用于测量光学材料特性的通用积分球设计标准 / Universal Integrating Sphere Design Criteria for the Measurement of Optical Material Properties

材料的光学特性通常是以其反射、透射和吸收来描述的[1]。为了测量这些关键参数，材料被暴露在光辐射下，然后被样品部分反射、透射或吸收。测量这些光学特性的最常见的设备类型是分光光度计。这些仪器包括一个用于样品照明的光源，一个带有用于引导反射或透射辐射的测量几何形状的样品支架和一个用于测量辐射的检测器。如果光源为样品提供宽带照明，那么光谱仪，通常是基于阵列的，将构成检测器阶段。或者，样品可以用单色辐射照射，通过感兴趣的波长范围进行扫描。在这种配置中，使用单元素光电探测器，如光电倍增管和光电二极管。

在测量散射材料的应用中，分光光度计将积分球[2]纳入样品测量的几何结构中。然而，大多数商业分光光度计的可用空间和使用积分球的机会都相当有限。在不能使用积分球的情况下，就需要有普遍可配置的积分球。它们的设计必须最佳地适应每个光学参数的测量要求。

通常情况下，直径为150毫米（6英寸）的积分球可以实现高光学吞吐量和球体大小之间的最佳妥协。它们的球面面积约为71,000 mm²，允许应用和检测器端口的总面积高达3,500 mm²，同时保持推荐的端口面积与球面比例<5%。对于一个普遍设计的积分球来说，一个150毫米直径的球体允许有五个应用端口，每个端口的直径达30毫米（700平方毫米）。有了这五个端口，就可以实现0/d和8/d（带捕光器）两种测量几何形状。

图片。 0/d和8/d的测量几何形状

应用端口的设计对于精确测量散射样品的反射和透射是至关重要的。它们的边缘必须有一个非常窄的唇，即所谓的 "刀刃"。因此，样品散射的辐射可以进入积分球，即使是在入射角很浅的情况下也不会与应用端口的侧边接触。

端口插头可以关闭任何未使用的应用端口，端口减速器可以用来减少应用端口的大小，从而有效地增加球体的表面积。重要的是，任何端口减速器的表面与球体的表面位于同一平面。此外，这个面必须按照空心球体的涂层进行涂层。这是确保积分球内辐射分布不受干扰的唯一方法。

为了测量反射和透射，样品被连接到一个应用端口的外面。所需的样品支架最好设计成使样品平压在端口周围的区域。接触压力应该与样品的厚度无关。此外，必须能够将样品架与端口减速器和其他附件（如捕光器）相结合。当需要测量半透明材料样品的反射时，总是需要这些附件。在这种情况下，捕光器提供一个明确的黑色背景，没有任何再反射。

为了测量吸收，材料样品被放在积分球内。液体样品在比色皿中测量。样品支架必须可以调节高度，并且可以旋转，以定位样品。样品开口必须由样品架的插头关闭。重要的是，塞子的球面位于空心球体的平面内，并有涂层。只有这样，才能保证积分球中的辐射分布在样品口区域不受干扰。如果样品架的安装杆是空心的，用于与样品电气连接的附加导线可以被引导到积分球中。

积分球的南极为辐射检测器提供了一个有利的位置。对于反射率和透射率的测量，检测器必须从容纳样品的应用端口挡板。对于吸收测量，必须在检测器和样品之间放置一个挡板，位于积分球的中心。

Gigahertz-Optik GmbH提供UPB-150-ARTA 150mm积分球，其附件用于通用反射、透射和吸收测量。如果应用仅限于反射和透射，UPB-150-ART型号提供了一个低成本的选择。

参考文献

[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