גרג מקי, חברת Labsphere, Inc
כדור אינטגרציה הינו הכלי המושלם למדידה מדויקת של שטף מנורה, לד או מקדם החזרה של חומר.
כדור אינטגרציה הוא התקן פשוט, אך לעיתים קרובות לא מבינים אותו נכון בעולם הפוטוניקה.
הוא אחד מהכלים הכי שימושיים ורב-תכליתיים.
על ידי שינוי התצורה שלו כדור האינטגרציה יכול לשמש כמגלה שטף אופטי אמין, מקור אור אחיד לחלוטין או דרך נוחה לאפיין את התכונות האופטיות של דגימות מוצקות, נוזליות או אבקתיות.
אז מה זה בדיוק כדור אינטגרציה?
במילים פשוטות, זה כדור חלול ששטח הפנים הפנימי שלו מצופה בציפוי רפלקטיבי מפזר אשר יש לו מספר פתחים למדידת אור שחודר או להפקת אור מכויל. בנוסף, פנים הכדור מצויד במחסומי אור הנקראים “מחיצות”, המסוככים על פתח הגלאי של הכדור מפני הקרנה של אור ישיר מהעצמים הנבדקים, מנורות או נקודות חמות. גודלו של כדור אינטגרציה יכול לנוע מקוטר של 2.5 ס”מ עד 3 מטר, תלוי ביישום.
קרינוּת (radiance) דופן הכדור פרופורציונאלית לאור הנכנס לכדור האינטגרציה.
למעשה, החזרות מפוזרות מרובות מדופן הכדור מפחיתות את התלות הזוויתית של הפליטה של המקור כך שהאור נעשה אחיד לחלוטין. התוצאה היא שכל נקודה על הכדור תפיק קרינות שווה שפרופורציונלית לשטף הנכנס. גלאי שנמצא על דופן הכדור יכול לשמש לניטור או כיול האור שמוכנס לכדור.
אולם, לאפקט הזה שמשווה את הקרינות יש גם שימושים אחרים. משמעו גם שכדור אינטגרציה יכול לשמש כמקור הארה אחיד שהוא אידיאלי לבדיקת הומוגניות וליניאריות של ציוד דימות דיגיטלי או מערך CCD (התקנים צמודי מטענים).
באופן כללי, כדי שכדור אינטגרציה יפעל היטב חשוב שפני השטח הפנימיים שלו יהיו רפלקטיביים מאוד (בדרך כלל 95% ומעלה) ומפזרים מאוד ע”מ שיוכלו להתרחש הרבה החזרות מפזרות כדי להפחית את הרגישות לכיוון של מקור האור.
גורמים כגון מקדם ההחזרה של דופן הכדור, המיקום והקוטר של הפתחים ומה מודדים או בודקים, הינם גורמים שיש להביא בחשבון כשבוחרים את הכדור המתאים ליישום שלכם.
תיאוריה: בהיר יותר הוא טוב יותר
האינטואיציה הראשונית היא שצפיפות השטף לזווית מרחבית (הקרינות) מנקודה על הכדור שווה להספק של מקור האור חלקי שטח הפנים הכולל של הכדור. אולם אין זה כך, המספר הגבוה של החזרי קרן האור מדופן הכדור מגדילים באופן דרמטי את הקרינות הנמצאת בתוך הכדור.
הגורם המקשר בין השניים נקרא “המכפיל של הכדור” והוא עולה ככל שהרפלקטיביות של הכדור עולה והשטח של הפתחים שחותכים בכדור יורד. המונח הוא בעצם גורם איכות שיש למקסם אותו ע”מ להשיג תפוקה גדולה יותר, אינטגרציה טובה יותר של האור ובסופו של דבר ביצועים טובים יותר.
כלל אצבע שימושי הוא שלרוב כדורי האינטגרציה שבהם נתקלים בפועל (רפלקטיביות בין 95 ל-99.9 אחוז והשטח החלקי (fractional area) של הפתח הוא 0.05 ומטה) המכפיל של הכדור הוא בדרך כלל בין 10 ל-30.
קריטריונים לבחירת כדור אינטגרציה
בחירת כדור אינטגרציה ליישום כלשהו כרוכה בפירוט מספר פרמטרים בסיסיים. הם כוללים את בחירת הקוטר האופטימלי של הכדור על סמך המספר והגודל של הפתחים וההתקנים ההיקפיים. נדרש בנוסף לבחור את הציפוי המתאים ביותר של הכדור בהתחשב בטווח הספקטרלי של המדידות והדיוק הנדרש. יש לשקול בתשומת לב גם את השימוש במחיצות וההשפעה שלהן.
