Sphères d'intégration

Fondamentaux

Les sphères d'intégration collectent le rayonnement électromagnétique d'une source et sont généralement utilisées pour mesurer la puissance de sortie totale. La lumière émise dans la sphère d'intégration se réfléchit et se disperse sur le mur et est collectée par un détecteur situé au niveau d'une petite ouverture d'orifice. Avec suffisamment de réflexions internes, la lumière est répartie uniformément à l'intérieur de la sphère et la puissance alors présente sur le détecteur est proportionnelle à la puissance initiale de la source. 

La théorie

Le but d'une sphère intégrante est d'intégrer spatialement le flux rayonnant. Comme indiqué précédemment, le flux radiant total sur le détecteur peut être lié à la puissance de la source de test, ce qui en fait de très bons dispositifs d'étalonnage.

En bref, il existe deux équations qui peuvent être utilisées pour définir les performances d'une sphère d'intégration. Nous commençons par noter le rayonnement, L, produit par la sphère d'intégration comme:

où Φ est la puissance incidente, A est la surface intérieure, f est la "fraction de port" (la surface totale occupée par toutes les ouvertures divisée par la surface intérieure) et ρ est la réflectance de la surface intérieure. Suivant la définition de la luminance, la puissance de sortie P en 2π stéradians peut être calculée en utilisant :

où Aport est la surface totale occupée par toutes les ouvertures.

Applications

Tout en semblant simples et de conception unidimensionnelle, les sphères d'intégration ont une variété d'applications qui incluent : 

• Mesure du rendement lumineux 

• Mesure du flux lumineux total

• Mesure du taux de rendement lumineux en %

• Mesure de la réflexion et de la transmission spéculaire et diffuse. Les mesures de transmission sont effectuées en montant un échantillon de test à l'orifice d'entrée et en éclairant par l'arrière avant que la lumière n'entre dans la sphère. Les mesures de réflexion sont effectuées en éclairant l'échantillon d'essai à l'intérieur de la sphère, soit en utilisant une sphère intégrante avec un porte-échantillon, soit en plaçant l'échantillon à un port opposé à celui de la source.

• Générer des champs de lumière uniformes pour, par exemple, calibrer les caméras de télédétection

Taille

Les sphères d'intégration varient en taille en fonction des besoins de mesure de l'utilisateur. Pour les grandes sources de test telles que les lampes au sodium ou les longs tubes fluorescents, une grande sphère d'intégration est nécessaire pour adapter la lampe à l'intérieur de la sphère.

Les sources plus petites telles que les lasers et les LED doivent être mesurées avec une sphère d'intégration plus petite afin de ne pas limiter la sensibilité de la sphère. Le diamètre est idéalement dix fois la taille de la plus grande dimension de la source de test. 

En général, des sphères de 1 à 3 mètres de diamètre sont utilisées pour les mesures de flux lumineux des luminaires les plus courants, les sphères d'intégration de plus de 2 mètres sont généralement utilisées pour mesurer des sources de test de 500 W ou plus. 

Revêtements

L'un des aspects les plus importants d'une sphère d'intégration est le revêtement utilisé sur la paroi interne de la sphère, car différents revêtements produiront des réponses spectrales différentes et doivent donc être décidés en tenant compte du spectre d'émission de la source. 

Par exemple, lors de la mesure dans le spectre visible, un revêtement de sulfate de baryum (BaSO4) est généralement appliqué. Pour les sources émettant dans le spectre infrarouge, un revêtement d'or est couramment utilisé. Il est important de vérifier que le revêtement utilisé est adapté à la longueur d'onde d'intérêt pour garantir des résultats précis.