積分球說明市公開課一等獎(jiǎng)省賽課獲獎(jiǎng)?wù)n件

積分球說明第1頁(yè)概述積分球介紹積分球原理積分球涂層積分球測(cè)量方法積分球尺寸選擇第2頁(yè)光度學(xué)概念電磁波電磁波又稱電磁輻射。人眼可接收到電磁輻射，波長(zhǎng)大約在380至780納米之間，稱為可見光。第3頁(yè)光度學(xué)概念視見函數(shù)也被稱為光譜光效率函數(shù)。人眼對(duì)不一樣波長(zhǎng)光有不一樣靈敏度。

依據(jù)環(huán)境明暗條件不一樣，又被分為明視覺視見函數(shù)V（λ）和暗視覺視見函數(shù)V（λ'）。第4頁(yè)光度學(xué)概念輻射通量單位時(shí)間內(nèi)物質(zhì)以電磁輻射形式發(fā)射、傳輸或接收能量稱為輻射通量。符號(hào)：Φe單位:瓦特(W)光通量可見光波段內(nèi)輻射通量與相對(duì)視見函數(shù)乘積。符號(hào)：Φ

單位:流明(lm)第5頁(yè)光度學(xué)概念光照度單位受照面積接收光通量，定義為光照面光照度E。

表示式：?jiǎn)挝唬毫髅髅科椒矫祝╨m/m2）

第6頁(yè)光度學(xué)立體角一個(gè)錐面所圍成空間部分稱為立體角。點(diǎn)光源以一定發(fā)散角照射到物體表面，它所形成立體角稱為Ω。表示式：第7頁(yè)光度學(xué)概念發(fā)光強(qiáng)度點(diǎn)光源向各方向發(fā)出可見光。在某一個(gè)方向，單位立體角內(nèi)發(fā)出光通量發(fā)光強(qiáng)度。表示式：?jiǎn)挝唬嚎驳吕╟d）第8頁(yè)光度學(xué)概念亮度發(fā)光表面法線方向上，單位面積上單位立體角內(nèi)光通量定義為光源亮度L。表示式：?jiǎn)挝唬海╟d/m2）第9頁(yè)積分球介紹積分球功效及應(yīng)用

積分球系統(tǒng)主要功效是測(cè)量光源輻射度、色度、光度等光色電參數(shù)。詳細(xì)包含光源光通量、照度、色溫、色度坐標(biāo)、發(fā)光效率等。

積分球系統(tǒng)主要應(yīng)用于光源、燈具等光測(cè)量領(lǐng)域。第10頁(yè)積分球介紹

積分球是一個(gè)內(nèi)部涂有漫反射涂層空心球體，外面普通是金屬結(jié)構(gòu)，開有幾個(gè)小孔。

積分球內(nèi)部有標(biāo)準(zhǔn)燈、輔助燈、光纖接口等，外接設(shè)備包含電源、電腦、光譜儀等儀器。第11頁(yè)積分球介紹理想積分球系統(tǒng)球內(nèi)表面是一完美球面，半徑處處相等；球內(nèi)壁是均勻漫反射涂層，對(duì)各種波長(zhǎng)光含有相同漫反射率；球內(nèi)沒有任何物體，光源只看作發(fā)光但沒有實(shí)物抽象光源。第12頁(yè)積分球原理朗伯光源與朗伯特征若光源發(fā)光強(qiáng)度按余弦規(guī)律改變，即其亮度與方向無關(guān)。這類發(fā)射體稱為余弦發(fā)光體或朗伯體，朗伯光源又稱為余弦體光源。自然界朗伯體：太陽、毛玻璃燈罩、白紙、積雪、白墻

第13頁(yè)積分球原理朗伯特征：光源發(fā)出光從任意方向看亮度都是一樣。依據(jù)之前亮度定義，可知：

當(dāng)光源發(fā)光強(qiáng)度滿足:光源亮度與方向無關(guān)。

第14頁(yè)積分球原理

依據(jù)朗伯定律，說明積分球原理。

如圖所表示，O是球心，r是半徑。A是球面上單位面積為dS

漫反射源，光源光通量為

，P點(diǎn)照度

，考慮到整個(gè)發(fā)光面都有漫反射光，則P點(diǎn)照度

。第15頁(yè)積分球原理

假設(shè)涂層漫反射系數(shù)為

。假設(shè)一束光通量為

光入射到積分球里面，在球內(nèi)形成均勻光，在球內(nèi)任意點(diǎn)A照度為E，設(shè)

