Интегрирующая сфера: принцип работы, устройство и калибровка

Точное измерение всех характеристик источников света — сложная инженерная задача. Если нужно узнать освещенность рабочей поверхности стола, достаточно положить на него портативный люксметр. Но как измерить всё количество света, которое излучает источник света во всех направлениях? Как точно определить общий световой поток в люменах или общее количество фотонов (PPF, в мкмоль/с)?

Для решения этой задачи в оптике применяется сфера Ульбрихта — или интегрирующая сфера. В статье представлен наш интерактивный симулятор, который позволяет заглянуть внутрь довольно редкого и дорогого прибора, посмотреть физику измерений, сравнить качество покрытия стенок сферы и наглядно увидеть, как формируется итоговый результат на детекторе.

Интегрирующая сфера (сфера Ульбрихта) — это точный прибор, используемый для сбора, рассеивания и точного измерения оптического излучения (света) от различных источников. Сфера выполняет работу пространственного интегрирования светового потока. В зависимости от решаемых задач, существуют сферы диаметром от 5 см до нескольких метров, внутрь которых можно поместить громоздкие исследуемые образцы, например мощные светодиодные лампы.

Для справки:
В 1892 году английский физик Уильям Эдвард Сампнер (W. E. Sumpner) опубликовал фундаментальный научный труд. В нём он математически описал, как ведет себя световой поток внутри полого шара с идеально рассеивающими (диффузными) белыми стенками.
В 1900 году немецкий инженер и профессор электротехники Рихард Ульбрихт (Richard Ulbricht) построил первую в мире работающую интегрирующую сферу. Он опубликовал результаты своих экспериментов в 1900 году.

Любой источник света (будь то светодиод, лампа накаливания или свеча) излучает свет неравномерно. В одном направлении лучи бьют мощно, в другом — рассеиваются или перекрываются корпусом самой лампы.

Сфера решает эту проблему за счет геометрии и идеального рассеивания (форма шара). Свет, попадающий внутрь, испытывает многократные диффузные переотражения от внутренних стенок. В результате освещенность любой точки на внутренней поверхности сферы становится строго пропорциональной общему световому потоку источника, независимо от того, в какую сторону изначально летели лучи. Это и есть пространственное интегрирование.

Точное знание общего потока люмен, фотон (PPF) и спектра — основа для создания качественного освещения, включая освещение для растений. Производителю нужно понимать, сколько фотонов выдает светодиод или спроектированная готовая лампа в идеальных условиях. Для тестов производители используют стенды, включающие в свой состав интегрирующие сферы.

Когда нужно проверить эффективность уже купленного светодиодного светильника на практике, интегрирующая сфера не используется. У многих энтузиастов или гроверов в арсенале есть бытовой люксметр, который даже может быть встроен в смартфон. Для проверки светодиодных фитоламп для растений мы создали максимально точный калькулятор люкс в PPFD^↗, который позволяет выбрать спектр из доступных преднастроек или установить спектр вручную. Наш калькулятор позволяет точно перевести уровень освещенности в люксах в уровень освещенности для растений — PPFD.

Как работает интегрирующая сфера: принцип работы и устройство

Давайте разберем, как работает и как устроена интегрирующая сфера, опираясь на наш интерактивный обучающий виджет. Устройство сферы кажется простым, но таит в себе множество физических нюансов для достижения потрясающей точности в измерениях.

1. Корпус интегрирующей сферы обычно имеет внешние порты для подключения датчиков, источников света или образцов для измерений, а также эталонного источника света для калибровки.
2. К одному из внешних портов подключается датчик спектрофотометра, свет от которого по оптокабелю передается непосредственно к сенсору спектрофотометра.
3. Калибровочный источник света нужен для внесения компенсирующих коэффициентов в измерения на потери, неизбежно возникающие из-за конструктивных особенностей сферы и измеряемого источника света, особенно если источник размещается внутри сферы.
4. Перегородка, встроенная в сферу, создает тень на датчик спектрофотометра, так как прямые лучи, без сферической интеграции, попадающие прямо на сенсор спектрофотометра, неизбежно приведут к многократному завышению показаний.
5. Порт для измерений используется в случае необходимости точного измерения пропускающей способности исследуемого образца или измерения его коэффициента отражения.
6. Порт, в котором установлен эталонный источник света. Обычно это галогеновая лампа, физические параметры которой заведомо измерены с огромной точностью. Стоимость таких ламп может достигать 1000$ за единицу. Питание осуществляется через сверхточный и стабилизированный блок питания. Ресурс работы калибровочных источников света, как правило, составляет 50 часов, после чего параметры лампы отклоняются от первоначальных.
7. Порт для подключения датчика спектрофотометра. Затенен внутренней перегородкой для предотвращения падения прямых лучей света от исследуемого образца.
8. Внутренняя отражающая поверхность из специального материала Spectralon. Это специальный материал, имеющий коэффициент отражения 99%.

