적분구

Integrating sphere
전구 및 소형 램프 측정용 대형 적분구

적분구(Ulbricht sphere라고도 함)는 속이 빈 구형 공동으로 구성된 광학 부품으로, 내부가 확산성 흰색 반사 코팅으로 덮여 있고 입구 및 출구 포트를 위한 작은 구멍이 있습니다.그것의 관련 특성은 균일한 산란 또는 확산 효과이다.내부 표면의 모든 점에 입사하는 광선은 다중 산란 반사에 의해 다른 모든 점에 균등하게 분포된다.원래 빛의 방향의 영향은 최소화됩니다.적분구는 전력을 보존하지만 공간정보를 파괴하는 확산구라고 생각할 수 있다.일반적으로 광원 및 광전력 측정을 위한 검출기와 함께 사용됩니다.비슷한 장치는 포커스 또는 코블렌츠 구로, 분산된 내부 표면이 아닌 거울 모양의(스펙트럼 모양의) 내부 표면을 가지고 있다는 점에서 다르다.

1892년 W. E. 섬프너는 확산 반사벽을 [1]가진 구형 인클로저의 처리량에 대한 식을 발표했습니다.Ⅱ. 울브리히트는 1900년 [2]출판의 주제인 적분구에 대한 실용적인 실현을 발전시켰다.광도 측정과 방사선 측정의 표준 기구가 되었으며, 한 번의 측정으로 광원에 의해 생성된 총 전력을 얻을 수 있다는 것이 고니오포토미터에 비해 유리하다.입방체 상자 같은 다른 모양들도 이론적으로 [3]분석되었습니다.

소규모 상업 통합 영역도 수천 달러의 비용이 듭니다. 그 결과 산업 및 대규모 학술 기관으로 사용이 제한되는 경우가 많습니다.그러나 3D 프린팅과 홈메이드 코팅은 매우 [4]저렴한 비용으로 실험적으로 정확한 DIY 구를 생산해 왔습니다.

이론.

구체 통합 이론은 다음과 같은 가정에 기초합니다.

  • 구면에 부딪히는 빛은 확산되어 산란된다.램버트 반사율
  • 광선 탐사에 사용되는 포트 또는 검출기에는 구에 확산된 빛만 닿습니다.

이러한 가정을 사용하여 구 승수를 계산할 수 있습니다.이 횟수는 광자가 코팅에 흡수되거나 포트를 통해 빠져나오기 전에 구에 산란되는 평균 횟수입니다.이 수치는 구면 코팅의 반사율에 따라 증가하며 포트와 다른 흡수 물체의 총 면적과 구면 내부 면적 사이의 비율에 따라 감소합니다.높은 균질성을 얻기 위해 권장되는 구면 승수는 10-25입니다.[5]

이 이론은 또한 위의 기준을 충족하면 구면상의 모든 영역 요소에서의 방사선 강도는 구면에 입력되는 총 복사 플럭스에 비례할 것이라고 기술한다.인스턴스 광속의 절대 측정은 알려진 광원을 측정하고 전달 함수 또는 검정 곡선을 결정함으로써 수행할 수 있습니다.

총 출구 조사 강도

반지름 r, 반사 계수 δ 및 선원 플럭스 δ를 가진 구의 경우 초기 반사 방사 강도는 다음과 같다.

조사 강도가 반영될 때마다 반사 계수가 기하급수적으로 증가한다.그 결과는 다음과 같다.

ρ 1 1부터 기하급수 급수가 수렴되고 총 출구 조사 강도는 다음과 같다.[6]

적용들

테스트 샘플의 투과율 및 반사율을 측정하기 위해 적분구를 사용하는 간단한 원칙

적분구는 다양한 광학, 광도 또는 방사선 측정에 사용됩니다.램프에서 모든 방향으로 방사되는 총 빛을 측정하는 데 사용됩니다.적분구는, 그 원형 개구부내의 모든 위치에 걸쳐 외관 강도가 균일하고, 이상적으로 확산하는 방사면(람버트면)에 고유의 코사인 함수를 제외하고, 방향과는 무관한 광원을 작성하기 위해서 사용할 수 있다.적분구는 표면의 확산 반사율을 측정하기 위해 사용할 수 있으며, 조명 및 관찰의 모든 각도에 대한 평균을 제공할 수 있습니다.

적분구상에 탑재된 테스트 물체의 절대 반사율을 측정하는 방법에는 여러 가지가 있다.1916년, E. B. 로사와 A. H. 테일러는 그러한 첫 [7]번째 방법을 발표했다.후속작 A. H.[8][9] 테일러, 프랭크 A.Benford,[10][11] C. H. Sharpe & W. Little,[12] Enoch Carrer [13]및 Leonard Hansen & Simon[14][15] Kaplan은 포트 마운트형 테스트 오브젝트를 측정하는 고유한 방법의 수를 확장했습니다.Edwards 등,[16] Korte & [17]Schmidt 및 Van den Akker [18]등은 중앙에 장착된 테스트 물체를 측정하는 방법을 개발했다.