是由第一次反射產(chǎn)生照度（考慮到擋板對(duì)光源作用）：第16頁(yè)積分球原理

這束光在球內(nèi)還要進(jìn)行無窮屢次反射。則A點(diǎn)經(jīng)過n次反射后總照度：P1是一次反射P2是二次反射第17頁(yè)積分球原理當(dāng)時(shí)結(jié)論：積分球內(nèi)光照度大小與涂層漫反射、光通量、球體半徑相關(guān)。我們要求照度均勻話，需要確保積分球涂層漫反射率穩(wěn)定，球體半徑處處相等。第18頁(yè)積分球原理

當(dāng)積分球內(nèi)光是均勻光時(shí)候，能夠測(cè)量任意一點(diǎn)照度E，依據(jù)輻照度原理

，能夠求出某個(gè)光譜對(duì)應(yīng)光通量

，則光源光通量

其中

，

為視見函數(shù)。第19頁(yè)積分球原理怎樣驗(yàn)證光均勻性？

普通來說，驗(yàn)證積分球內(nèi)反射光均勻性，我們采取轉(zhuǎn)動(dòng)待測(cè)光源位置，觀察測(cè)試結(jié)果改變方法。第20頁(yè)積分球原理測(cè)試方案

采取高亮度綠色F5LED，功率約0.35W，發(fā)光角度約30°。測(cè)試結(jié)果以下：第21頁(yè)積分球原理測(cè)量結(jié)果：

測(cè)量得到平均光通量值為16.911

流明，測(cè)量值標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.3911，得到誤差小于±2.35%。結(jié)論：

藍(lán)菲光學(xué)（Labsphere）積分球系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果可靠、穩(wěn)定，對(duì)產(chǎn)品性能給予可靠確保，是LED

行業(yè)光學(xué)性能測(cè)量理想選擇。第22頁(yè)積分球涂層為何強(qiáng)調(diào)積分球涂層？評(píng)價(jià)積分球好壞主要靠涂料、擋板、開口、球體完美度等，最主要是涂料。國(guó)內(nèi)外積分球最主要差異在于積分球涂料不一樣。第23頁(yè)積分球涂層積分球涂層需要滿足條件依據(jù)CIE標(biāo)準(zhǔn)要求，漫反射率最少大于80%。漫反射率隨波長(zhǎng)改變小，即呈光譜中性特征?；瘜W(xué)穩(wěn)定性好、不發(fā)黃。（關(guān)于積分球涂層標(biāo)準(zhǔn)要求：CIE-84-1989MeasurementofLuminousFlux）第24頁(yè)積分球涂層常見積分球涂料

積分球涂料很多，不一樣涂料適合用于不一樣波長(zhǎng)范圍。積分球涂料對(duì)積分球至關(guān)主要，廠家普通采取硫酸鋇、聚四氟乙烯（PTFE）等作為積分球涂料。

第25頁(yè)積分球涂層最常見積分球涂料—硫酸鋇該涂料優(yōu)點(diǎn)：高反射率、高朗伯特征、噴涂輕易、輕易去除、無毒等。該涂料缺點(diǎn)：水溶性、不夠牢靠、輕易被損害等。第26頁(yè)積分球涂層較高端涂料-聚四氟乙烯

該涂料優(yōu)點(diǎn)：在0.2-2.5微米波長(zhǎng)范圍內(nèi)，光譜反射率高于硫酸鋇。該涂料不怕潮濕，暴露在紫外光下也不會(huì)變黃。該涂料缺點(diǎn)：易碎、對(duì)溫度敏感、熱穩(wěn)定性差、輕易污染、價(jià)格高。第27頁(yè)積分球涂層聚四氟乙烯與硫酸鋇反射率對(duì)比圖第28頁(yè)積分球涂層總結(jié)

