積分球是測量光源,，燈具和照明設(shè)備的基本工具之一。傳統(tǒng)上,，積分球也稱為烏布利希球,，其名稱源自德國工程師Richard Ulbricht的名字,。他在準(zhǔn)備火車站電氣化和照明過程中進(jìn)行光度測量，以便找到照明方法[ 1],。他證明了在放置光源的球壁上測得的照度與光源的總光通量成正比,。

如今，積分球常用于光度法和輻射度法,，能夠可靠地比較不同光源,，燈具和照明設(shè)備的光通量。

本文關(guān)于組建光度實(shí)驗(yàn)室的這一部分將重點(diǎn)討論積分球的類型,，并討論對照明產(chǎn)品測量和評估至關(guān)重要的技術(shù)問題,，還將討論與實(shí)驗(yàn)室中普遍存在條件有關(guān)的問題，并給出實(shí)用技巧,，這些技巧對選擇和操作測量系統(tǒng)特別有用,。

為什么要使用積分球，可以測量什么值,？ 

積分球的性質(zhì)可以相對簡單快速地比較不同照明產(chǎn)品的光度參數(shù),。放置在球體中的物體可以在幾秒鐘內(nèi)進(jìn)行測量（除了穩(wěn)定所需時(shí)間外-請見下文）。這是在已知電源情況下測量照明設(shè)備總光通量[lm]和確定照明設(shè)備發(fā)光效率[lm /W]的方法,。積分球中的測量非常簡單,，可以直接將讀數(shù)與參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。

測角儀由長期局部測量組成,，以計(jì)算總光通量,，與之相比，球體中的測量則更加直接和簡單。一個(gè)描述充分,，合格的測量程序,，可使每個(gè)操作員都能獲得可靠且可重復(fù)的測量結(jié)果。這點(diǎn)在比較多個(gè)照明產(chǎn)品并測量不同光源時(shí)尤為重要,。假設(shè)我們有一個(gè)現(xiàn)成,，基于標(biāo)準(zhǔn)且合格的原型燈具。如果電源設(shè)備替換為另一種類型,，或者有必要替換發(fā)光二極管或光學(xué)元件的類型,，那么當(dāng)我們想要快速驗(yàn)證總通量時(shí)，積分球?qū)⒊蔀檎彰鳟a(chǎn)品日常工作中*的工具,。

積分球與光譜輻射計(jì)結(jié)合除了測量總光通量外,，還可以測量白光的相關(guān)色溫CCT[K]，顯色指數(shù)CRI和R f,，確定相對于普朗克曲線位置的D uv參數(shù),，色度坐標(biāo)x，y和表征照明產(chǎn)品的其他參數(shù),。積分球測量將提供能源登記評估所有必要的數(shù)據(jù),，符合歐洲指令第2009/125 / EC號(hào)或美洲能源之星評級(jí)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中定義的能源相關(guān)產(chǎn)品的功能要求和生態(tài)設(shè)計(jì)要求的標(biāo)準(zhǔn)建議。

此外,，烏布利希球體系統(tǒng)還可以進(jìn)行可見光譜范圍之外的測量,。對于用于植物照明的產(chǎn)品，可以測量諸如PPF光子通量或光譜擴(kuò)展的PBAR光子通量之類的量,。積分球還可以用于視覺系統(tǒng)和工業(yè)設(shè)備中的紅外輻射測量–在這種情況下,，可以使用經(jīng)過適當(dāng)校準(zhǔn)并配備有高質(zhì)量測量設(shè)備的積分球來快速驗(yàn)證不同光譜范圍所產(chǎn)生光輻射的能量效率。

另外,，根據(jù)近發(fā)布的新標(biāo)準(zhǔn)CIE S026 2018的建議,，對人類白天/夜晚周期（晝夜節(jié)律）的有效照明影響還可以根據(jù)燈具輻射通量的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行評估，然后通過ipRGC的效率曲線計(jì)算得出,。

