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新型 F4 测光积分球

合肥星月夜光技术应用研究所 专业设计研发制造
总工:张坤  技术工程师:张锋军、张士玉

在现代光学测量中,广泛使用测光积分球,像光学材料的反射比测量,大都采用积分球法,优点在于它不仅能收集样品上的全部反射光,而且球壁各部分向接收器反射的光具有对称性,与反射的角分布无关,这种性能与球的结构以及内涂层密切相关. 我们研制的新型测光积分球,是用国产聚四氟乙烯悬浮树脂(F4)代替常用的氧化镁(MgO),硫酸钡(BaSO4)作积分球涂层,在0.2~2.5微米波长范围内,光谱反射比都高于MgO和BaSO4,且反射比中性好,有利于减小它对积分球非中性的影响.另外,涂层粘性好,不易破裂与起皱,灰尘可以用清洁的毛刷清楚,不会损伤涂层. F4涂层不怕潮湿,暴露在紫外光下也不会变黄,F4涂层是当前国际照明委员会(CIE)推荐的一种最好的漫反射材料. 根据测光积分球的基本原理,一束光通量由入口进入积分球后,经球内壁多次漫反射之后,到达任一窗口的光照度E都是多次漫反射的积分,有: 式中: Φ为入射光通, ρ为涂层的漫反射率, R为球的内半径,f为开口对总反射球面的比,一般小于10%.由(1)式可以看出反射率ρ的变化将显著影响积分球照度.例如,涂层的反射率为0.95时,0.01的增加(ρ=0.96)会引起照度增加0.26倍,即E1=1.26Eo;若△ρ =0.02,即 ρ=0.97时,则E2=1.7Eo; 若△ρ=0.03,即ρ=0.98时,则E3=2.58Eo;所以,新型F4积分球可以大大提高积分球的效率,通常为MgO和BaSO4的2~3倍,这有利于低透射、弱反射光信号测量,不仅可以提高测量的灵敏度,而且也大大改善了测量的信噪比.合肥星月夜光技术应用研究所已建立了F4测光积分球系统,并显示出新型测光积分球的许多优点. 图1示意了一个使用F4积分球的测试系统,光束入口与光陷阱(或孔塞)在相同的角度(CIE推荐为10o,由样品台的法本算起,以便控制反射光的镜面成分).光阱可以消除测量中的镜反射,得到漫反射率;换上孔塞,镜面成分保持在球内,得到总反射率,由总反射率减去漫反射率得到镜反射率. 该系统的光源功率稳定,单色光由单色仪提供,准直镜使入射到样品上的光发散角小于5o,挡屏可以防止接收器直接接收第一次反射光,只接收积分光,信号送入放大处理系统。 具体测量过程类似往常,对每一取样波长,先测出已知标准的读数,然后读出样品的信号,再将样品输出除以标准输出,再乘以该波长上以知标准反射率,即求出样品反射率,可表示: 同样,只要在积分球入口放上被测透射样品,即可求得样品的投射率. 由物体的光谱反射率可以计算出颜色的三刺激值,然后就可以再由三刺激值转换成色度坐标。
图一F4 积分球测试系统

1-积分球
积分球是一个中空的完整球壳,内壁涂以白色的光学反射涂层(如图1-2),这种光学材料是 F4 ,它是当前国际照明委员会推荐的一种最理想的积分球漫反射材料,并且,我们又发明了一种F4 涂料的喷涂新技术,大大推动了F4 测光积分球的应用。
积分球通常是由两个半球组成,内涂层喷涂好以后,再用法兰把两个半球连接起来,构成积分球的主体,再由支架支撑起来,就是一个完整的积分球。
积分球上通常开有入光孔、样品孔和接收孔,有的还配有样品架、镜片架、孔塞,光阱、光栏、囱口配接器以及标准白标等积分球附件,以满足各种光学测量的要求。

2、积分球测光原理
一束光由积分球入口A 进入(如图-3),射到球内壁B,再经球内壁多次漫反射之后,到达球壁上任一出口 C 的光照度E 都是积分球内壁多次漫反射的积分,有公式中,R为积分球半径、ρ为积分球内壁反射率, R和ρ均为常数,因此在球壁上任意位置的光照度E 与入射光通量Φ成正比,并且球壁上任意点的光照度E 是相等。通过测量球壁窗口上的光照度E,就可求出输入的光通量Φ。
3、积分球的应用
积分球按应用分有:图 4 (一 至 八)


1)、测量辐射和发射的总功率
  如右图结构的积分球,就能够准确地测量按置在球内部或球壁上一点入射光源的总功率。 
2)、测量平行光束功率
  用一扩束觇板把第一次入射的平行光束散射,这样就避免了高能光束(如激光)损坏球内壁涂层和检测器,便能对平行光束的功率作可靠地测量。 
3)、测量反射系数,散射系数或荧光系数
  把一平行光束从积分球的一孔入射,射到按置在正对面球壁的试样上,即可测得试样的反射系数,散射系数和荧光系数。 
4)、透明、半透明和混浊系数的测量
  让光源穿过按置在积分球开口处的试样。 
5)、广角散光的收集
  把积分按置成使检测器的入射口和观察器成180度角,这样就可用来收集如日光、雪光和室内灯光这样的光源
6)、建立一个均匀辐射的光源
  如图结构球内光源发出的光,经球内积分,在出口处就形成均匀光源,均匀度可达99.8%以上,用来校正检测器,透镜系统,辐射计等仪器,这样的光源能产生确切的付基准。 
7)、传送和损失的测量
  用于测量光导纤维、激光棒、水晶玻璃等光学系统的传送和损失系数。
8)、分离光源的混合辐射
  在不同波长的光从积分球不同的入射口入射,在球内混合积分,在出射口即形成宽频的均匀光源。