Внутреннее покрытие (Coating)

Интегрирующая сфера, принцип работы которой основан на законе Ламберта, требует абсолютно матового (диффузного) покрытия стенок с высочайшим коэффициентом отражения (около 99%). Зеркальные поверхности для сферы губительны. Именно поэтому был разработан Spectralon — материал от компании Labsphere, считающийся самой белой субстанцией на Земле с коэффициентом отражения 99% в диапазоне 250-2500 нм. Химически и термически стабилен, можно мыть.

В симуляторе вы можете переключать типы покрытий:

• Сульфат бария (Barium sulphate): Классическое и недорогое покрытие. Отражает около 96-97% света.
• Спектралон (Spectralon): Эталонный фторопластовый материал, обладающий коэффициентом отражения более 99% в широком диапазоне длин волн.
• Белая краска (White paint): Бюджетный вариант с отражением 90%, сильно поглощающий синий спектр. Отражение спектра в видимом диапазоне света нелинейно.

Сульфат бария (BaSO₄) — это неорганическое вещество, которое не растворяется в воде и совершенно нетоксично. Встречается в природе в виде минерала барита. Сульфат бария имеет коэффициент отражения около 96-98%, но в более узком диапазоне 400-1200 нм.

Стоит порошок сульфата бария, даже очищенного лабораторного, дешево — около 10$ за 100 грамм. Это несопоставимо с ценой на Spectralon. Поэтому порошок сульфата бария часто используют для покрытия внутренней поверхности полупромышленных или самодельных интегрирующих сфер, которые производятся своими силами и вполне подходят для проведения различных измерений, особенно таких, которые не требуют сверхвысокой точности.

Белая краска — максимально дешевое покрытие, доступное в любом магазине стройматериалов. Подходит только для демонстраций работы сферы студентам или для базовых измерений DIY-энтузиастами.

Идеально белое покрытие интегрирующей сферы позволяет сделать точный сбор спектральных данных для разных сфер, например, для освещения растений или при проектировании бытовых ламп. Спектрометр, подключенный к сфере, позволяет измерить не только количество, но и качество белого света. Узнать больше о том, почему качество света важно для здоровья глаз и что такое колориметрия, вы можете в нашей статье про индекс цветопередачи CRI, CQS и стандарт TM-30^↗.

Интересный факт: первая интегрирующая сфера, построенная Рихардом Ульбрихтом, внутри была покрыта карбонатом кальция. Звучит грозно для тех, кто далек от химии, но это всего лишь обычный мел. В Дрезденском техническом университете, где работал изобретатель, ему даже установлен памятник в виде интегрирующей сферы.

Искажение спектра (Spectrum at the detector)

В идеальном мире покрытие отражает все длины волн одинаково. В реальности сульфат бария слегка поглощает синий свет. Посмотрите на график спектра в виджете: пунктирная линия (Measured) может отличаться от сплошной (True). Чем выше множитель сферы (чем больше переотражений), тем сильнее накапливается ошибка поглощения. В виджете показатель Blue 400-500 measured / true наглядно демонстрирует, сколько синих фотонов "съела" сфера по сравнению с реальным источником.

Открытые порты (Open ports) также влияют на результат: это "черные дыры", через которые свет уходит безвозвратно. Чем больше площадь портов по отношению к площади сферы, тем ниже множитель и хуже интеграция.

Перегородка в интегрирующей сфере (Baffle)

Перегородка представляет собой небольшую пластину, которая покрыта тем же самым отражающим веществом, что и вся внутренняя поверхность сферы, и предназначена для создания условий многократного, диффузного переотражения света от идеально белого внутреннего покрытия сферы, что делает свет однородным перед измерением спектрофотометром.

Детектор света (спектрометр или фотодиод) установлен в стенке сферы. Если лучи от лампы попадут на него напрямую, без переотражений, показания будут критически искажены. Поэтому перед детектором всегда устанавливается перегородка (baffle). Попробуйте в виджете переключить перегородку в режим "Снята" (Removed), и вы увидите, как прямой луч (First bounce in the signal) ударит прямо в сенсор, сломав всю математику расчетов.

