积分球挡板对光通量测量的影响

林方盛 李铁成 黄必勇 / 上海市计量测试技术研究院

积分球挡板对光通量测量的影响

林方盛 李铁成 黄必勇 / 上海市计量测试技术研究院

通过数学模型对理想积分球进行原理分析。通过实验改变积分球内部挡板形状、尺寸和位置等因素，研究其对不同光源光通量测量的影响，得出最优解。通过研究，改进了光通量测量方法，提高了测量结果的准确性。

光通量；积分球；挡板

0 引言

在光学计量领域中，表征电光源质量高低的一个重要指标就是光通量。光通量是指按照国际规定的标准人眼视觉特性评价的辐射通量的导出量，其符号用Φ来表示，单位是lm(流明)。1 lm等于由一个具有1 cd (坎德拉)均匀的发光强度的点光源在1 sr（球面度）单位立体角内发射的光通量，即1 lm=1 cd·sr。理论上，其单位相当于电学单位瓦特，表征光源输出的光的功率。例如一只40 W的普通白炽灯的标称光通量为360 lm[1]，40 W日光色荧光灯的标称光通量为2 100 lm[2]，而400 W标准型高压钠灯的光通量可达48 000 lm。

光通量的测量是电光源光参数检测中最基本的测量之一。光通量的测量有两种方法，一种是配光曲面法，一种是积分球法。相比与配光曲面法，积分球法更加高效经济，方便易行。根据检定规程JJG 247-2008总光通量标准白炽灯和JJG 385-2008总光通量标准荧光灯，除了作为基准进行绝对定标时采用分布式光度计进行配光曲面法测量，绝大多数情况下我国光通量计量体系的溯源量传是采用积分球法[1][2]。

积分球最早在19 世纪90年代就用于光源的光度测量, 很快就在许多方面得到了应用，现在它已成为辐射度、光度、色度测量中不可缺少的设备。积分球是中空的完整球壳，内壁涂有白色漫反射层，且球壁内各点漫射均匀。球壁上开一个或几个窗孔，用作进光孔和放置光接收器件的接收孔。

1 积分球原理分析

理想积分球是一个空心的球体，内壁均匀涂布白色的漫反射材料，使整个球壁处处都可以看作是一个余弦漫射面，球壁反射比为ρ，球的半径为R。在球心处悬挂一个光源，其光通量为Φ[3]。

如图1所示，在球壁上某个小面积ΔS接收到来自光源的一部分光通量ΔΦ，从这个小面积反射出来的光通量等于ρΔΦ。这时ΔS可以看作是一个余弦发光面，它所发出的光均匀分布在球壁的其他部分，球壁的任何部分的照度是相同的。由于球的面积是等于S=4πR2，所以ΔS反射光之后，产生的第一次照度为ΔE1=ρΔΦ/S。光源的每一部分光通量ΔΦ，都会同样产生如上述所描述的一部分第一次照度，总和为E1=ρΦ/S。第二次、第三次、第四次……直到第n次的反射，产生的总照度为E=(ρΦ/S)·ρ/(1-ρ)。由于积分球壁的无限多次反射作用，由各次反射光所叠加的照度正比于光源的总光通量[4]。

图1 理想积分球示

值得注意的是上述分析得到的叠加照度都是至少经过一次反射之后得到的，而光源直接照射产生的照度不参与整个计算过程，因此需避免直接照射在探头表面，正比关系才成立，故需要探头前增加挡板避免光源直接照射。

实际测量过程中，使用的积分球内部必须增加支架、导线、底座以方便光源安装，增加挡板避免直接光源入射，两个半球开合产生的细缝以及球面内壁赤道处开小窗安装测光探头，这些必要的附件都会使积分球偏离其理想状态[4]。本文主要考虑挡板对光通量测量的影响。

2 实验装置搭建

2.1 挡板设计

目前市场上作为标准灯用于光通量校准方面的主要有两种，白炽灯和卤素灯。常见的光通量定标用白炽灯主要有BDP，BDT，BDX系列。常见的光通量定标用卤素灯主要有D204，D062等系列。由于常用的白炽灯和卤素灯基本为球泡型和椭球泡型，故测试时一般采用圆形挡板。考虑到实际使用安装和积分球本身的1.5 m直径，故设计了两个直径分别为15 cm和25 cm的圆形挡板，如表1所示。

表1 各型号光源和对应挡板

目前市场上作为总光通量标准荧光灯的型号主要有 20 W（长 620 mm），30 W（长926 mm），40 W（长1 230 mm）。一般荧光灯为直管型，故采用圆形挡板不合适，设计跑道形挡板，尺寸规格，如图2所示。

图2 跑道型挡板尺

2.2 平移台设计

为了控制挡板在积分球内部的位置变化，对挡板支架进行改造。采用步进电机实现自动化控制，在支架杆上标示分度，能够更加精确控制挡板的位移距离。将平移台安装在积分球内部，用遥控器实现球外的无线控制。

3 挡板对光通量测量的影响实验

3.1 挡板尺寸对光通量测量的影响

针对不同形状的光源（如球泡灯，立式通用标准光源，直管荧光灯等），研究采用不同形状大小的挡板对光通量测量的影响。首先进行卤素灯D062的光通量测试实验，待测光源为卤素灯D062（光通量标准值为118.9 lm），标准光源为BDX-4。实验步骤如下：