4、积分球的涂料
  积分球涂料是决定积分球 质量的重要因素,它关系到积分球的效率、寿命和测量精度等,由积分球壁的照度表达式看出:

  球壁涂层的反射率ρ 的变化将显著影响积分球的照度,可以容易的计算出反射率ρ从 95%上升到 98%时 ,积分球的效率将提高2-3倍,这将有利于低透射、弱反射光信号的测量,这不仅可以大大提高测量的灵敏度,而且也大大改善了测量的信噪比。
  上图是三种积分球涂料的反射光谱曲线,可以清楚的看出,在 250-2500nm 光谱范围内, F4 涂料反射率不仅都高于硫酸钡( BaSO4 )和氧化镁( MgO),且反射光谱平坦,非常有利于测量。
另外,F4 涂料化学稳定性好,不怕酸、碱、盐,不怕潮湿,长期不老化,是国际照明委员会推荐的最理想的一种漫反射材料。我们发明的一种 F4 涂料喷射新技术,喷涂的反射面均匀一致,整体性好,不管球面大小,都是一个完整的反射体,无裂纹、无缝隙。我们已经制作了近千台不同规格的积分球,在科研、国防、工业等领域广为应用,受到用户的一致欢迎。
5、积分球的选择
  1、首先要确定你需要的积分球的尺寸,我们可以为你加工直径为 50-5000mm的积分球,你选择多大的最合适,应根据测量的实际需要作周到的考虑。一般的讲: 球的直径应是球内安装器件(包括支架)尺寸的二倍以上,倍数越大越好; 球壁上开口的总面积越小越好,最大不超过球总面积的 5%; 同样开口的积分球 直径小的输出信号强,也就是转换效率高,但小球的积分效果要差一些。 所以说积分球的尺寸大小选择要适中。
  2、要确定你需要的积分球的开口数量,一般的讲:测量光源的光通量开1-2个孔,如图4(一)示; 测量样品的反射比、透射比、荧光特性时,积分球开3-4个孔,如图4(三)示; 采用双光路测量时,可以开4个以上的孔。应当注意,开孔多时会影响积分效果,所以一定要根据实际测量需要合理开孔。
  3、开孔的位置和大小,要根据实际测量需要考虑,一般的讲:要按照你设计的光路来确定开孔的位置,应有利于光路调整和固定;开孔的大小要满足光斑以及接收器的使用条件。我们也会帮助用户提供设计的最佳选择。
  4、在样品孔和接收器之间,在输入光束与出光孔之间, 通常需要加一个挡屏,如图4 中的隔板,其作用就是防止光源的一次光进入接收器,以提高测量的精确度。
  5、另外,有时还要考虑一些其它的配件,如孔塞,积分球开口不使用时,用孔塞堵上; 如光阱,是圆柱形空腔,内涂以有强吸收的黒色涂料,用以收集样品的镜面反射成分; 如积分球配接器,用以连接其它设备等。
  6、下图是一台简单的F4 积分球测试系统

  由单色仪提供的单色光经准直透镜形成一束平行光射到被测测样品上,样品的反射光在球内经多次积分后,再由接收器把信号送到放大处理显示系统。对于每一取样波长,例如 10nm ,先测出标准白板的信号数值v(λ)标准,然后测出样品的信号数值v(λ)样品,再把样品的信号数值除以标准白板的信号数值,再乘以该波长上的标准白板的反射率ρ(λ)标准,即求出反射率ρ(λ)样品。 表达式:
      ρ(λ)样品 =v(λ)样品/v(λ)标准×ρ(λ)标准
  同样,在积分球入 光孔处放上被测透射样品,就可以求得样品得透射率。
7、我所为用户加工的几种典型积分球


激光功率镀金球
激光检测技术的应用
       激光技术用于检测工作主要是利用激光的优异特性,将它作为光源,配以相应的光电元件来实现的。它具有精度高、测量范围大、检测时间短、非接触式等优点,常用于测量长度、位移、速度、振动等参数。下面介绍几种应用实例。
       激光测距
       激光测距的基本原理是:将光速为C的激光射向被测目标,测量它返回的时间,由此求得激光器与被测目标间的距离d。
   即: d=c t / 2 (11-26)
式中t—激光发出与接收到返回信号之间的时间间隔。
       可见这种激光测距的精度取决于测时精度。由于它利用的是脉冲激光束,为了提高精度,要求激光脉冲宽度窄,光接收器响应速度快。所以,远距离测量常用输出功率较大的固体激光器与二氧化碳激光器作为激光源;近距离测量则用砷化镓半导体激光器作为激光源。
       激光测长
       从光学原理可知,单色光的最大可测长度L与光源波长λ和谱线宽度Δλ的关系用普通单色光源测量,最大可测长度78cm。若被测对象超过78cm,就须分段测量,这将降低测量精度。若用氦氖激光器作光源,则最大可测长度可达几十公里。通常测长范围不超过10m,其测量精度可保证在0.1μm以内

以气体为介质的新型积分球分析仪

这种通过采集气体,利用激光分析气体研究样品的性能逐渐被利用。本文不详细介绍,因为此部分具有合作开发分析仪器,配套的想法用于大气检测研究,农业种植前景广阔。欢迎有志之士合作开发。

 
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