不一樣涂料各有優(yōu)缺點(diǎn)，我們需要依據(jù)特定情況選擇適當(dāng)積分球涂料。比如潮濕環(huán)境就不能用硫酸鋇涂料，高溫環(huán)境就不適適用聚四氟乙烯涂料。其中，硫酸鋇涂料缺點(diǎn)很顯著，較輕易受潮，受潮后輕易脫落。高溫環(huán)境下輕易氧化、變色。這些都會(huì)造成數(shù)據(jù)測(cè)試誤差。第29頁(yè)積分球涂層國(guó)內(nèi)積分球涂料主要有硫酸鋇涂料R80、R93、R97、R98、詩(shī)貝倫SPEKTRON、聚四氟乙烯（PTFE）等。國(guó)內(nèi)主要銷售積分球廠家：杭州遠(yuǎn)方光電、杭州浙大三色、杭州晶飛科技。第30頁(yè)積分球涂層

國(guó)外，主要積分球生產(chǎn)廠家有美國(guó)藍(lán)菲光學(xué)、美國(guó)OL、德國(guó)IS。藍(lán)菲光學(xué)涂料主要分為四種:Spectraflect、Duraflect、Infragold、Spectralon。第31頁(yè)積分球涂層Spectraflect涂料：經(jīng)濟(jì)實(shí)用型，在可見光光譜內(nèi)含有很高反射率。厚度在0.5mm以上時(shí)，波長(zhǎng)400-1100nm之間，反射率超出99%。在360-830nm光譜范圍內(nèi)提供97%反射率，而且能擴(kuò)展至300-2400nm范圍。第32頁(yè)積分球涂層Duraflect涂料：在波長(zhǎng)350-1200nm之間，反射率超出95%。主要優(yōu)點(diǎn)是防水、防潮、耐腐蝕。可應(yīng)用于惡劣環(huán)境中，比如風(fēng)化、磨損、濕度環(huán)境。第33頁(yè)積分球涂層Infragold涂料：工作于近、中、遠(yuǎn)紅外波段，波長(zhǎng)范圍從700nm到nm之間紅外波段表現(xiàn)優(yōu)異。主要用于小功率激光器光學(xué)測(cè)量。第34頁(yè)積分球涂層Spectralon涂料：同時(shí)工作于紫外、可見光、近紅外波段。在光譜范圍400至1500nm，其反射率能到達(dá)99%，而且在250至2500nm范圍下也能到達(dá)高于95%反射率。高于當(dāng)前任何已知材料散射反射率且耐熱性好。第35頁(yè)積分球涂層Spectralon涂料