적분구 내부에 산란된 빛은 모든 각도에 걸쳐 균등하게 분포한다.적분구는 광학 측정에 사용됩니다.광원의 총 전력(flux)은 광원 또는 측정 장치의 방향 특성에 의해 발생하는 부정확함 없이 측정할 수 있습니다.시료의 반사 및 흡수를 연구할 수 있다.구는 광도 표준을 제공하는 데 사용할 수 있는 기준 방사선원을 생성합니다.

입력포트에 입사한 모든 빛이 수집되기 때문에 적분구에 접속된 검출기는 작은 원형 개구부에 입사한 모든 주변광의 합을 정확하게 측정할 수 있다.레이저 빔의 총 파워는 빔 형상, 입사 방향 및 입사 위치의 영향과 편광으로부터 자유로워질 수 있습니다.

상업용 적분구.Electro Optical Industries의 이 특정 모델에는 4개의 램프를 사용하여 자외선을 통해 필요한 스펙트럼 출력을 얻을 수 있습니다.

자재

구면 라이닝의 광학적 특성은 그 정확도에 큰 영향을 미칩니다.가시파장, 적외선파장 및 자외선파장에서는 서로 다른 코팅을 사용해야 합니다.고출력 조명원은 코팅을 가열하거나 손상시킬 수 있으므로 적분구는 입사 전력의 최대 레벨에 대한 정격을 갖습니다.다양한 코팅 재료가 사용됩니다.가시 스펙트럼 빛의 경우 초기 실험자들은 산화마그네슘 퇴적물을 사용했으며, 황산바륨 또한 가시 스펙트럼에 걸쳐 유용한 평탄한 반사율을 가지고 있다.가시광선 측정에는 다양한 PTFE 화합물도 사용됩니다.미세하게 퇴적된 금은 적외선 측정에 사용된다.

코팅 재료에 대한 중요한 요건은 형광의 부재이다.형광물질은 단파장 빛을 흡수하고 더 긴 파장에서 빛을 다시 방출한다.산란이 많기 때문에 이 효과는 일반적으로 조사되는 물질보다 적분구에서 훨씬 더 뚜렷하다.

구조.

적분구 이론은 확산 반사율이 100%에 근접하는 균일한 내부 표면을 가정한다.검출기 및 선원에 사용되는 빛이 밖으로 나오거나 들어갈 수 있는 개구부는 일반적으로 포트라고 불립니다.이론적 가정이 유효하려면 모든 포트의 총 면적이 구 표면적의 약 5% 미만으로 작아야 합니다.따라서 사용하지 않는 포트에는 플러그의 내부 표면이 구의 나머지 부분과 동일한 재료로 코팅된 플러그가 있어야 합니다.

적분구는 지름이 몇 센티미터에서 몇 미터까지 크기가 다양합니다.일반적으로 작은 구는 들어오는 방사선을 확산시키는 데 사용되는 반면, 큰 구는 램프나 구 안에 배치된 조명기의 광속과 같은 통합 특성을 측정하는 데 사용됩니다.

(레이저 빔이 아닌) 입사광이 일관성이 없는 경우 일반적으로 소스 포트를 채우고 소스 포트 영역 대 검출기 포트 영역의 비율도 관련이 있습니다.

배플은 일반적으로 광원 포트에서 검출기 포트로의 빛의 직접 경로를 차단하기 위해 구에 삽입된다. 이 빛은 불균일한 분포를 [19]가지기 때문이다.

「 」를 참조해 주세요.

적분구 조각.드레스덴 공과대학 캠퍼스에 위치

레퍼런스

  1. ^ Sumpner, W. E. (1892). "The diffusion of light". Proceedings of the Physical Society of London. 12 (1): 10–29. doi:10.1088/1478-7814/12/1/304.
  2. ^ Ulbricht, Ř. (1900). "Die bestimmung der mittleren räumlichen lichtintensität durch nur eine messung". Electroteknische Zeit. (in German). 21: 595–610.
  3. ^ Sumpner, W. E. (1910). "The direct measurement of the total light emitted from a lamp". The Illuminating Engineer. 3: 323.
  4. ^ Tomes, John J.; Finlayson, Chris E. "Low cost 3D-printing used in an undergraduate project: an integrating sphere for measurement of photoluminescence quantum yield". European Journal of Physics. 37 (5): 055501. doi:10.1088/0143-0807/37/5/055501. ISSN 0143-0807. Retrieved 2021-10-12.
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  8. ^ Taylor, A. H. (1920). "The Measurement of Diffuse Reflection Factors and a New Absolute Reflectometer". Journal of the Optical Society of America. 4 (1): 9–23. doi:10.1364/JOSA.4.000009. Retrieved 2021-10-12.
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외부 링크