Функции, которые выполняет перегородка:

• Исключение прямой засветки — затеняет внешний порт интегрирующей сферы, в который подключен сенсор спектрофотометра, предотвращая засветку сенсора прямыми (не интегрированными) лучами от источника света. Прямые лучи очень сильно искажают данные.
• Защита от первого переотражения света — датчик не должен видеть прямого светового пятна от источника света. Именно эта функция перегородки обеспечивает независимость измерения от диаграммы направленности источника света.

Для некоторых измерений перегородок в сфере может быть несколько, однако чем больше в сфере элементов, тем хуже, так как любое тепло внутри сферы только добавляет погрешности.

Внешние порты интегрирующей сферы и их возможности

Интегрирующая сфера может выполнять задачи не только по измерению полного светового потока источника света. Сфера позволяет измерять общее отражение от испытуемого образца, диффузное отражение, общее пропускание (прозрачность) и диффузное пропускание.

Например, при создании вторичной оптики для светодиодов одним из главных параметров является КПД оптики или ее пропускающая способность. Именно этот параметр с точностью до долей процентов можно измерить в интегрирующей сфере, используя специальную конфигурацию ее портов.

Сводная таблица конфигурации портов

Внешний порт также позволяет физически подключить к сфере световую ловушку (Light Trap). Такая ловушка решает одну из важнейших задач в оптических измерениях: разделение света на диффузный (рассеянный) и зеркальный (глянцевый блеск).

Зачем это нужно:

1. При измерении отражения (Режимы SPIN и SPEX)

Когда луч света падает на образец под небольшим углом (например, 8 градусов), свет отражается двумя путями:

1. Зеркально (как от зеркала): отражается строго под тем же углом (8 градусов) в противоположную сторону. Это глянцевый блик.
2. Диффузно: рассеивается во все стороны внутри сферы за счет текстуры материала.

Порт ЗАКРЫТ белой заглушкой (Режим SPIN — Specular Component Included): Зеркальный блик бьет в заглушку, рассеивается внутри сферы и регистрируется детектором вместе со всем остальным светом. Вы измеряете общее отражение (истинный цвет + глянец).

Порт ОТКРЫТ наружу или там стоит СВЕТОВАЯ ЛОВУШКА (Режим SPEX — Specular Component Excluded): Зеркальный блик пролетает через этот порт, попадает в «черный тупик» (ловушку) и полностью там поглощается. Это измерение чисто диффузного отражения.

Зачем это на практике? Чтобы понять, насколько объект глянцевый или матовый. Если вычесть из результатов SPIN результаты SPEX, прибор выдаст чистый коэффициент зеркального блеска. Это критично при производстве автомобильных красок, пластика или полиграфии, где цвет один, а лаковое покрытие разное.

2. При измерении пропускания (Трансмиссии)

• На входном порту устанавливается исследуемый образец, и через него пропускается луч света. Если дополнительный порт ЗАКРЫТ белой заглушкой, измеряется общее пропускание света. Порт закрыт — значит, весь свет остается в сфере. Например, от известного источника света входит 1000 люмен, а спектрофотометр фиксирует 970 люмен. Значит, коэффициент прозрачности для исследуемого объекта 97%.
• Через исследуемый образец пропускается луч света, но дополнительный порт ОТКРЫТ или стоит ЛОВУШКА. Для измерения используют два противоположных порта: свет проходит через исследуемый образец и выходит наружу или гасится в ловушке. В сфере остается только свет, который образец рассеял. Так измеряют мутность (Haze) или коэффициент диффузного пропускания.

Световая ловушка и смысл ее применения

Световая ловушка вместо открытого наружу порта интегрирующей сферы:

• Если порт просто открыть наружу, есть риск, что в лаборатории включен свет или стены комнаты что-то отражают — это внешнее излучение «залезет» через дырку обратно в сферу и исказит показания детектора.
• Световая ловушка — это абсолютно изолированная геометрическая ловушка (обычно внутри покрашенная глубоким матовым черным цветом или состоящая из наклонных зеркал). Свет, попавший туда, многократно отражается от черных стенок и затухает на 99.9%, гарантируя идеальный ноль («абсолютную темноту») для этого пучка.

Иногда световую ловушку называют черный «тупик». Также используется для калибровки нуля (Zero Calibration) спектрофотометра.

