Criterios de diseño de esfera integradora universal para la medición de propiedades de materiales ópticos

Las propiedades ópticas de los materiales se describen habitualmente en términos de su reflexión, transmisión y absorción [1]. Para medir estos parámetros clave, los materiales se exponen a radiación óptica que luego es parcialmente reflejada, transmitida o absorbida por las muestras. El tipo de equipo más común para medir estas propiedades ópticas es un espectrofotómetro. Estos instrumentos comprenden una fuente de luz para la iluminación de la muestra, un portamuestras con geometría de medición para dirigir la radiación reflejada o transmitida y un detector para medir la radiación. Si la fuente de luz proporciona una iluminación de banda ancha de la muestra, entonces un espectrómetro, típicamente basado en una matriz, formará la etapa del detector. Alternativamente, la muestra se puede iluminar con radiación monocromática que se escanea a través del rango de longitud de onda de interés. En esta configuración, se utilizan fotodetectores de un solo elemento, como tubos fotomultiplicadores y fotodiodos.

En aplicaciones donde se miden materiales de dispersión, los espectrofotómetros incorporan una esfera integradora [2] dentro de la geometría de medición de la muestra. Sin embargo, la mayoría de los espectrofotómetros comerciales son bastante limitados en cuanto a su espacio disponible y acceso para usar esferas integradoras. Para situaciones en las que no se pueden utilizar, existe la necesidad de esferas de integración universalmente configurables. Su diseño debe adaptarse de manera óptima a los requisitos de medición de cada parámetro óptico.

A menudo, el mejor compromiso posible entre el alto rendimiento óptico y el tamaño de la esfera se puede lograr con una esfera integradora de 150 mm de diámetro (6 pulgadas). Su superficie esférica de ca. 71.000 mm² permite utilizar un área total de hasta 3.500 mm² para los puertos de aplicación y detectores, mientras se mantiene la proporción recomendada de <5% de área de puerto a superficie de esfera. Para una esfera integradora de diseño universal, una esfera de 150 mm de diámetro permite cinco puertos de aplicación cada uno de hasta 30 mm de diámetro (700 mm²). Con estos cinco puertos se pueden realizar las dos geometrías de medición 0/d y 8/d (con trampa de luz).

Imagen: 0/d y 8/d geometría de medición

El diseño de los puertos de aplicación es de vital importancia para la medición precisa de la reflexión y transmisión de muestras dispersas. Sus bordes deben tener un labio muy estrecho con los llamados "bordes de cuchillo". La radiación dispersada por la muestra puede entrar en la esfera integradora incluso en ángulos de incidencia pequeños sin contacto con los bordes laterales del puerto de aplicación.

Los tapones de puerto permiten el cierre de cualquier puerto de aplicación no utilizado y los reductores de puerto se pueden usar para reducir el tamaño de un puerto de aplicación, lo que aumenta efectivamente el área de superficie de la esfera. Es importante que la cara de cualquier reductor de puerto quede en el mismo plano que la superficie de la esfera. Además, esta cara debe estar recubierta como el recubrimiento de la esfera hueca. Esta es la única forma de garantizar una distribución de radiación sin perturbaciones dentro de la esfera integradora.

Para medir la reflexión y la transmisión, las muestras se adjuntan al exterior de un puerto de aplicación. Los portamuestras requeridos están diseñados idealmente para que la muestra quede plana contra el área alrededor del puerto. La presión de contacto debe ser independiente del espesor de la muestra. Además, debe ser posible combinar los portamuestras con reductores de puerto y otros accesorios como trampas de luz. Estos siempre son necesarios cuando se van a medir muestras de material semitransparente con respecto a su reflexión. En este caso, la trampa de luz proporciona un fondo negro definido sin reflejos.

Para medir la absorción, se colocan muestras de material dentro de la esfera integradora. Las muestras líquidas se miden en cubetas. Los portamuestras deben ser ajustables en altura y giratorios para colocar las muestras. La abertura de la muestra debe cerrarse con el tapón del portamuestras. Es importante que el lado esférico del tapón quede en el plano de la esfera hueca y esté revestido. Sólo de esta manera se asegura también en la zona del puerto de muestreo la distribución de radiación sin perturbaciones en la esfera integradora. Si la barra de montaje del portamuestras es hueca, se pueden guiar cables adicionales para la conexión eléctrica a las muestras en la esfera de integración.

El polo sur de la esfera integradora proporciona una posición favorable para el detector de radiación. Para las mediciones de reflectancia y transmisión, el detector debe desconectarse del puerto de aplicación que contiene la muestra. Para mediciones de absorción, se debe colocar un deflector entre el detector y la muestra en el centro de la esfera integradora.

Gigahertz-Optik GmbH ofrece la UPB-150-ARTA esfera integradora de 150 mm con accesorios para mediciones universales de reflexión, transmisión y absorción. Si las aplicaciones se limitan a reflexión y transmisión, el modelo UPB-150-ART ofrece una alternativa de menor costo.

Referencias

[1] Tutorial Basics of Light Measurement – 1.8 Reflection, Transmission and Absorption

[2] CIE 130-1998 Practical Methods for the Measurement of Reflectance and Transmittance