积分球是测量光源，灯具和照明设备的基本工具之一。传统上，积分球也称为乌布利希球，其名称源自德国工程师Richard Ulbricht的名字。他在准备火车站电气化和照明过程中进行光度测量，以便找到照明方法[ 1]。他证明了在放置光源的球壁上测得的照度与光源的总光通量成正比。
如今，积分球常用于光度法和辐射度法，能够可靠地比较不同光源，灯具和照明设备的光通量。
本文关于组建光度实验室的这一部分将重点讨论积分球的类型，并讨论对照明产品测量和评估至关重要的技术问题，还将讨论与实验室中普遍存在条件有关的问题，并给出实用技巧，这些技巧对选择和操作测量系统特别有用。
为什么要使用积分球，可以测量什么值？
积分球的性质可以相对简单快速地比较不同照明产品的光度参数。放置在球体中的物体可以在几秒钟内进行测量（除了稳定所需时间外-请见下文）。这是在已知电源情况下测量照明设备总光通量[lm]和确定照明设备发光效率[lm /W]的方法。积分球中的测量非常简单，可以直接将读数与参考标准进行比较。
测角仪由长期局部测量组成，以计算总光通量，与之相比，球体中的测量则更加直接和简单。一个描述充分，合格的测量程序，可使每个操作员都能获得可靠且可重复的测量结果。这点在比较多个照明产品并测量不同光源时尤为重要。假设我们有一个现成，基于标准且合格的原型灯具。如果电源设备替换为另一种类型，或者有必要替换发光二极管或光学元件的类型，那么当我们想要快速验证总通量时，积分球将成为照明产品日常工作中*的工具。
积分球与光谱辐射计结合除了测量总光通量外，还可以测量白光的相关色温CCT[K]，显色指数CRI和R f，确定相对于普朗克曲线位置的D uv参数，色度坐标x，y和表征照明产品的其他参数。积分球测量将提供能源登记评估所有必要的数据，符合欧洲指令第2009/125 / EC号或美洲能源之星评级等相关标准中定义的能源相关产品的功能要求和生态设计要求的标准建议。
此外，乌布利希球体系统还可以进行可见光谱范围之外的测量。对于用于植物照明的产品，可以测量诸如PPF光子通量或光谱扩展的PBAR光子通量之类的量。积分球还可以用于视觉系统和工业设备中的红外辐射测量–在这种情况下，可以使用经过适当校准并配备有高质量测量设备的积分球来快速验证不同光谱范围所产生光辐射的能量效率。
另外，根据近发布的新标准CIE S026 2018的建议，对人类白天/夜晚周期（昼夜节律）的有效照明影响还可以根据灯具辐射通量的测量数据进行评估，然后通过ipRGC的效率曲线计算得出。
积分球的另一个实际优势是它的基本特性，即不透光的结构。因此，积分球可以放置在正常的办公室环境和明亮的房间中，而不存在一般照明影响测量结果的风险。
应该选择什么尺寸和类型的积分球？
IESNA LM 79中包含的CIE S025 / E：2015标准和EN 13032-4：2015中描述的光度学黄金原则规定，球体尺寸必须比灯具尺寸大10倍[2] [ 3]。这不适用于外壳总面积小的线性灯具。另一方面，许多内部测量实验室采用的实践原则可以测量尺寸为球体直径30％的灯具，详情请见以下文章：根据CIE025 在积分球和测角仪上进行LED测量的实用技巧[4]。请记住，引入积分球的每个元素都会干扰测量（并因此限制了多次反射的可能性）和吸收了一部分光通量。通过在球体中放置辅助光源可以补偿此影响，从而确定吸收系数。如果我们将来要建立一个认证实验室，则必须考虑适用标准的建议。对于工厂质量控制，可以采用自己的规程，但是必须考虑球体内所放灯具尺寸引起的误差。
在为实验室选择积分球尺寸时，必须考虑球体内待测灯具的大尺寸。对于一般照明目的的灯具，选择直径为1.5 m或2.0 m的大型积分球。测量LED模块，组件或小型照明设备（例如疏散照明）的实验室通常购买直径为1m的积分球。在研发部门中是直径为0.2和0.5 m的积分球，这样既可以测量单个COB二极管又可以测量的LED模块。
在市场上，有结合光度计的积分球，即典型的光度球，以及使用分光辐射计作为测量装置的球，即分光辐射球。后者的优点是能够测量光通量，包括计算其他数据，例如色温，人本照明或植物照明的任何有效曲线，以及用于特殊应用的其他有效曲线。此外，使用分光辐射计的积分球不会遭受所谓的光谱失配误差，这种误差由简单的光度计测量系统引起，并且取决于匹配V（λ）曲线的应用光学校正滤波器的类别[5]。光度计等级越高，失配误差越小。积分球中使用的分光辐射计可数学计算出V曲线（λ），因此可以测量具有不同光谱功率分布的发光二极管。
图2.完整的测量系统的示例，包括直径为50 cm的积分球，珀耳帖模块，配备分析和报告软件的计算机以及光谱仪，电源和可编程温度控制器（放置在机柜中）。