ציפויים
כשבוחרים ציפוי לכדור אינטגרציה יש להביא בחשבון שני גורמים: מקדם החזרה ועמידות. לדוגמה, אם נראה שיש אור מוגבל והכדור ישמש בסביבה שעלולה לגרום לו לצבור לכלוך או אבק, יש לבחור בציפוי עמיד יותר, ניתן לניקוי ובעל מקדם החזרה גבוה.
פריטים הנמצאים בתוך הכדור, כולל מחיצות, מנורות ובתי מנורות סופגים חלק מהאנרגיה של המקור הקורן ומפחיתים את התפוקה של הכדור. הדרך הטובה ביותר למנוע את הקיטון בתפוקה היא לצפות את כל המשטחים האפשריים באותו ציפוי עם מקדם החזרה גבוה.
המכפיל של הכדור רגיש מאוד למקדם ההחזרה של פני שטח הכדור. הבדל של רק 2% יכול לשנות את המכפיל של הכדור ובכך את הקרינות בעוד 40%. חשוב לוודא כי הציפוי מפוזר באופן אחיד ומאוד רפלקטיבי בתחום אורכי הגל שבהם מתעניינים. לדוגמה, הציפויים Spectraflect™ ו-Spectralon® של Labsphere מיועדים לפעול מאולטרה סגול עד קרוב לאינפרא אדום (250 עד 2500 ננו מטר) ולשניהם יש רפלקטיביות שעולה על 98%, כש-Spectralon עולה על 99.8% באזור הנראה. הגבלת ספיגת האור בתוך הכדור מטיבה את תפוקת הכדור.
מחיצות
באופן כללי, אסור שהאור מהמקור שצריך לאפיין יאיר ישירות את רכיב הגלאי או את השטח של דופן הכדור שהגלאי רואה. כדי להשיג זאת משתמשים תכופות במחיצות בכדור האינטגרציה. אבל, מחיצות יוסיפו אי ודאות לביצועים פשוט משום שכדור האינטגרציה הוא כבר לא כדור מושלם. מומלץ למזער את מספר המחיצות בהן משתמשים בכדור למינימום האפשרי.
יישומים של כדורי אינטגרציה
מדידת שטף של מנורה
מדידת שטף האור הכולל ממנורות הוא אולי היישום הישן ביותר של כדורי אינטגרציה. הטכניקה נוצרה בראשית המאה העשרים כשיטה פשוטה ומהירה להשוואת תפוקת יחידות האור (לומן) של מנורות מסוגים שונים. כיום מדי אור עם כדור אינטגרציה משמשים למדידת שטף אור ופרמטרי צבע של כל דבר מלדים ארוזים, מערכי לדים, מנורות לתעשיית הרכב ולתעשיית התאורה הכללית ועד הארה אחורית מפוזרת לתעשיית הצגים.
מדידת הספק של לייזר
בנוסף להשמת מקור ישירות בתוך הכדור, אפשר גם ללכוד אור ממקורות חיצוניים עם אלומות מקבילות כגון קרן לייזר בריק, דיודות לייזר עם התבדרות גבוהה או סיבים אופטיים צמודים. בגלל היכולות הייחודיות של כדור האינטגרציה, המדידות של הספק הקרינה אינן תלויות בקיטוב של הקרן וכמעט לא רגישות לשיוור של הקרן. אפשר לתכנן כדור לטווח רחב של זוויות פגיעה על פני שטח גדול מבלי להשפיע על האות בגלאי. ניתן להוסיף עוד פתחים כדי לבצע אפיון ספקטרלי מקבילי, וזה ההתקן האידיאלי לבדיקה אמינה של דיודות לייזר.
מקור ההארה האחיד האידיאלי
כדור אינטגרציה הוא אמצעי כמעט מושלם ליצירת מקור אחיד של קרינה או הקרנה. פתח היציאה של מקור שהוא כדור אינטגרציה, כשמתכננים אותו נכון, יכול להפיק מקור אור למברטי כמעט מושלם, ללא תלות בזווית הצפייה.
מקדם החזרה ומקדם העברה
השימוש הכי נפוץ בכדורי אינטגרציה הוא במדידה של מקדם ההחזרה ומקדם ההעברה של חומרים אספקלריים, דיפוזיים או מפזרים. המדידות האלה מספקות אפיון פשוט וכמותי של חומרים כמו פילמים דקים, זכוכית לבנייה ונוזלים עכורים.
גרג מקי הוא מנהל הייצור של מערכות מדידת אור בחברת Labsphere, Inc. יצרנית המתמחה בטכנולוגיות למדידת אור.
הכתבה נמסרה באדיבות חברת ראש אלקטרואופטיקה המייצגת את חברת LabSphere Inc בארץ.
