 314 cm² です。したがって検出器に到達する量は 3 桁以上低くなります。

パルスレーザーではパルス全体にわたって積分されます。測定されるのはワット単位のパワーではなく、ジュール単位のエネルギーです。積分球はその点を変えるものではありませんが、ここでもビームプロファイルやアライメントが影響しないという利点をもたらします。

残る留意点は二つです。第一に、レーザー波長における反射率が既知である必要があります。550 nm で校正された積分球は 1064 nm では誤った測定値を示します。第二に、コーティングには熱的な限界があります。数百 W の連続波出力では、熱設計を考慮に入れる必要があります。