ВАЖНО! При использовании интегрирующей сферы все неиспользуемые порты должны быть закрыты специальными светоотражающими заглушками!

Измерение светового потока интегрирующей сферой: геометрии 2π и 4π

При измерении общего светового потока (люменов) источников света (ламп, светодиодов, светильников) в интегрирующей сфере применяются две принципиально разные схемы измерений: геометрия 4π (сферическая) и геометрия 2π (полусферическая).

Суть этих терминов взята из геометрии: полный телесный угол вокруг точки (вся сфера) равен 4π стерадиан, а половина сферы (полусфера) — 2π стерадиан.

Геометрия 2π (Source at the port)

Применяется для направленных источников света: голых светодиодов (bare LEDs), COB-матриц, прожекторов и модулей. Источник монтируется снаружи, заподлицо с краем измерительного порта, и светит внутрь сферы (в переднюю полусферу, 2π). В этом случае внутрь сферы не помещается громоздкий корпус светильника, и возвращающийся свет поглощается только передней панелью светодиода, что резко снижает ошибку самопоглощения.

К слову, эффективность отражения важна не только в лаборатории. В домашних гроубоксах стенки из Mylar Diamond или белой матовой краски работают по схожему принципу, заставляя часть лучей эффективно возвращаться к листьям растений. Рассчитать эффективность и равномерность освещения в гроубоксе поможет симулятор освещения гроубокса^↗.

Как становится понятно по изображению, метод измерения 2π не позволит измерить параметры лампы ДНаТ или обычной лампы накаливания. Для источников света, которые излучают почти на 360 градусов вокруг себя, нужно использовать только метод измерения 4π и полноценную интегрирующую сферу — шар.

Геометрия 4π (Source inside)

В этом режиме лампа подвешивается прямо в центре сферы на специальной штанге. Свет излучается во всех направлениях (телесный угол 4π стерадиан). Это стандарт для измерения ламп накаливания, фитоламп, HPS, КЛЛ и некоторых LED-ламп формата A60. Главная проблема этой геометрии — самопоглощение (Self-absorption). Свет, многократно летая по сфере, неизбежно попадает на корпус самой лампы или арматуру и поглощается. В виджете этот параметр вынесен отдельной строкой и измеряется в %.

Проблема самопоглощения (Self-absorption) решается с помощью калибровки интегрирующей сферы эталонным источником света, об этом я напишу ниже.

В чем главная разница? (Прямое сравнение)

Проблема с геометрическими размерами исследуемых источников света также частично решается с помощью калибровки. Особенно в ситуациях, когда в сферу помещается крупный источник света с черным корпусом, например концертный светодиодный прожектор.

Когда используется дополнительная калибровка, площадь исследуемого объекта может доходить до 20-30% площади интегрирующей сферы. Однако большие объекты вносят искажения в геометрические параметры всего стенда, что приводит к увеличению погрешности измерений.

Множитель сферы (Sphere Multiplier)

Множитель интегрирующей сферы (англ. sphere multiplier, обозначается буквой M) — это ключевой безразмерный параметр в оптике, который показывает, во сколько раз плотность световой энергии (освещенность) внутри сферы возрастает за счет многократных внутренних отражений по сравнению с тем, если бы свет просто один раз упал на плоский белый рассеиватель той же площади.

С практической точки зрения коэффициент умножения имеет два понятных физических смысла:

1. Среднее число переотражений: Множитель показывает, сколько в среднем раз каждый фотон света успевает «удариться» о внутренние стенки и отскочить от них, прежде чем он окончательно поглотится покрытием или вылетит наружу через одно из технологических отверстий (портов).
2. Коэффициент усиления сигнала: Сфера работает как оптический «усилитель» для датчика. Благодаря многократным отражениям освещенность на детекторе оказывается на порядок выше, чем при прямом замере, что критически важно для измерения слабых источников света.

Каким должен быть множитель в хорошей сфере?

Для качественных лабораторных интегрирующих сфер нормальным считается значение M в диапазоне от 10 до 30 (редко до 50).

• Если M слишком маленький (меньше 10): Сфера плохо перемешивает свет. Излучение совершает мало переотражений, и на детектор могут попадать неравномерные пучки света, что вызовет сильную погрешность.
• Если M слишком большой (больше 50): Сфера становится гиперчувствительной к любым изменениям. Стоит вам внести внутрь крошечный (даже в пределах 10% размера) образец, как общее поглощение резко подскочит, множитель рухнет, и система выдаст огромную ошибку, которую тяжело скорректировать даже вспомогательной лампой.

