Una esfera integradora (también conocida como esfera de Ulbricht ) es un componente óptico que consta de una cavidad esférica hueca con su interior cubierto con una capa reflectante blanca difusa , con pequeños orificios para los puertos de entrada y salida. Su propiedad relevante es un efecto de dispersión o difusión uniforme . Los rayos de luz que inciden en cualquier punto de la superficie interior se distribuyen, mediante múltiples reflejos de dispersión, por igual a todos los demás puntos. Se minimizan los efectos de la dirección original de la luz. Se puede pensar en una esfera integradora como un difusorque conserva el poder pero destruye la información espacial. Por lo general, se usa con alguna fuente de luz y un detector para medir la potencia óptica. Un dispositivo similar es la esfera de enfoque o Coblentz, que se diferencia en que tiene una superficie interior similar a un espejo (especular) en lugar de una superficie interior difusa.
Incluso las pequeñas esferas de integración comercial cuestan muchos miles de dólares, como resultado, su uso a menudo se limita a la industria y las grandes instituciones académicas. Sin embargo, la impresión 3D y los recubrimientos caseros han visto la producción de esferas de bricolaje con precisión experimental a un costo muy bajo. [1]
La implementación práctica de la esfera integradora se debió al trabajo de Ř. Ulbricht (1849-1923), publicado en 1900. [2] Se ha convertido en un instrumento estándar en fotometría y radiometría . Tiene la ventaja sobre un goniofotómetro para medir la luz producida por una fuente que la potencia total se puede obtener en una sola medición.
WE Sumpner describió la teoría de una caja cúbica recolectora de luz en 1910. [3]
Teoría
La teoría de las esferas integradoras se basa en estos supuestos:
- La luz que incide en los lados de la esfera se dispersa de forma difusa, es decir, reflectancia lambertiana
- Solo la luz que se ha difundido en la esfera llega a los puertos o detectores utilizados para sondear la luz.
Usando estos supuestos, se puede calcular el multiplicador de esferas. Este número es el número medio de veces que un fotón se dispersa en la esfera, antes de que se absorba en el revestimiento o se escape a través de un puerto. Este número aumenta con la reflectividad del revestimiento de la esfera y disminuye con la relación entre el área total de los puertos y otros objetos absorbentes y el área interior de la esfera. Para obtener una alta homogeneidad, un multiplicador de esferas recomendado es 10-25. [4] La teoría establece además que si se cumplen los criterios anteriores, la irradiancia en cualquier elemento del área en la esfera será proporcional a la entrada de flujo radiante total a la esfera. A continuación, se pueden realizar mediciones absolutas del flujo luminoso ejemplar midiendo una fuente de luz conocida y determinando la función de transferencia o la curva de calibración .
Irradiancia de salida total
Para una esfera con radio r, coeficiente de reflexión ρ y flujo de fuente Φ, la irradiancia reflejada inicial es igual a:
Cada vez que se refleja la irradiancia, el coeficiente de reflexión crece exponencialmente. La ecuación resultante es
Dado que ρ ≤ 1, la serie geométrica converge y la irradiancia de salida total es: [5]
Aplicaciones
La luz esparcida por el interior de la esfera integradora se distribuye uniformemente en todos los ángulos. La esfera integradora se utiliza en medidas ópticas. La potencia total (flujo) de una fuente de luz se puede medir sin inexactitudes causadas por las características direccionales de la fuente o del dispositivo de medición. Se puede estudiar la reflexión y la absorción de muestras. La esfera crea una fuente de radiación de referencia que se puede utilizar para proporcionar un estándar fotométrico.
Las esferas integradoras se utilizan para una variedad de mediciones ópticas, fotométricas o radiométricas . Se utilizan para medir la luz total irradiada en todas las direcciones desde una lámpara. Se puede utilizar una esfera integradora para medir la reflectancia difusa de superficies, proporcionando un promedio en todos los ángulos de iluminación y observación. Se puede utilizar una esfera integradora para crear una fuente de luz con una intensidad aparente uniforme en todas las posiciones dentro de su apertura circular, e independiente de la dirección, excepto por la función coseno inherente a las superficies radiantes idealmente difusas ( superficies lambertianas ).
Dado que se recoge toda la luz incidente en el puerto de entrada, un detector conectado a una esfera integradora puede medir con precisión la suma de toda la luz ambiental incidente en una pequeña abertura circular. La potencia total de un rayo láser se puede medir, libre de los efectos de la forma del rayo, la dirección de incidencia y la posición de incidencia, así como la polarización .
