積分球是測量光源，燈具和照明設備的基本工具之一。傳統上，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。他在準備火車站電氣化和照明過程中進行光度測量，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，燈具和照明設備的光通量。

本文關于組建光度實驗室的這一部分將重點討論積分球的類型，并討論對照明產品測量和評估至關重要的技術問題，還將討論與實驗室中普遍存在條件有關的問題，并給出實用技巧，這些技巧對選擇和操作測量系統特別有用。

為什么要使用積分球，可以測量什么值？ 

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

測角儀由長期局部測量組成，以計算總光通量，與之相比，球體中的測量則更加直接和簡單。一個描述充分，合格的測量程序，可使每個操作員都能獲得可靠且可重復的測量結果。這點在比較多個照明產品并測量不同光源時尤為重要。假設我們有一個現成，基于標準且合格的原型燈具。如果電源設備替換為另一種類型，或者有必要替換發光二極管或光學元件的類型，那么當我們想要快速驗證總通量時，積分球將成為照明產品日常工作中*的工具。

積分球與光譜輻射計結合除了測量總光通量外，還可以測量白光的相關色溫CCT[K]，顯色指數CRI和R f，確定相對于普朗克曲線位置的D uv參數，色度坐標x，y和表征照明產品的其他參數。積分球測量將提供能源登記評估所有必要的數據，符合歐洲指令第2009/125 / EC號或美洲能源之星評級等相關標準中定義的能源相關產品的功能要求和生態設計要求的標準建議。

此外，烏布利希球體系統還可以進行可見光譜范圍之外的測量。對于用于植物照明的產品，可以測量諸如PPF光子通量或光譜擴展的PBAR光子通量之類的量。積分球還可以用于視覺系統和工業設備中的紅外輻射測量–在這種情況下，可以使用經過適當校準并配備有高質量測量設備的積分球來快速驗證不同光譜范圍所產生光輻射的能量效率。

另外，根據近發布的新標準CIE S026 2018的建議，對人類白天/夜晚周期（晝夜節律）的有效照明影響還可以根據燈具輻射通量的測量數據進行評估，然后通過ipRGC的效率曲線計算得出。

積分球的另一個實際優勢是它的基本特性，即不透光的結構。因此，積分球可以放置在正常的辦公室環境和明亮的房間中，而不存在一般照明影響測量結果的風險。

應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標準和EN 13032-4：2015中描述的光度學黃金原則規定，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，許多內部測量實驗室采用的實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CIE025 在積分球和測角儀上進行LED測量的實用技巧[4]。請記住，引入積分球的每個元素都會干擾測量（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償此影響，從而確定吸收系數。如果我們將來要建立一個認證實驗室，則必須考慮適用標準的建議。對于工廠質量控制，可以采用自己的規程，但是必須考慮球體內所放燈具尺寸引起的誤差。

在為實驗室選擇積分球尺寸時，必須考慮球體內待測燈具的大尺寸。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，組件或小型照明設備（例如疏散照明）的實驗室通常購買直徑為1m的積分球。在研發部門中是直徑為0.2和0.5 m的積分球，這樣既可以測量單個COB二極管又可以測量的LED模塊。

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

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

覆蓋球體內部并確保信號正確，重復反射的漫射涂層的質量非常重要。1970年代，已有一個有效標準表明應使用反射系數為?80的涂層。經過多年測試和出版，2015年推出的現行CIE標準要求使用反射系數高于?90的涂層。反射系數越高，球體中可能發生的反射次數越多，因此可以獲得更多可重復的測量結果。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)。質量差的涂層在整個光譜范圍內沒有適當的反射特性，這可能會導致更大或更小的誤差，具體取決于待測光源的類型。另外，隨著時間的流逝，劣質涂料會泛黃；這意味著來自藍色波長范圍的信號會逐漸衰減，從而導致嚴重的測量誤差和系統校準問題。*，白光LED使用藍色二極管，而設計使用近紫外二極管，因此在球體中進行測量時，這部分輻射的反射對于獲得準確的結果非常重要。高質量的涂層對機械損傷很敏感（因此應加以注意），但作為回報，它可以長期保持其優異的光學性能。積分球的制造商應在系統維護培訓期間指導客戶如何維護積分球。