（1）首先采用D150圆形挡板进行测量；

（2）将标准灯安装在积分球中心位置，缓慢增加电流至其额定工作电流，预热10 min后开始测量；

（3）每个标准灯测量三次，取平均值作为测量值。三只标准灯A、B、C得到三个标准灯光通量测量值CA、CB、CC；

（4）标准值（国家院定值）与三个测得值的比值为修正因子δA、δB、δC；

（5）取三个修正因子的平均值δ= (δA+δB+δC)/3，即为装置在测试D062灯的光通量修正因子；

（6）在积分球中心以额定电流点亮卤素灯D062，预热后开始测量，测量三次，取平均值为待测灯的测得值；

（7）得到最后的D062的光通量实测值为CD062=CF·δ；

（8）采用D250圆形挡板进行测量，重复上述步骤 2～7。

由表2可以看出，进行D062卤素灯光通量测量时，采用D150挡板所测的光通量值要比D250挡板更加接近其标准值。由于D062光源体积小，且为椭球形，因此，采用面积小的圆形挡板（D150）即可满足测量要求。而挡板面积大的D250型在测量过程中光吸收作用更加明显，且所测光通量数值较小，因此，会引入加大的测量误差。故测量时应采用D150挡板。

按照上述进行不同光源光通量的测试，得到常见光源光通量测量最优挡板选择，如表3所示。

3.2 挡板位置对光通量测量的影响

针对不同光源（如球泡灯，立式通用标准光源，直管荧光灯等），研究不同位置的挡板对光通量测量的影响。首先进行卤素灯D062的光通量测试实验，待测光源为卤素灯D062（光通量标准值为118.9 lm），标准光源为BDX-4，实验步骤：

1）首先采用D150圆形挡板进行测量；

2）遥控电动平移台将挡板置于靠近积分球壁最远离光源的位置（实测距离光源70 cm）；

3）在上述状态下按照3.1中的实验步骤对卤素灯D062的光通量进行测量；

4）遥控电动平移台将挡板置于积分球内距离光源不同的位置，进行测量。

表2 不同大小圆形挡板下光通量测量实验数据

表3 不同光源下挡板最优选择

实验如图3所示，实验数据如表4所示。

图3 不同挡板距离下光通量实验

表4 不同挡板距离下光通量实验数据

图4 不同挡板距离下光通量与标准值偏差

光源光通量标准值为118.9 lm，因此挡板存在最佳距离，使测得值最接近真实值。经过多次实验，得出对于D062的卤素灯，最佳测量距离为43 cm。

由表4可以看出，进行D062卤素灯光通量测量，D150挡板进行移动过程中，当挡板距离光源较远时，由于其过于靠近光探头，除了遮挡住光源直接发出的光，部分反射的光也会被遮挡住，导致测得的光通量值偏小。当挡板距离光源较近时，由于其靠近光源，在探头处的阴影面积较大，对反射光产生了吸收效应，也导致测得的光通量值偏小。因此对于每一种光源来说，在积分球内部存在一个最佳的挡板位置，使测得的光通量值最接近其标准值。

按照上述进行不同光源光通量的测试，得到常见光源光通量测量挡板的最优距离。

表5 不同光源下挡板距离的最优选择

4 光通量测量结果验证

根据总结出的挡板和光源之间的关系，测量几只总光通量标准灯，与中国计量科学研究院进行对比验证。

采用圆形挡板（Φ150），与光源距离43 cm测量BDX系列标准灯光通量，见表6。

采用圆形挡板（Φ250），与光源距离40 cm测量BDT系列标准灯光通量，见表7。

总体来说，装置提高测量结果不确定度到Urel=1.4%（k= 2）下，测得的光通量和中国计量科学研究院比对得到的结果En值小于1，结果满意，符合预期要求。

表6 BDX系列标准灯光通量

表7 BDT系列标准灯光通量

5 结语

针对不同类型的光源（如球泡灯，立式通用标准光源，直管荧光灯等），通过实验和对整个测量过程的误差分析，研究积分球内的挡板大小、形状、位置等因素对光通量测量的影响，对光通量测量过程进行误差分析，改进测量方法和测量装置，提高测量结果的准确性和可靠性，一定程度上填补了国内这方面研究的空白。

[1]全国光学计量技术委员会. JJG 247-2008总光通量标准白炽灯[S].北京：中国计量出版社，2008.

[2]全国光学计量技术委员会. JJG 385-2008总光通量标准荧光灯[S].北京：中国计量出版社，2008.

[3]周太明，周详，蔡伟新，等.光源原理与设计[M].上海：复旦大学出版社，2006：442-449.

[4]刘慧，杨臣铸.光度测量技术[M].北京：中国计量出版社，2011：90-93.

Research on the influence of baffle in luminous flux measurement with integrating sphere

Lin Fangsheng，Li Tiecheng，Huang Biyong
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

In the field of optical metrology, luminous flux is an important index to characterize the quality of light source. There are two kinds of method to measure it that one is light distribution surface method and the other is integrating sphere method. In the integrating sphere method,the baffle which is a key part of integrating sphere has important effects on the measurement results. The paper analyzes in detail the principle of an ideal integrating sphere. We change the relative position and shape of baffle inside the sphere by experiments. And then we take analysis of the effects of different baffle position and shape on the measurement results. Based on the conclusion, we develop the methods and apparatus to improve the luminous flux measurement accuracy and reliability.

luminous flux; integrating sphere; baffle