林方盛 李鐵成 黃必勇 / 上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

積分球擋板對光通量測量的影響

林方盛 李鐵成 黃必勇 / 上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

通過數(shù)學(xué)模型對理想積分球進(jìn)行原理分析。通過實(shí)驗(yàn)改變積分球內(nèi)部擋板形狀、尺寸和位置等因素，研究其對不同光源光通量測量的影響，得出最優(yōu)解。通過研究，改進(jìn)了光通量測量方法，提高了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

光通量；積分球；擋板

0 引言

在光學(xué)計(jì)量領(lǐng)域中，表征電光源質(zhì)量高低的一個重要指標(biāo)就是光通量。光通量是指按照國際規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)人眼視覺特性評價的輻射通量的導(dǎo)出量，其符號用Φ來表示，單位是lm(流明)。1 lm等于由一個具有1 cd (坎德拉)均勻的發(fā)光強(qiáng)度的點(diǎn)光源在1 sr（球面度）單位立體角內(nèi)發(fā)射的光通量，即1 lm=1 cd·sr。理論上，其單位相當(dāng)于電學(xué)單位瓦特，表征光源輸出的光的功率。例如一只40 W的普通白熾燈的標(biāo)稱光通量為360 lm[1]，40 W日光色熒光燈的標(biāo)稱光通量為2 100 lm[2]，而400 W標(biāo)準(zhǔn)型高壓鈉燈的光通量可達(dá)48 000 lm。

光通量的測量是電光源光參數(shù)檢測中最基本的測量之一。光通量的測量有兩種方法，一種是配光曲面法，一種是積分球法。相比與配光曲面法，積分球法更加高效經(jīng)濟(jì)，方便易行。根據(jù)檢定規(guī)程JJG 247-2008總光通量標(biāo)準(zhǔn)白熾燈和JJG 385-2008總光通量標(biāo)準(zhǔn)熒光燈，除了作為基準(zhǔn)進(jìn)行絕對定標(biāo)時采用分布式光度計(jì)進(jìn)行配光曲面法測量，絕大多數(shù)情況下我國光通量計(jì)量體系的溯源量傳是采用積分球法[1][2]。

積分球最早在19 世紀(jì)90年代就用于光源的光度測量, 很快就在許多方面得到了應(yīng)用，現(xiàn)在它已成為輻射度、光度、色度測量中不可缺少的設(shè)備。積分球是中空的完整球殼，內(nèi)壁涂有白色漫反射層，且球壁內(nèi)各點(diǎn)漫射均勻。球壁上開一個或幾個窗孔，用作進(jìn)光孔和放置光接收器件的接收孔。

1 積分球原理分析

理想積分球是一個空心的球體，內(nèi)壁均勻涂布白色的漫反射材料，使整個球壁處處都可以看作是一個余弦漫射面，球壁反射比為ρ，球的半徑為R。在球心處懸掛一個光源，其光通量為Φ[3]。

如圖1所示，在球壁上某個小面積ΔS接收到來自光源的一部分光通量ΔΦ，從這個小面積反射出來的光通量等于ρΔΦ。這時ΔS可以看作是一個余弦發(fā)光面，它所發(fā)出的光均勻分布在球壁的其他部分，球壁的任何部分的照度是相同的。由于球的面積是等于S=4πR2，所以ΔS反射光之后，產(chǎn)生的第一次照度為ΔE1=ρΔΦ/S。光源的每一部分光通量ΔΦ，都會同樣產(chǎn)生如上述所描述的一部分第一次照度，總和為E1=ρΦ/S。第二次、第三次、第四次……直到第n次的反射，產(chǎn)生的總照度為E=(ρΦ/S)·ρ/(1-ρ)。由于積分球壁的無限多次反射作用，由各次反射光所疊加的照度正比于光源的總光通量[4]。

圖1 理想積分球示

值得注意的是上述分析得到的疊加照度都是至少經(jīng)過一次反射之后得到的，而光源直接照射產(chǎn)生的照度不參與整個計(jì)算過程，因此需避免直接照射在探頭表面，正比關(guān)系才成立，故需要探頭前增加擋板避免光源直接照射。

實(shí)際測量過程中，使用的積分球內(nèi)部必須增加支架、導(dǎo)線、底座以方便光源安裝，增加擋板避免直接光源入射，兩個半球開合產(chǎn)生的細(xì)縫以及球面內(nèi)壁赤道處開小窗安裝測光探頭，這些必要的附件都會使積分球偏離其理想狀態(tài)[4]。本文主要考慮擋板對光通量測量的影響。