覆盖球体内部并确保信号正确，重复反射的漫射涂层的质量非常重要。1970年代，已有一个有效标准表明应使用反射系数为ƿ80的涂层。经过多年测试和出版，2015年推出的现行CIE标准要求使用反射系数高于ƿ90的涂层。反射系数越高，球体中可能发生的反射次数越多，因此可以获得更多可重复的测量结果。所谓的孔径误差对分布和入射光输出的影响更小。积分球涂覆有各种类型的涂料和硫酸钡混合物(BaSO 4)。质量差的涂层在整个光谱范围内没有适当的反射特性，这可能会导致更大或更小的误差，具体取决于待测光源的类型。另外，随着时间的流逝，劣质涂料会泛黄；这意味着来自蓝色波长范围的信号会逐渐衰减，从而导致严重的测量误差和系统校准问题。*，白光LED使用蓝色二极管，而设计使用近紫外二极管，因此在球体中进行测量时，这部分辐射的反射对于获得准确的结果非常重要。高质量的涂层对机械损伤很敏感（因此应加以注意），但作为回报，它可以长期保持其优异的光学性能。积分球的制造商应在系统维护培训期间指导客户如何维护积分球。
图3. GL Opti Sphere 500积分球和通用灯座。
现代测量系统*由计算机控制。带有附加组件的测量系统以及用于补偿电源系统吸收系数的辅助光源都可以通过单个用户界面进行控制。目前，对于LED测量，光度测量自动与色度测量以及功率和温度测量相结合。所有这些因素都会影响结果和可重复性，因此在选择设备时，应注意其他测量功能的细节。一个重要因素是将光学测量系统与可编程和稳定的电源，功率计或电参数分析仪集成在一起的能力。高质量的解决方案可以使测量系统的配置适应标准要求和实验室需求。
测量前的实验室条件和灯具稳定性
根据标准的建议，应在光度实验室中提供合适条件，以免干扰测量结果。环境温度为25°C。房间应无灰尘和振动，湿度应保持恒定。空气流动不应超过0.25 m/s，以免在测量过程中导致灯具冷却。习惯上，光度实验室的房间墙壁总是黑色的。在积分球*封闭进行测量的情况下，这对积分球没有直接影响。在测量经由外部测量端口进入球体的投射光和其他照明设备时，应特别注意可能影响测量结果的杂散光（实验室中的环境光）。在其他情况下，积分球可以放置在任何房间中，即使是明亮的房间。
直径为2 m的积分球。
灯具测量–即使灯具配备了电源设备，也必须使用稳定的电源供电。在实验室测量条件下，应提供稳定的电源系统，以防止来自主电源的电源波动。另外，还应注意直接连接到灯具的电源电缆，因为电缆中的电压降可能会影响电源的参数。关于电源问题的更多详情，请见“ LED照明”部分。
灯具的稳定和测量应在灯具的终工作位置进行。值得注意的是，为了满足此要求，积分球应配备托架或安装台，以使灯具能够正确安装在积分球内不同的工作位置[图3]。专业系统还配备了电源电缆和附加电路，可在灯具附近直接测量功率。
灯具应至少稳定（加热）30分钟，如果在15分钟内光输出和电源的变化不超过0.5％，则认为灯具是稳定的。如果灯具在这段时间内不稳定，则应将其加热更长的时间。还有一种情况是由于设计而无法*稳定的技术照明设备，在这种情况下，应开始进行测量并应在测量报告中注明各个时刻光通量的状况和变化。
在测量LED模块时，稳定过程仍应持续至少30分钟，直到温度变化低于1°C。应注意稳定板上特定点T p处所测得的温度。实际上，LED模块的测量是在模块工作温度稳定之后，在散热器上的积分球中进行的。或者，可以使用带有帕尔贴系统的TEC温度稳定系统，将模块放在该系统中，然后将温度稳定在预设水平，例如25°C或85°C（可能等于灯具中所放模块的工作温度）。在现代测量系统中，LED模块的温度调节和稳定过程可以与可编程系统集成在一起。这样可以高效，全面地评估和测量LED模块。
物流，维护和技术支持
在规划组建实验室时，应注意积分球的尺寸以及将其带入建筑物和放置在实验室目标房间中的可能性。对于直径为2 m的积分球，必须提供适当的入口（2.3 m x 2.3 m），以便可以运输积分球整体。这适用于整个运输路线，包括大门，入口，楼梯等。在某些情况下，有必要部分拆除墙壁或扩大门口。放置在实验室中的球体本身并不会占用太多空间-大约10 m的区域就足够了。积分球系统需要进行定期校准。标准要求在两次校准之间将系统稳定性在0.5％的水平。为了能够检查一致性，可以使用工作参考标准。积分球光谱辐射计系统的校准应使用可溯源到国家计量学会（NMI）的总光谱辐射通量（TSRF）标准。实验室工作人员可以自行获得TSRF标准并进行校准，也可以要求供应商或认证机构提供现场服务。实验室建议进行年度校准，但这取决于实验室主管的决定。
总结
购买积分球的决定是一项投资决定，应谨慎考虑所选择的设备和供应商。与其他测量设备一样，也必须对人员进行适当的培训。如果我们从头开始建立实验室，自身却没有进行测量的经验，那么一开始就会出现许多问题和疑问。来自测量仪器供应商的其他培训和技术支持非常有用。
