Fonctionnement des sphères intégrantes
La figure 1 présente le principe de fonctionnement des sphères intégrantes. La lumière est collectée par une sphère intégrante et uniformément refletée et diffusée à l'intérieur de la sphère afin que la sortie soit un champ uniforme, intégré spatialement (Lambertien). Ce champ en sortie est insensible aux changements spatiaux, angulaires, et de polarisation de l'entrée. Nos sphères intégrantes sont fournies avec des brides d'entrée et de sortie de Série 38,5mm pour pouvoir être montées sur tous les instruments et composants Oriel que nous proposons.
Figure 1 : Principe de fonctionnement d'une sphère intégrante. Le faisceau entrant est reflété de façon diffuse dans la sphère intégrante. Le port de sortie ne peut "voir" la région du premier impact.
L'Idéal comparé au Réel
Ces sphères intégrantes sont équipées à l’intérieur d’écrans pour éviter que le faisceau qui entre ne sorte directement par les ports de sortie . Ces écrans et ces petites imperfections de la paroi rendent ces diffuseurs "réels" moins parfaits. C'est-à-dire qu'ils sont plus proches des diffuseurs Lambertiens que de simples appareils optiques. Néanmoins, ils présentent un peu de différence avec l'idéal.
Pourquoi choisir une sphère intégrante?
Pour des mesures radiométriques critiques, utilisez toujours une sphère intégrante ; elles sont proches des diffuseurs idéaux. Les sphères intégrantes sont beaucoup plus chères, et présentent des pertes de rendement égales ou plus élevées que les diffuseurs de disques, mais elles fournissent une vraie réponse en cosinus et un éclairement uniforme répétable d'un réseau de spectromètre ou d’un détecteur. Les diffuseurs à disque sont adaptés pour les applications qui requièrent une illumination relativement uniforme, comme les détecteurs qui ne sont pas uniformément sensibles sur toute leur surface de détection.
Problèmes avec les mesures radiométriques
La variation de la réponse angulaire et spatiale de nombreux détecteurs entraine des résultats erronés quand le flux à mesurer est non uniforme ou que le faisceau bouge légèrement. La non uniformité peut venir du parcours optique ou de la source. Le mouvement du faisceau vient du mouvement des éléments ou de la variation de l'indice de réfraction de l’air lors du parcours. Les mesures avec des fibres optiques pevent être influencées par les changements de de la géométrie du faisceau soit en entrée ou soit en sortie de fibre, et par la lumière se déplaçant sur ou hors du détecteur.
Les sphères intégrantes comme solution
Les diffuseurs à disque optique, bien utilisés, réduisent de façon importante la sensibilité à ces effets mais pour les mesures critiques ils ne sont pas suffisants : vous avez besoin d'une sphère intégrante. les sphères intégrantes sont également recommandées pour les mesures en réflexion et en transmission. Les sphères intégrantes sont standard pour la spectroscopie analyitique UV/VIS/NIR ou IR. La plupart des mesures de rétrodiffusion et de turbidité sont améliorées par l'usage d'une sphère intégrante grâce à un angle de collecte plus grand (180° hémisphérique). Les mesures de flux effectuées avec des sphères intégrantes sont plus fiables. La sphère réduit ou annule la sensibilité de la mesure à l'angle et à la forme du faisceau, et ainsi aux variations de réponse spatiale du détecteur.
Haute réflexion
La plupart de nos sphères intégrantes sont disponibles avec un choix de trois matériaux intérieurs. Pour les applications VIS-NIR, choisissez des sphères recouvertes d'un revêtement à base de sulfate de baryum. Le revêtement est très réflectif, >97% du visible.
Pour les mesures UV, VIS ou NIR, nous proposons des sphères avec des intérieurs usinés à partir d'un matériau thermoplastique de PTFE unique, qui est très robuste et très réflectif jusqu'à 250 nm. Pour des applications dans les régions NIR et IR, nos sphères en or diffus fournissent des caractéristiques presque lambertiens et une réflexion allant jusqu'à 95%. Toutes nos sphères sont conçues pour fournir une réflexion très forte, une stabilité et une faible perte de rendement sur leur gamme de longueur d'onde utilisable.
Seuil de dégât élevé
L'excellente réflexion de nos sphères leur permet un seuil de dégât élevé. Les mesures effectuées avec un laser pulsé à 1,6 mm présentaient un seuil de dégât des sphères revêtues d'1,5 W cm-2. Les sphères PTFE ont un seuil de dégât encore plus élevé, de 8 W cm-2, et les sphères en or présente un seuil de dégât de 19 W cm-2.