Materiales
Las propiedades ópticas del revestimiento de la esfera afectan en gran medida su precisión. Deben utilizarse diferentes recubrimientos en longitudes de onda visible, infrarroja y ultravioleta. Las fuentes de iluminación de alta potencia pueden calentar o dañar el revestimiento, por lo que una esfera integradora se clasificará para un nivel máximo de potencia incidente. Se utilizan varios materiales de revestimiento. Para la luz del espectro visible, los primeros experimentadores utilizaron un depósito de óxido de magnesio , y el sulfato de bario también tiene una reflectancia útilmente plana sobre el espectro visible. También se utilizan varios compuestos de PTFE patentados para mediciones de luz visible. El oro finamente depositado se utiliza para mediciones infrarrojas.
Un requisito importante para el material de revestimiento es la ausencia de fluorescencia. Los materiales fluorescentes absorben luz de longitud de onda corta y reemiten luz a longitudes de onda más largas. Debido a las muchas dispersiones, este efecto es mucho más pronunciado en una esfera integradora que en los materiales irradiados normalmente.
Estructura
La teoría de la esfera integradora asume una superficie interior uniforme con una reflectividad difusa cercana al 100%. Las aberturas por donde la luz puede salir o entrar, utilizadas para detectores y fuentes, normalmente se denominan puertos. El área total de todos los puertos debe ser pequeña, menos de aproximadamente el 5% de la superficie de la esfera, para que los supuestos teóricos sean válidos. Por lo tanto, los puertos no utilizados deben tener tapones a juego, con la superficie interior del tapón recubierta con el mismo material que el resto de la esfera.
Las esferas integrantes varían en tamaño desde unos pocos centímetros de diámetro hasta unos pocos metros de diámetro. Las esferas más pequeñas se usan típicamente para difundir la radiación entrante, mientras que las esferas más grandes se usan para medir propiedades integradoras como el flujo luminoso de una lámpara o luminarias que luego se colocan dentro de la esfera.
Si la luz que entra es incoherente (en lugar de un rayo láser), normalmente llena el puerto de origen y la relación entre el área del puerto de origen y el área del puerto del detector es relevante.
Los deflectores normalmente se insertan en la esfera para bloquear el camino directo de la luz desde un puerto de fuente a un puerto de detector, ya que esta luz tendrá una distribución no uniforme.
Ver también
Referencias
- ^ Tomos, John J .; Finlayson, Chris E. (2016). "Impresión 3D de bajo costo utilizada en un proyecto de pregrado: una esfera integradora para la medición del rendimiento cuántico de fotoluminiscencia" (PDF) . Revista europea de física . 37 (5): 055501. doi : 10.1088 / 0143-0807 / 37/5/055501 . ISSN 0143-0807 .
- ^ James M. Palmer, Barbara G. Grant El arte de la radiometría , SPIE Press, 2010, ISBN 978-0-8194-7245-8 , página 5
- ^ H. Buckley, "El cubo blanqueado como un fotómetro de integración de precisión" (1920) Actas de la Institución de ingenieros eléctricos 59 (Londres)
- ^ Integración del diseño y las aplicaciones de la esfera, Óptica de la esfera [1] , pág. 5
- ^ Schott, John R. (2007). Percepción remota: el enfoque de la cadena de imágenes . Prensa de la Universidad de Oxford. ISBN 978-0-19-972439-0. Consultado el 17 de junio de 2020 .
- RP Photonics, Enciclopedia de Física y Tecnología Láser , Esferas integradoras
- Brian Lai, Labsphere, formación sobre integración de esferas y aplicaciones
- Labsphere, Inc., una guía para la integración de la teoría y las aplicaciones de la esfera
- Pike Technologies, Integrating Spheres - Introducción y teoría , Nota de aplicación de Pike Technologies
- Newport, esferas integradoras de montaje en brida
- Whitehead, Lorne A .; Mossman, Michele A. (2006). "Jack O'Lanterns y esferas integradoras: física de Halloween" . Revista estadounidense de física . 74 (6): 537–541. Código Bibliográfico : 2006AmJPh..74..537W . doi : 10.1119 / 1.2190687 .
- Ducharme, Alfred; Daniels, Arnold; Grann, Eric; Boreman, Glenn (1997). "Diseño de una esfera integradora como fuente de iluminación uniforme" . Transacciones IEEE sobre educación . 40 (2): 131-134. Código Bibliográfico : 1997ITEdu..40..131D . doi : 10.1109 / 13.572326 .
- Peter Hiscocks, Esfera integradora para calibración de luminancia , Rev 6, mayo de 2016
- Ci Systems, introducción a la esfera integradora, estructura mecánica, calibración y fuentes
- Industrias electroópticas, esferas integradoras