依據(jù)應(yīng)用場(chǎng)所分為三個(gè)層次：光學(xué)層次、激光層次和太空層次。光學(xué)層次：在紫外光、可見光和近紅外波段表現(xiàn)出高反射率和朗伯特征。激光層次：物理特征跟光學(xué)層次一樣，就是應(yīng)用于激光泵浦腔時(shí)加入特制樹脂增強(qiáng)了一些性能。太空層次：含有高反射率以及高朗伯特征，是地面遙感應(yīng)用首選材料。第36頁(yè)積分球涂層國(guó)內(nèi)外積分球涂料漫反射率對(duì)比第37頁(yè)積分球涂層總結(jié)分析從涂料反射率角度上看普通廠家硫酸鋇涂料反射率低于聚四氟乙烯以及國(guó)外品牌涂料。聚四氟乙烯反射率高、光譜范圍寬，是理想積分球涂料。藍(lán)菲光學(xué)Spectralon涂料反射率最高。第38頁(yè)積分球涂層從涂料光譜中性（波長(zhǎng)選擇性）來看硫酸鋇在紫外及紅外區(qū)光譜中性均不理想，可見光內(nèi)還能夠接收。聚四氟乙烯涂料光譜范圍寬，光譜中性好。藍(lán)菲光學(xué)Spectralon涂料光譜范圍很廣，光譜中性非常好。第39頁(yè)積分球涂層從客戶反饋來看很多廠商積分球涂料時(shí)間久了會(huì)泛黃、開裂、脫落，且含有刺鼻氣味。而這么老化造成反射率下降會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)試精度，所以普通積分球涂料都需要一兩年一次重新噴涂。藍(lán)菲光學(xué)Spectraflect涂料完全無毒、無異味，且具備8年以上使用壽命，無需重新噴涂。第40頁(yè)積分球測(cè)量方法SSL產(chǎn)品光通量測(cè)量普通使用積分球系統(tǒng)或分布光度計(jì)。積分球與光度計(jì)不一樣點(diǎn)積分球系統(tǒng)原理就是測(cè)量積分球上某一點(diǎn)照度，算出某個(gè)波長(zhǎng)下輻射通量，最終算出光源總光通量。分布光度計(jì)普通是測(cè)出光源光強(qiáng)分布，計(jì)算出光源光通量。第41頁(yè)積分球測(cè)量方法積分球與光度計(jì)不一樣點(diǎn)積分球系統(tǒng)適合于集成LED燈具和相對(duì)較小LED照明產(chǎn)品。積分球系統(tǒng)LED光譜分布和光強(qiáng)分布與慣用標(biāo)準(zhǔn)燈之間存在較大差異，會(huì)帶來較大測(cè)量誤差。分布式光度計(jì)適合用于大型燈具如高壓汞燈、鈉燈光學(xué)測(cè)量，測(cè)量精度更高。大多數(shù)第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)和大型國(guó)家試驗(yàn)室多會(huì)選取旋轉(zhuǎn)反光鏡式分布光度計(jì)，當(dāng)然很多生產(chǎn)型企業(yè)也會(huì)選取臥式分布光度計(jì)。第42頁(yè)積分球測(cè)量方法積分球與光度計(jì)不一樣點(diǎn)積分球系統(tǒng)配合光譜儀能夠測(cè)量色溫、顯色指數(shù)、色品坐標(biāo)等參數(shù)。分布式光度計(jì)還能夠提供IES文件（光度學(xué)數(shù)據(jù)文件）。第43頁(yè)積分球測(cè)量方法兩種測(cè)量方法：4π測(cè)量、2π測(cè)量4π測(cè)量-適合用于全部類型SSL產(chǎn)品2π測(cè)量-適合用于發(fā)光角度小于180°SSL產(chǎn)品安裝方式：燈具或者光源發(fā)光角度朝下第44頁(yè)積分球測(cè)量方法

固態(tài)照明產(chǎn)品電氣和光度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)LM-79-80，要求了積分球測(cè)量方法。積分球光通量測(cè)量必須依據(jù)校準(zhǔn)得到。待測(cè)燈光通量是與標(biāo)準(zhǔn)燈比較得到，這種方法能夠降低待測(cè)燈光通量測(cè)量誤差。輔助燈作用是比較標(biāo)準(zhǔn)燈和待測(cè)燈外形或顏色對(duì)于光吸收差異。第45頁(yè)積分球測(cè)量方法普通積分球基本操作步驟標(biāo)準(zhǔn)燈放入積分球內(nèi)部，點(diǎn)亮，取得此時(shí)光譜儀讀值yREF（λ）。標(biāo)準(zhǔn)燈熄滅，輔助燈點(diǎn)亮，取得光譜儀讀值yaux,REF（λ）。輔助燈不要熄滅，把標(biāo)準(zhǔn)燈更換為被測(cè)燈，被測(cè)燈不關(guān)鍵點(diǎn)亮，取得光譜儀讀值yaux,TEST（λ）。輔助燈熄滅，被測(cè)燈點(diǎn)亮，取得光譜儀讀數(shù)yTEST（λ）。第46頁(yè)積分球測(cè)量方法積分球計(jì)算公式其中α（λ）為自吸收賠償系數(shù)第47頁(yè)積分球測(cè)量方法ΦTEST（λ）為待測(cè)燈每個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)光譜輻射量。依據(jù)以下公式，能夠計(jì)算出實(shí)際待測(cè)燈光通量。其中，Km為最大光譜光視效能函數(shù)。第48頁(yè)積分球測(cè)量方法光譜光視效能K(λ)：描述某一波長(zhǎng)單色光輻射通量產(chǎn)生光通量，即波長(zhǎng)為λ單色光，其單色光通量Φv(λ)與單色光輻射通量Φe(λ)之比定義為光譜光視效能。

用K(λ)表示明視覺光譜光視效能，用K′(λ)表示暗視覺光譜光視效能，單位為lm/W。

第49頁(yè)積分球測(cè)量方法K(λ)=Φv(λ)/Φe(λ)=Km·V(λ)Km為最大光譜光視效能，即：明視覺Km=K(555)=683lm/W暗視覺