積分球的另一個(gè)實(shí)際優(yōu)勢是它的基本特性,，即不透光的結(jié)構(gòu)。因此,，積分球可以放置在正常的辦公室環(huán)境和明亮的房間中,，而不存在一般照明影響測量結(jié)果的風(fēng)險(xiǎn)。

應(yīng)該選擇什么尺寸和類型的積分球,？

IESNA LM 79中包含的CIE S025 / E：2015標(biāo)準(zhǔn)和EN 13032-4：2015中描述的光度學(xué)黃金原則規(guī)定,，球體尺寸必須比燈具尺寸大10倍[2] [ 3]。這不適用于外殼總面積小的線性燈具,。另一方面,，許多內(nèi)部測量實(shí)驗(yàn)室采用的實(shí)踐原則可以測量尺寸為球體直徑30％的燈具,，詳情請見以下文章：根據(jù)CIE025 在積分球和測角儀上進(jìn)行LED測量的實(shí)用技巧[4]。請記住,，引入積分球的每個(gè)元素都會(huì)干擾測量（并因此限制了多次反射的可能性）和吸收了一部分光通量,。通過在球體中放置輔助光源可以補(bǔ)償此影響，從而確定吸收系數(shù),。如果我們將來要建立一個(gè)認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室,，則必須考慮適用標(biāo)準(zhǔn)的建議。對于工廠質(zhì)量控制,，可以采用自己的規(guī)程,，但是必須考慮球體內(nèi)所放燈具尺寸引起的誤差。

在為實(shí)驗(yàn)室選擇積分球尺寸時(shí),，必須考慮球體內(nèi)待測燈具的大尺寸,。對于一般照明目的的燈具,，選擇直徑為1.5 m或2.0 m的大型積分球,。測量LED模塊，組件或小型照明設(shè)備（例如疏散照明）的實(shí)驗(yàn)室通常購買直徑為1m的積分球,。在研發(fā)部門中是直徑為0.2和0.5 m的積分球,，這樣既可以測量單個(gè)COB二極管又可以測量的LED模塊。

在市場上,，有結(jié)合光度計(jì)的積分球,，即典型的光度球，以及使用分光輻射計(jì)作為測量裝置的球,，即分光輻射球,。后者的優(yōu)點(diǎn)是能夠測量光通量，包括計(jì)算其他數(shù)據(jù),，例如色溫,，人本照明或植物照明的任何有效曲線，以及用于特殊應(yīng)用的其他有效曲線,。此外,，使用分光輻射計(jì)的積分球不會(huì)遭受所謂的光譜失配誤差，這種誤差由簡單的光度計(jì)測量系統(tǒng)引起,，并且取決于匹配V（λ）曲線的應(yīng)用光學(xué)校正濾波器的類別[5],。光度計(jì)等級(jí)越高，失配誤差越小,。積分球中使用的分光輻射計(jì)可數(shù)學(xué)計(jì)算出V曲線（λ）,，因此可以測量具有不同光譜功率分布的發(fā)光二極管。

圖2.完整的測量系統(tǒng)的示例,，包括直徑為50 cm的積分球,，珀耳帖模塊,，配備分析和報(bào)告軟件的計(jì)算機(jī)以及光譜儀，電源和可編程溫度控制器（放置在機(jī)柜中）,。

