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Integración de la esfera

Una esfera integrante (también conocida como esfera Ulbricht) es un componente óptico que consiste en una cavidad esférica hueca con su interior cubierto con un recubrimiento reflectante blanco difuso, con pequeños orificios para los puertos de entrada y salida. Su propiedad relevante es un efecto uniforme de dispersión o difusión. Los rayos de luz que inciden en cualquier punto de la superficie interna son, mediante múltiples reflejos de dispersión, distribuidos igualmente a todos los otros puntos. Los efectos de la dirección original de la luz se minimizan. Una esfera integrante puede considerarse como un difusor que conserva la energía pero destruye la información espacial. Normalmente se utiliza con alguna fuente de luz y un detector para la medición de potencia óptica.

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La teoría de una caja cúbica recolectora de luz fue descrita por W. E. Sumpner en 1892. La implementación práctica de la esfera integradora se debió al trabajo de R. Ulbricht (1849-1923) publicado en 1900. Se ha convertido en un instrumento estándar en fotometría y radiometría. Tiene la ventaja sobre un goniofotómetro para medir la luz producida por una fuente de que la potencia total puede obtenerse en una sola medición.
Aplicaciones
La luz dispersada por el interior de la esfera integrante se distribuye uniformemente en todos los ángulos. La esfera de integración se utiliza en mediciones ópticas. La potencia total (flujo) de una fuente de luz puede medirse sin inexactitud causada por las características direccionales de la fuente.
Se pueden estudiar la reflexión y absorción de las muestras. La esfera crea una fuente de radiación de referencia que puede utilizarse para proporcionar un estándar fotométrico.
Las esferas de integración se utilizan para una variedad de mediciones ópticas, fotométricas o radiométricas. Se utilizan para medir la luz total irradiada en todas las direcciones desde una lámpara. Se puede utilizar una esfera integrante para medir la reflectancia difusa de las superficies, proporcionando un promedio en todos los ángulos de iluminación y observación. Una esfera integrante puede usarse para crear una fuente de luz con intensidad aparente uniforme en todas las posiciones dentro de su apertura circular e independiente de la dirección, excepto para la función de cosino inherente a las superficies radiantes idealmente difusas (superficies lambertianas).
Dado que se recoge toda la luz incidente en el puerto de entrada, un detector conectado a una esfera integrante puede medir con precisión la suma de toda la luz ambiental incidente en una pequeña abertura circular. La potencia total de un haz láser puede medirse, libre de los efectos de la forma del haz, la dirección de incidente y la posición de incidente.
Materiales
Las propiedades ópticas del revestimiento de la esfera afectan en gran medida su precisión. Se deben utilizar diferentes recubrimientos a longitudes de onda visibles, infrarrojas y ultravioletas. Las fuentes de iluminación de alta potencia pueden calentar o dañar el revestimiento, por lo que una esfera integrante se clasificará para un nivel máximo de potencia incidente. Se utilizan diversos materiales de recubrimiento. Los primeros experimentadores utilizaron un depósito de óxido de magnesio. El sulfato de bario tiene una reflectancia útil plana sobre el espectro visible. El oro finamente depositado se utiliza para mediciones infrarrojas. Varios compuestos patentados de PTFE también se usan para mediciones de luz visible.
La teoría de la esfera integrante supone una superficie interior uniforme. Los puertos para los detectores y las fuentes deben ser pequeños, menos de aproximadamente el 5% de la superficie de la esfera, para que las suposiciones teóricas sean válidas. Los puertos no utilizados en esferas construidas comercialmente pueden tener tapones coincidentes, con la superficie interior del tapón recubierto con el mismo material que el resto de la esfera. Se puede insertar un deflector en la esfera de modo que se bloquee la trayectoria directa de la luz desde una fuente a un detector, ya que esta luz tendrá una distribución no uniforme.

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