圖3. GL Opti Sphere 500積分球和通用燈座。

現代測量系統*由計算機控制。帶有附加組件的測量系統以及用于補償電源系統吸收系數的輔助光源都可以通過單個用戶界面進行控制。目前，對于LED測量，光度測量自動與色度測量以及功率和溫度測量相結合。所有這些因素都會影響結果和可重復性，因此在選擇設備時，應注意其他測量功能的細節。一個重要因素是將光學測量系統與可編程和穩定的電源，功率計或電參數分析儀集成在一起的能力。高質量的解決方案可以使測量系統的配置適應標準要求和實驗室需求。

測量前的實驗室條件和燈具穩定性

根據標準的建議，應在光度實驗室中提供合適條件，以免干擾測量結果。環境溫度為25°C。房間應無灰塵和振動，濕度應保持恒定。空氣流動不應超過0.25 m/s，以免在測量過程中導致燈具冷卻。習慣上，光度實驗室的房間墻壁總是黑色的。在積分球*封閉進行測量的情況下，這對積分球沒有直接影響。在測量經由外部測量端口進入球體的投射光和其他照明設備時，應特別注意可能影響測量結果的雜散光（實驗室中的環境光）。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備，也必須使用穩定的電源供電。在實驗室測量條件下，應提供穩定的電源系統，以防止來自主電源的電源波動。另外，還應注意直接連接到燈具的電源電纜，因為電纜中的電壓降可能會影響電源的參數。關于電源問題的更多詳情，請見“ LED照明”部分。

燈具的穩定和測量應在燈具的終工作位置進行。值得注意的是，為了滿足此要求，積分球應配備托架或安裝臺，以使燈具能夠正確安裝在積分球內不同的工作位置[圖3]。專業系統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。

燈具應至少穩定（加熱）30分鐘，如果在15分鐘內光輸出和電源的變化不超過0.5％，則認為燈具是穩定的。如果燈具在這段時間內不穩定，則應將其加熱更長的時間。還有一種情況是由于設計而無法*穩定的技術照明設備，在這種情況下，應開始進行測量并應在測量報告中注明各個時刻光通量的狀況和變化。

在測量LED模塊時，穩定過程仍應持續至少30分鐘，直到溫度變化低于1°C。應注意穩定板上特定點T p處所測得的溫度。實際上，LED模塊的測量是在模塊工作溫度穩定之后，在散熱器上的積分球中進行的。或者，可以使用帶有帕爾貼系統的TEC溫度穩定系統，將模塊放在該系統中，然后將溫度穩定在預設水平，例如25°C或85°C（可能等于燈具中所放模塊的工作溫度）。在現代測量系統中，LED模塊的溫度調節和穩定過程可以與可編程系統集成在一起。這樣可以高效，全面地評估和測量LED模塊。

物流，維護和技術支持

在規劃組建實驗室時，應注意積分球的尺寸以及將其帶入建筑物和放置在實驗室目標房間中的可能性。對于直徑為2 m的積分球，必須提供適當的入口（2.3 m x 2.3 m），以便可以運輸積分球整體。這適用于整個運輸路線，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大門口。放置在實驗室中的球體本身并不會占用太多空間-大約10 m的區域就足夠了。積分球系統需要進行定期校準。標準要求在兩次校準之間將系統穩定性在0.5％的水平。為了能夠檢查一致性，可以使用工作參考標準。積分球光譜輻射計系統的校準應使用可溯源到國家計量學會（NMI）的總光譜輻射通量（TSRF）標準。實驗室工作人員可以自行獲得TSRF標準并進行校準，也可以要求供應商或認證機構提供現場服務。實驗室建議進行年度校準，但這取決于實驗室主管的決定。

總結

購買積分球的決定是一項投資決定，應謹慎考慮所選擇的設備和供應商。與其他測量設備一樣，也必須對人員進行適當的培訓。如果我們從頭開始建立實驗室，自身卻沒有進行測量的經驗，那么一開始就會出現許多問題和疑問。來自測量儀器供應商的其他培訓和技術支持非常有用。