覆蓋球體內(nèi)部并確保信號(hào)正確,，重復(fù)反射的漫射涂層的質(zhì)量非常重要。1970年代,，已有一個(gè)有效標(biāo)準(zhǔn)表明應(yīng)使用反射系數(shù)為?80的涂層,。經(jīng)過多年測試和出版，2015年推出的現(xiàn)行CIE標(biāo)準(zhǔn)要求使用反射系數(shù)高于?90的涂層,。反射系數(shù)越高,，球體中可能發(fā)生的反射次數(shù)越多，因此可以獲得更多可重復(fù)的測量結(jié)果,。所謂的孔徑誤差對分布和入射光輸出的影響更小,。積分球涂覆有各種類型的涂料和硫酸鋇混合物(BaSO 4)。質(zhì)量差的涂層在整個(gè)光譜范圍內(nèi)沒有適當(dāng)?shù)姆瓷涮匦?，這可能會(huì)導(dǎo)致更大或更小的誤差,，具體取決于待測光源的類型。另外,，隨著時(shí)間的流逝,，劣質(zhì)涂料會(huì)泛黃；這意味著來自藍(lán)色波長范圍的信號(hào)會(huì)逐漸衰減,，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的測量誤差和系統(tǒng)校準(zhǔn)問題,。*，白光LED使用藍(lán)色二極管,，而設(shè)計(jì)使用近紫外二極管,，因此在球體中進(jìn)行測量時(shí)，這部分輻射的反射對于獲得準(zhǔn)確的結(jié)果非常重要,。高質(zhì)量的涂層對機(jī)械損傷很敏感（因此應(yīng)加以注意）,，但作為回報(bào)，它可以長期保持其優(yōu)異的光學(xué)性能,。積分球的制造商應(yīng)在系統(tǒng)維護(hù)培訓(xùn)期間指導(dǎo)客戶如何維護(hù)積分球,。

圖3. GL Opti Sphere 500積分球和通用燈座。

現(xiàn)代測量系統(tǒng)*由計(jì)算機(jī)控制,。帶有附加組件的測量系統(tǒng)以及用于補(bǔ)償電源系統(tǒng)吸收系數(shù)的輔助光源都可以通過單個(gè)用戶界面進(jìn)行控制,。目前，對于LED測量,，光度測量自動(dòng)與色度測量以及功率和溫度測量相結(jié)合,。所有這些因素都會(huì)影響結(jié)果和可重復(fù)性，因此在選擇設(shè)備時(shí),，應(yīng)注意其他測量功能的細(xì)節(jié),。一個(gè)重要因素是將光學(xué)測量系統(tǒng)與可編程和穩(wěn)定的電源,，功率計(jì)或電參數(shù)分析儀集成在一起的能力。高質(zhì)量的解決方案可以使測量系統(tǒng)的配置適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求和實(shí)驗(yàn)室需求,。

測量前的實(shí)驗(yàn)室條件和燈具穩(wěn)定性

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的建議,，應(yīng)在光度實(shí)驗(yàn)室中提供合適條件，以免干擾測量結(jié)果,。環(huán)境溫度為25°C,。房間應(yīng)無灰塵和振動(dòng)，濕度應(yīng)保持恒定,?？諝饬鲃?dòng)不應(yīng)超過0.25 m/s，以免在測量過程中導(dǎo)致燈具冷卻,。習(xí)慣上,，光度實(shí)驗(yàn)室的房間墻壁總是黑色的。在積分球*封閉進(jìn)行測量的情況下,，這對積分球沒有直接影響,。在測量經(jīng)由外部測量端口進(jìn)入球體的投射光和其他照明設(shè)備時(shí)，應(yīng)特別注意可能影響測量結(jié)果的雜散光（實(shí)驗(yàn)室中的環(huán)境光）,。在其他情況下,，積分球可以放置在任何房間中,，即使是明亮的房間,。

直徑為2 m的積分球。

燈具測量–即使燈具配備了電源設(shè)備,，也必須使用穩(wěn)定的電源供電,。在實(shí)驗(yàn)室測量條件下，應(yīng)提供穩(wěn)定的電源系統(tǒng),，以防止來自主電源的電源波動(dòng),。另外，還應(yīng)注意直接連接到燈具的電源電纜,，因?yàn)殡娎|中的電壓降可能會(huì)影響電源的參數(shù),。關(guān)于電源問題的更多詳情，請見“ LED照明”部分,。

燈具的穩(wěn)定和測量應(yīng)在燈具的終工作位置進(jìn)行,。值得注意的是，為了滿足此要求,，積分球應(yīng)配備托架或安裝臺(tái),，以使燈具能夠正確安裝在積分球內(nèi)不同的工作位置[圖3]。專業(yè)系統(tǒng)還配備了電源電纜和附加電路,，可在燈具附近直接測量功率,。