2 實(shí)驗(yàn)裝置搭建

2.1 擋板設(shè)計(jì)

目前市場上作為標(biāo)準(zhǔn)燈用于光通量校準(zhǔn)方面的主要有兩種，白熾燈和鹵素?zé)?。常見的光通量定?biāo)用白熾燈主要有BDP，BDT，BDX系列。常見的光通量定標(biāo)用鹵素?zé)糁饕蠨204，D062等系列。由于常用的白熾燈和鹵素?zé)艋緸榍蚺菪秃蜋E球泡型，故測試時一般采用圓形擋板?？紤]到實(shí)際使用安裝和積分球本身的1.5 m直徑，故設(shè)計(jì)了兩個直徑分別為15 cm和25 cm的圓形擋板，如表1所示。

表1 各型號光源和對應(yīng)擋板

目前市場上作為總光通量標(biāo)準(zhǔn)熒光燈的型號主要有 20 W（長 620 mm），30 W（長926 mm），40 W（長1 230 mm）。一般熒光燈為直管型，故采用圓形擋板不合適，設(shè)計(jì)跑道形擋板，尺寸規(guī)格，如圖2所示。

圖2 跑道型擋板尺

2.2 平移臺設(shè)計(jì)

為了控制擋板在積分球內(nèi)部的位置變化，對擋板支架進(jìn)行改造。采用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)自動化控制，在支架桿上標(biāo)示分度，能夠更加精確控制擋板的位移距離。將平移臺安裝在積分球內(nèi)部，用遙控器實(shí)現(xiàn)球外的無線控制。

3 擋板對光通量測量的影響實(shí)驗(yàn)

3.1 擋板尺寸對光通量測量的影響

針對不同形狀的光源（如球泡燈，立式通用標(biāo)準(zhǔn)光源，直管熒光燈等），研究采用不同形狀大小的擋板對光通量測量的影響。首先進(jìn)行鹵素?zé)鬌062的光通量測試實(shí)驗(yàn)，待測光源為鹵素?zé)鬌062（光通量標(biāo)準(zhǔn)值為118.9 lm），標(biāo)準(zhǔn)光源為BDX-4。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）首先采用D150圓形擋板進(jìn)行測量；

（2）將標(biāo)準(zhǔn)燈安裝在積分球中心位置，緩慢增加電流至其額定工作電流，預(yù)熱10 min后開始測量；

（3）每個標(biāo)準(zhǔn)燈測量三次，取平均值作為測量值。三只標(biāo)準(zhǔn)燈A、B、C得到三個標(biāo)準(zhǔn)燈光通量測量值CA、CB、CC；

（4）標(biāo)準(zhǔn)值（國家院定值）與三個測得值的比值為修正因子δA、δB、δC；

（5）取三個修正因子的平均值δ= (δA+δB+δC)/3，即為裝置在測試D062燈的光通量修正因子；

（6）在積分球中心以額定電流點(diǎn)亮鹵素?zé)鬌062，預(yù)熱后開始測量，測量三次，取平均值為待測燈的測得值；

（7）得到最后的D062的光通量實(shí)測值為CD062=CF·δ；

（8）采用D250圓形擋板進(jìn)行測量，重復(fù)上述步驟 2～7。

由表2可以看出，進(jìn)行D062鹵素?zé)艄馔繙y量時，采用D150擋板所測的光通量值要比D250擋板更加接近其標(biāo)準(zhǔn)值。由于D062光源體積小，且為橢球形，因此，采用面積小的圓形擋板（D150）即可滿足測量要求。而擋板面積大的D250型在測量過程中光吸收作用更加明顯，且所測光通量數(shù)值較小，因此，會引入加大的測量誤差。故測量時應(yīng)采用D150擋板。

按照上述進(jìn)行不同光源光通量的測試，得到常見光源光通量測量最優(yōu)擋板選擇，如表3所示。

3.2 擋板位置對光通量測量的影響

針對不同光源（如球泡燈，立式通用標(biāo)準(zhǔn)光源，直管熒光燈等），研究不同位置的擋板對光通量測量的影響。首先進(jìn)行鹵素?zé)鬌062的光通量測試實(shí)驗(yàn)，待測光源為鹵素?zé)鬌062（光通量標(biāo)準(zhǔn)值為118.9 lm），標(biāo)準(zhǔn)光源為BDX-4，實(shí)驗(yàn)步驟：