Поэтому инженеры всегда ищут баланс: внутреннее покрытие делают максимально отражающим, а площадь портов и размер образцов ограничивают, чтобы удерживать множитель сферы в стабильном рабочем диапазоне.

Интерактивный симулятор - объясняем теорию и работу интегрирующей сферы на практике

Теперь, после ознакомления с общей теорией, принципом действия и смыслом применения интегрирующих сфер, предлагаю взглянуть на наш интерактивный виджет-симулятор, предназначенный для обучения и наглядной демонстрации работы интегрирующих сфер.

Метрики в нижней части виджета помогут понять, какие именно параметры можно измерить, используя интегрирующую сферу. Вы можете сравнить разницу в материале покрытия стенок интегрирующей сферы, наглядно увидеть шаги калибровки интегрирующей сферы, как влияет открытый, незаглушенный порт на измерения, а также изменение множителя сферы в зависимости от ее диаметра.

Пошаговая калибровка интегрирующей сферы

Поскольку сфера искажает спектр, теряет часть света через порты (хоть и закрытые) и самопоглощение исследуемого источника (если он находится внутри) влияет на измерения, спектрофотометр не выдаст правильный результат сразу после подключения. Точная калибровка интегрирующей сферы — почти всегда обязательный процесс перед любыми измерениями.

Процедура калибровки (Calibration Procedure) состоит из трех обязательных шагов:

1. Использование эталонной лампы (Standard Reference Lamp): В сферу помещается специальная галогенная лампа, сертифицированная в национальном институте метрологии (например, NIST). Ее точный световой поток и спектр известны до тысячных долей. Спектрометр снимает показания, программное обеспечение сравнивает их с паспортом эталона и создает базовый корректировочный спектральный файл.
2. Компенсация самопоглощения (Auxiliary Lamp): В стенку сферы вмонтирована вспомогательная лампа. Сначала она включается при пустой сфере (записывается спектр А). Затем в выключенную сферу помещается тестируемый громоздкий светильник. Вспомогательная лампа включается снова (записывается спектр Б). Разница между А и Б — это точное количество света, которое тестируемый светильник "съедает" своим темным корпусом.
3. Проведение измерений: Тестируемый светильник включается. Софт спектрометра, используя базовый файл калибровки из Шага 1 и коэффициент самопоглощения из Шага 2, вычисляет истинный спектр (True Spectrum) и точный световой поток источника.
4. Получения итоговых данных о исследуемом объекта и их анализ.

Калибровка сферы позволяет измерять параметры практически любых источников света или снимать параметры различной оптики с потрясающей точностью. Именно поэтому интегрирующая сфера является незаменимым инструментом для большого количества различных исследований.

Заключение

Интегрирующая сфера — это фундаментальный оптический инструмент, без которого невозможно существование современной индустрии освещения. Несмотря на кажущуюся простоту "белого шара", внутри него происходят сложные физические процессы интеграции света. Используйте наш интерактивный симулятор, чтобы лучше понять влияние материалов, геометрии и внутренних экранов на конечный результат фотометрических измерений.

Бренд SPECLED это профессиональная разработка и сборкой светодиодных ламп для освещения растений. Для достижения максимального качества и эффективности наших изделий мы используем в измерительных и исследовательских целях профессиональный спектрофотометр от Ocean Optics, STS-VIS.

Так же мы создаем интерактивные калькуляторы и обучающие виджеты для понятного и интерактивного обучения и разъяснения порой сложных физических принципов связанных с электроникой или светодиодным светом. Как к примеру виджет находящийся сверху этой страницы и наглядно показывающий физический принцип работы интегрирующей сферы.

Однако мы решили не останавливаться только на интерактивных виджетах и полезных калькуляторах! Специально для DIY энтузиастов в сфере связанной с светодиодами: фитолампы, светодиодные фонарики, бытовое освещение или промышленное освещение, мы создали профессиональный инструмент для отцифровки спектра светодиодов^↗ и дальнейшего спектрального анализа.

Наш инструмент позволяет отцифровать спектр светодиода из даташита, в документации часто на одном графике рисуют спектра светодиодов с разной температурой свечения. Теперь вы можете отцифровать каждый спектр по отдельности, получить данные разделение по спектру, оценить количество света в диапазоне 650-670нм (нужно для растений), получить расчетные данные: индекс цветопередачи по CQS и TM-30, например если есть спектр, но нет других данных.