燈具應(yīng)至少穩(wěn)定（加熱）30分鐘,，如果在15分鐘內(nèi)光輸出和電源的變化不超過0.5％，則認(rèn)為燈具是穩(wěn)定的,。如果燈具在這段時(shí)間內(nèi)不穩(wěn)定,，則應(yīng)將其加熱更長的時(shí)間。還有一種情況是由于設(shè)計(jì)而無法*穩(wěn)定的技術(shù)照明設(shè)備,，在這種情況下,，應(yīng)開始進(jìn)行測量并應(yīng)在測量報(bào)告中注明各個(gè)時(shí)刻光通量的狀況和變化。

在測量LED模塊時(shí),，穩(wěn)定過程仍應(yīng)持續(xù)至少30分鐘,，直到溫度變化低于1°C。應(yīng)注意穩(wěn)定板上特定點(diǎn)T p處所測得的溫度,。實(shí)際上,，LED模塊的測量是在模塊工作溫度穩(wěn)定之后，在散熱器上的積分球中進(jìn)行的,?；蛘撸梢允褂脦в信翣栙N系統(tǒng)的TEC溫度穩(wěn)定系統(tǒng),，將模塊放在該系統(tǒng)中,，然后將溫度穩(wěn)定在預(yù)設(shè)水平，例如25°C或85°C（可能等于燈具中所放模塊的工作溫度）,。在現(xiàn)代測量系統(tǒng)中,，LED模塊的溫度調(diào)節(jié)和穩(wěn)定過程可以與可編程系統(tǒng)集成在一起。這樣可以高效,，全面地評估和測量LED模塊,。

物流，維護(hù)和技術(shù)支持

在規(guī)劃組建實(shí)驗(yàn)室時(shí),，應(yīng)注意積分球的尺寸以及將其帶入建筑物和放置在實(shí)驗(yàn)室目標(biāo)房間中的可能性,。對于直徑為2 m的積分球，必須提供適當(dāng)?shù)娜肟冢?.3 m x 2.3 m）,，以便可以運(yùn)輸積分球整體,。這適用于整個(gè)運(yùn)輸路線，包括大門,，入口,，樓梯等。在某些情況下,，有必要部分拆除墻壁或擴(kuò)大門口,。放置在實(shí)驗(yàn)室中的球體本身并不會(huì)占用太多空間-大約10 m的區(qū)域就足夠了。積分球系統(tǒng)需要進(jìn)行定期校準(zhǔn),。標(biāo)準(zhǔn)要求在兩次校準(zhǔn)之間將系統(tǒng)穩(wěn)定性在0.5％的水平,。為了能夠檢查一致性,，可以使用工作參考標(biāo)準(zhǔn)。積分球光譜輻射計(jì)系統(tǒng)的校準(zhǔn)應(yīng)使用可溯源到國家計(jì)量學(xué)會(huì)（NMI）的總光譜輻射通量（TSRF）標(biāo)準(zhǔn),。實(shí)驗(yàn)室工作人員可以自行獲得TSRF標(biāo)準(zhǔn)并進(jìn)行校準(zhǔn),，也可以要求供應(yīng)商或認(rèn)證機(jī)構(gòu)提供現(xiàn)場服務(wù)。實(shí)驗(yàn)室建議進(jìn)行年度校準(zhǔn),，但這取決于實(shí)驗(yàn)室主管的決定,。

總結(jié)

購買積分球的決定是一項(xiàng)投資決定，應(yīng)謹(jǐn)慎考慮所選擇的設(shè)備和供應(yīng)商,。與其他測量設(shè)備一樣,，也必須對人員進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)。如果我們從頭開始建立實(shí)驗(yàn)室,，自身卻沒有進(jìn)行測量的經(jīng)驗(yàn),，那么一開始就會(huì)出現(xiàn)許多問題和疑問。來自測量儀器供應(yīng)商的其他培訓(xùn)和技術(shù)支持非常有用,。