적분구 - 측정용 및 균일 광원용

확산 반사하는 내부 표면은 램버트 법칙에 따라 빛을 방출합니다. 즉, 조명된 모든 지점이 모든 방향으로 균일하게 빛을 내보냅니다. 여기에 구면 형상이 결합되어 다른 어떤 형상도 제공하지 못하는 특성이 나타납니다 – 벽면의 조도는 빛이 어디로 입사하는지, 광원이 어느 방향으로 복사하는지와 무관합니다. 바로 이 때문에 적분구는 복사 분포가 알려지지 않은 램프의 광속도 측정할 수 있습니다.

빛은 한 번만 반사되는 것이 아니라 여러 번 반사됩니다. 그 횟수는 적분구 배율 M으로 주어집니다.

M = ρ / [ 1 − ρ (1 − f) ] 여기서 ρ = 코팅의 반사율, f = 내부 구면 표면에서 개구부가 차지하는 비율

두 가지 수치가 무엇이 중요한지를 보여줍니다. 개구부 비율이 2 %이고 반사율이 0.98일 때 배율은 M ≈ 25입니다. 반사율이 0.95로 떨어지면 M은 약 14로 낮아집니다.

반사율 3 퍼센트포인트 차이가 신호를 거의 절반으로 줄입니다. 여기에서 데이터시트에 좀처럼 명시되지 않는 두 가지 사실이 도출됩니다. 코팅이 전체 측정의 감도를 결정한다는 것입니다. 그리고 적분구는 측정 가능한 수준으로 노화됩니다 – 황산바륨은 UV에 의해 황변하고, PTFE는 오일과 먼지를 흡수합니다. 두 경우 모두 ρ를 몇 퍼센트포인트 낮추고 신호를 3분의 1까지 감소시킵니다. 따라서 적분구는 정기적인 간격으로 재교정하여야 합니다.

따라서 선택 기준은 가격이 아니라 파장입니다. UV-C 영역의 254 nm에서 측정하는 경우 황산바륨은 선택지가 될 수 없으며, 이 영역에서 사용 가능한 반사율을 갖는 코팅은 PTFE뿐입니다. 반대로 광속 측정을 위해 2 m 크기의 적분구가 필요한 경우에도 선택의 여지가 없습니다. 솔리드 PTFE로는 그러한 크기를 제작할 수 없기 때문입니다.

세 가지 물리량은 서로 연결되어 있으며, 어느 하나도 단독으로 결정할 수 없습니다.

개구율 f. 모든 개구부는 반사가 일어나지 않는 지점이며 검은 반점처럼 작용합니다. 경험 법칙으로 모든 개구부의 합은 구 내부 표면의 5 % 미만으로 유지해야 하며, 정확한 광속 측정에서는 그보다 훨씬 낮아야 합니다. 위의 수식이 그 이유를 보여줍니다. f는 적분구 배율에 직접 들어갑니다.

직경. 직경은 피시험 기기에 따라 결정됩니다. 적분구가 광원을 결상하지 않고 광속을 적분하도록 하려면 시험 대상이 구에 비해 작아야 하며, 경험 법칙으로 구 직경의 10분의 1 이하여야 합니다. 따라서 30 cm LED 조명기구에는 약 3 m 크기의 적분구가 필요하지만, 단일 5 mm LED는 50 mm로 충분합니다. 두 번째 연결 고리는 개구율입니다. 동일한 개구부 직경에서 더 큰 적분구는 더 작은 개구율을 허용합니다.

배플. 광원과 검출기 사이에 놓이는 작은 차폐판입니다. 배플이 없으면 광원의 빛이 검출기에 직접 도달하여 측정값이 다시 복사 방향에 의존하게 되는데, 이는 바로 적분구가 방지하려는 현상입니다.

자기흡수. 시험 대상 자체가 빛을 흡수합니다. 베이스가 큰 램프는 작은 LED보다 적분구에서 더 많은 빛을 흡수합니다. 이는 보조 램프로 보정하며, 시험 대상을 넣은 상태와 넣지 않은 상태에서 각각 한 번 측정합니다. 정확한 광속 측정에서 보조 램프는 부속품이 아니라 필수 조건입니다.

레이저 빔은 직접 측정을 왜곡하는 세 가지 특성을 가집니다. 검출기 면적에 고르지 않게 분포된 빔 프로파일, 응답도가 반응하는 입사각, 그리고 편광입니다. 적분구는 이 세 가지를 모두 제거합니다. 첫 번째 확산 반사 이후 빛은 편광되지 않고, 방향성이 없으며, 내벽 전체에 고르게 퍼집니다. 검출기가 보는 것은 오직 복사조도뿐입니다.

두 번째 이유는 출력 밀도입니다. 직경 1 mm의 10 W 빔은 약 1.3 kW/cm²를 전달하며, 이는 어떠한 반도체 검출기도 즉시 파괴하기에 충분합니다. 적분구는 동일한 출력을 내부 표면 전체에 분산시키며, 직경 100 mm의 경우 그 면적은 314 cm²입니다. 따라서 검출기에 도달하는 양은 3자릿수 이상 낮아집니다.

펄스 레이저의 경우 펄스에 대해 적분되므로, 측정되는 값은 와트 단위의 출력이 아니라 줄 단위의 에너지입니다. 적분구는 이에 대해 아무것도 바꾸지 않으며, 여기에서도 빔 프로파일과 정렬이 중요하지 않다는 이점을 제공합니다.

두 가지 사항이 남아 있습니다. 첫째, 레이저 파장에서의 반사율을 알고 있어야 합니다. 550 nm에서 교정된 적분구는 1064 nm에서 잘못된 값을 측정합니다. 둘째, 코팅에는 열적 한계가 있습니다. 수백 와트 수준의 연속파 출력에서는 열 설계를 함께 고려해야 합니다.