1）首先采用D150圓形擋板進(jìn)行測量；

2）遙控電動平移臺將擋板置于靠近積分球壁最遠(yuǎn)離光源的位置（實(shí)測距離光源70 cm）；

3）在上述狀態(tài)下按照3.1中的實(shí)驗(yàn)步驟對鹵素?zé)鬌062的光通量進(jìn)行測量；

4）遙控電動平移臺將擋板置于積分球內(nèi)距離光源不同的位置，進(jìn)行測量。

表2 不同大小圓形擋板下光通量測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 不同光源下?lián)醢遄顑?yōu)選擇

實(shí)驗(yàn)如圖3所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

圖3 不同擋板距離下光通量實(shí)驗(yàn)

表4 不同擋板距離下光通量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 不同擋板距離下光通量與標(biāo)準(zhǔn)值偏差

光源光通量標(biāo)準(zhǔn)值為118.9 lm，因此擋板存在最佳距離，使測得值最接近真實(shí)值。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，得出對于D062的鹵素?zé)?，最佳測量距離為43 cm。

由表4可以看出，進(jìn)行D062鹵素?zé)艄馔繙y量，D150擋板進(jìn)行移動過程中，當(dāng)擋板距離光源較遠(yuǎn)時，由于其過于靠近光探頭，除了遮擋住光源直接發(fā)出的光，部分反射的光也會被遮擋住，導(dǎo)致測得的光通量值偏小。當(dāng)擋板距離光源較近時，由于其靠近光源，在探頭處的陰影面積較大，對反射光產(chǎn)生了吸收效應(yīng)，也導(dǎo)致測得的光通量值偏小。因此對于每一種光源來說，在積分球內(nèi)部存在一個最佳的擋板位置，使測得的光通量值最接近其標(biāo)準(zhǔn)值。

按照上述進(jìn)行不同光源光通量的測試，得到常見光源光通量測量擋板的最優(yōu)距離。

表5 不同光源下?lián)醢寰嚯x的最優(yōu)選擇

4 光通量測量結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)總結(jié)出的擋板和光源之間的關(guān)系，測量幾只總光通量標(biāo)準(zhǔn)燈，與中國計(jì)量科學(xué)研究院進(jìn)行對比驗(yàn)證。

采用圓形擋板（Φ150），與光源距離43 cm測量BDX系列標(biāo)準(zhǔn)燈光通量，見表6。

采用圓形擋板（Φ250），與光源距離40 cm測量BDT系列標(biāo)準(zhǔn)燈光通量，見表7。

總體來說，裝置提高測量結(jié)果不確定度到Urel=1.4%（k= 2）下，測得的光通量和中國計(jì)量科學(xué)研究院比對得到的結(jié)果En值小于1，結(jié)果滿意，符合預(yù)期要求。

表6 BDX系列標(biāo)準(zhǔn)燈光通量

表7 BDT系列標(biāo)準(zhǔn)燈光通量

5 結(jié)語

針對不同類型的光源（如球泡燈，立式通用標(biāo)準(zhǔn)光源，直管熒光燈等），通過實(shí)驗(yàn)和對整個測量過程的誤差分析，研究積分球內(nèi)的擋板大小、形狀、位置等因素對光通量測量的影響，對光通量測量過程進(jìn)行誤差分析，改進(jìn)測量方法和測量裝置，提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，一定程度上填補(bǔ)了國內(nèi)這方面研究的空白。

[1]全國光學(xué)計(jì)量技術(shù)委員會. JJG 247-2008總光通量標(biāo)準(zhǔn)白熾燈[S].北京：中國計(jì)量出版社，2008.

[2]全國光學(xué)計(jì)量技術(shù)委員會. JJG 385-2008總光通量標(biāo)準(zhǔn)熒光燈[S].北京：中國計(jì)量出版社，2008.

[3]周太明，周詳，蔡偉新，等.光源原理與設(shè)計(jì)[M].上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2006：442-449.

[4]劉慧，楊臣鑄.光度測量技術(shù)[M].北京：中國計(jì)量出版社，2011：90-93.

Research on the influence of baffle in luminous flux measurement with integrating sphere

Lin Fangsheng，Li Tiecheng，Huang Biyong
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

In the field of optical metrology, luminous flux is an important index to characterize the quality of light source. There are two kinds of method to measure it that one is light distribution surface method and the other is integrating sphere method. In the integrating sphere method,the baffle which is a key part of integrating sphere has important effects on the measurement results. The paper analyzes in detail the principle of an ideal integrating sphere. We change the relative position and shape of baffle inside the sphere by experiments. And then we take analysis of the effects of different baffle position and shape on the measurement results. Based on the conclusion, we develop the methods and apparatus to improve the luminous flux measurement accuracy and reliability.

luminous flux; integrating sphere; baffle