Integrerende kuler – for måling og som homogene lyskilder

Den diffust reflekterende innerflaten stråler i henhold til Lamberts lov: hvert belyst punkt sender lyset like mye ut i alle retninger. Sammen med kulegeometrien gir dette en egenskap ingen annen form leverer – belysningsstyrken på veggen avhenger verken av hvor lyset kommer inn eller av hvordan kilden stråler. Nettopp derfor kan en kule måle lysstrømmen fra en lampe med ukjent strålingsdiagram.

Lyset reflekteres ikke én gang, men mange ganger. Hvor ofte, er gitt av kulefaktoren M:

M = ρ / [ 1 − ρ (1 − f) ] der ρ = refleksjonsgrad for belegget, f = portandel av den indre kuleflaten

To tall viser hva som betyr noe. Ved en portandel på 2 % og en refleksjonsgrad på 0,98 er faktoren M ≈ 25. Senker du refleksjonsgraden til 0,95, faller M til omtrent 14.

Tre prosentpoeng refleksjonsgrad halverer nesten signalet. To ting følger av dette, som databladene sjelden nevner: belegget bestemmer følsomheten til hele målingen. Og en kule eldes målbart – bariumsulfat gulner under UV, PTFE tar opp olje og støv. Begge deler senker ρ med noen prosentpoeng og signalet med en tredjedel. Integrerende kuler bør derfor rekalibreres med jevne mellomrom.

Valget følger derfor bølgelengden, ikke prisen. Den som måler i UV-C ved 254 nm, har ikke noe valg med bariumsulfat – der er PTFE det eneste belegget med en brukbar refleksjon. Den som trenger en kule på to meter til målinger av lysstrøm, har heller ikke noe valg, bare omvendt: massiv PTFE kan ikke bygges i den størrelsen.

Tre størrelser er knyttet sammen, og ingen av dem kan fastsettes alene.

Portfraksjonen f. Hver åpning er et sted uten refleksjon og virker som en svart flekk. Som tommelfingerregel bør alle åpninger til sammen holde seg under 5 % av den indre kuleflaten; for nøyaktige lysstrømmålinger godt under dette. Formelen ovenfor viser årsaken: f går direkte inn i kulemultiplikatoren.

Diameteren. Den følger testobjektet. For at kulen skal integrere fluksen i stedet for å avbilde kilden, må testobjektet være lite i forhold til kulen – som tommelfingerregel høyst en tiendedel av kulediameteren. En LED-lyskilde på 30 cm krever derfor en kule på rundt tre meter, mens en enkelt 5 mm LED klarer seg med 50 mm. Den andre koblingen er portfraksjonen: en større kule tolererer en mindre fraksjon ved samme portdiameter.

Baffelen. En liten skjerm mellom kilden og detektoren. Uten den faller lys direkte fra kilden på detektoren, og målingen blir igjen avhengig av stråleretningen – nettopp det kulen skal hindre.

Selvabsorpsjon. Testobjektet svelger selv lys: en lampe med stor sokkel tar mer fra kulen enn en liten LED. Dette korrigeres med en hjelpelampe, målt én gang med og én gang uten testobjektet. For nøyaktige lysstrømmålinger er den ikke et tilbehør, men en forutsetning.

En laserstråle har tre egenskaper som forvrenger enhver direkte måling: en stråleprofil som er ujevnt fordelt over detektorflaten, en innfallsvinkel som følsomheten reagerer på, og en polarisasjon. Den integrerende kulen fjerner alle tre: etter den første diffuse refleksjonen er lyset upolarisert, uten retning og jevnt fordelt over veggen. Detektoren ser ikke annet enn en irradians.

Den andre grunnen er effekttetthet. En stråle på 10 W med 1 mm diameter bærer omtrent 1,3 kW/cm² – nok til å ødelegge enhver halvlederdetektor umiddelbart. Kulen fordeler den samme effekten over hele den indre overflaten; ved 100 mm diameter utgjør det 314 cm². Det som når detektoren, er dermed mer enn tre størrelsesordener lavere.

Pulsede lasere integreres over pulsen: det som måles, er energi i joule i stedet for effekt i watt. Kulen endrer ingenting ved det – også her gir den fordelen at stråleprofil og innretting ikke spiller noen rolle.

To punkter gjenstår. For det første må refleksjonsgraden ved laserbølgelengden være kjent – en kule som er kalibrert ved 550 nm, måler feil ved 1064 nm. For det andre er belegget termisk begrenset: ved kontinuerlige effekter i størrelsesorden flere hundre watt hører termisk design med i vurderingen.