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Integrazione sfera

Una sfera integratrice (nota anche come sfera Ulbricht) è un componente ottico costituito da una cavità sferica cava con il suo interno rivestito di un rivestimento riflettente bianco diffuso, con piccoli fori per porte di ingresso e uscita. La sua proprietà rilevante è un effetto di dispersione o diffusione uniforme. I raggi di luce che incidono su qualsiasi punto della superficie interna sono, attraverso molteplici riflessioni di dispersione, distribuiti equamente a tutti gli altri punti. Gli effetti della direzione originale della luce sono minimizzati. Una sfera integratrice può essere pensata come un diffusore che conserva l'energia ma distrugge le informazioni spaziali. In genere viene utilizzato con una fonte di luce e un rilevatore per la misurazione ottica della potenza.

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La teoria di una scatola cubica che raccoglie la luce fu descritta da W. E. Sumpner nel 1892. L'attuazione pratica della sfera integratrice è dovuta al lavoro di R. Ulbricht (1849-1923) pubblicato nel 1900. È diventato uno strumento standard in fotometria e radiometria. Ha il vantaggio rispetto a un goniofotometro per misurare la luce prodotta da una fonte che la potenza totale può essere ottenuta in una singola misurazione.
Applicazioni
La luce diffusa dall'interno della sfera integratrice è distribuita uniformemente su tutti gli angoli. La sfera integratrice viene utilizzata nelle misurazioni ottiche. La potenza totale (flusso) di una sorgente luminosa può essere misurata senza imprecisioni causate dalle caratteristiche direzionali della sorgente.
Può essere studiata la riflessione e l'assorbimento dei campioni. La sfera crea una fonte di radiazione di riferimento che può essere utilizzata per fornire uno standard fotometrico.
Le sfere integranti sono utilizzate per una varietà di misurazioni ottiche, fotometriche o radiometriche. Sono utilizzati per misurare la luce totale irradiata in tutte le direzioni da una lampada. Una sfera integratrice può essere utilizzata per misurare la riflessione diffusa delle superfici, fornendo una media su tutti gli angoli di illuminazione e osservazione. Una sfera integrante può essere utilizzata per creare una fonte di luce con apparente intensità uniforme su tutte le posizioni all'interno della sua apertura circolare e indipendente dalla direzione, eccetto per la funzione cosino inerente a superfici irradianti idealmente diffuse (superfici lambertiane).
Poiché tutta la luce incidente sulla porta di ingresso è raccolta, un rilevatore collegato a una sfera integratrice può misurare con precisione la somma dell'intera luce ambientale incidente su una piccola apertura circolare. La potenza totale di un raggio laser può essere misurata, libera dagli effetti della forma del raggio, della direzione incidente e della posizione incidente.
Materiali
Le proprietà ottiche del rivestimento della sfera influenzano notevolmente la sua precisione. Differenti rivestimenti devono essere utilizzati a lunghezze d'onda visibili, infrarossi e ultravioletti. Le fonti di illuminazione ad alta potenza possono riscaldare o danneggiare il rivestimento, quindi una sfera integratrice sarà valutata per un livello massimo di potenza incidente. Sono utilizzati diversi materiali di rivestimento. I primi esperimentatori usavano un deposito di ossido di magnesio. Il solfato di bario ha una riflettanza utilemente piatta sullo spettro visibile. L'oro finemente depositato viene utilizzato per le misurazioni a infrarossi. Vari composti proprietari in PTFE vengono utilizzati anche per le misurazioni della luce visibile.
La teoria della sfera integrante assume una superficie interna uniforme. Le porte per rivelatori e fonti devono essere piccole, inferiori a circa il 5% della superficie della sfera, per che le ipotesi teoriche siano valide. Le porte inutilizzate nelle sfere costruite in commercio possono avere spine corrispondenti, con la superficie interna della spina rivestita dello stesso materiale del resto della sfera. Un deflectore può essere inserito nella sfera in modo che il percorso diretto della luce da una fonte a un rilevatore sia bloccato, poiché questa luce avrà una distribuzione non uniforme.

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