Figure 2 : Facteur de réflexion et rendement des sphères PTFE et BaSO 4 de 10,2 cm
Figure 3 : Facteur de réflexion de l'or diffusé.
Quelle sphère choisir?
Nous proposons cinq designs de sphères intégrantes avec un choix de revêtements intérieurs couvrant les UV-VIS et l'IR. Votre choix est souvent un compromis entre vos besoins en terme de rendement et d'uniformité Par exemple, des Sphères de 204 mm permettent la sortie la plus uniforme possible, mais subissent les pertes de rendement les plus importantes, à cause du large diamètre de la sphère.
Sphères Monochromateur
- Des sphères de 50,8 mm de diamètre interne sont conçues pour une illumination uniforme du monochromateur, du détecteur et du spectrographe pour VIS et NIR.
- Egalement utilisées comme sortie du monochromateur, pour illuminer uniformément un seul détecteur ou plus d'un détecteur.
Ces sphères ont d'excellentes propriétés de diffusion, leurs propres écrans empêche le faisceau entrant de sortir directement vers l'instrument. Brides de série 38,1 mm et trou taraudé 1/4-20 pour faciliter le montage.
Sphères fibre optique
- Sphères intégrantes de 101,6 mm de diamètre interne pour une illumination uniforme des faisceaux de fibres, ou créer une source lambertienne avec des entrées fibre uniques ou multiples.
- Acceptent les adaptateurs fibre SMA (pour les adaptateurs ST, contactez un vendeur)
Ces sphères sont une version réduite de la Sphère à usage général. Elles font 101,8 mm de diamètre et conviennent aux petits faisceaux de lumière. Il y a trois ports sur l'équateur : deux d'entre eux ont des diamètres internes de 11 mm pour s'adapter directement au Faisceau de fibre Oriel. Pour les fibres terminées en SMA, vous aurez également besoin de l'adaptateur 70463. Le troisième port est une bride mâle de série 38,1 mm.
Sphères à usage général
- Disponibles en tailles de diamètre interne de 101,8 et 152,4 mm
- Haut revêtement diffus lambertien
- Accepte une variété d'adaptateurs détecteur et prises port
- Parfait pour des mesures universelles et pour mélanger deux entrées pour des sources lambertiennes
Ces sphères intégrantes à usage général ont des diamètre de 101,8 et 152,4 mm. Elles comprennent des brides de série 38,1 mm Oriel standard et des trous taraudés 1/4-20 pour montage à colonne. Si vous devez relier ces sphères aux appareils avec brides mâles (comme un monochromateur), commandez la bague d'accouplement 77829. Un diagramme du parcours lumineux pour le 70451 est présenté en figure 1.
Sphères de source lumineuse uniforme
- Diamètre interne de 203,2 mm
- Port de sortie de 50,8 mm de diamètre
- Pour applications d'illumination uniforme critiques
- Transformez une source lumineuse en un émetteur lambertien presque parfaitement uniforme
Placez l'une de ces sphères intégrantes à la sortie de la source lumineuse et vous obtiendrez une source large bande lambertienne presque parfaitement uniforme. La luminance énergétique typique est comprise entre 1 et 2% de la moyenne sur les 51 mm de diamètre du port de sortie, à condition que le champ de vision du système d'imagerie soit bloqué par l’écran à l'intérieur de la sphère. L'uniformité de la luminance energétique au niveau du port est également meilleure que 1-2%.
Pour une source lumineuse uniforme et programmable, reliez la sphère à l'entrée du monochromateur (ou de la roue à filtre motorisée). Vous aurez besoin de la bague d'accouplement 77829 pour attacher un de ceux-ci au monochromateur Oriel. Pour une source d’étalonnage uniforme avec plusieurs ordres de gamme de luminance, reliez une roue à filtres avec des filtres de densité neutre à l'entrée de la sphère. Le port d'entrée de la sphère possède une bride mâle de 38,5mm de série, il peut donc être relié à une source lumineuse Oriel. Le port de sortie est un port de 50,8 mm de diamètre pour un montage simple des échantillons.
Sphères de réflexion et de transmisison
- Sphères de 203,2 mm de diamètre interne
- Pour des mesures de facteur de réflexion hémisphérique diffus et spéculaire et pour des mesures de facteur de transmission totale
Les 70679 et 70682 sont conçus pour une mesure du facteur de réflexion hémisphérique diffus et spéculaire et pour une mesure de facteur de transmission totale en utilisant une géométrie 8/D (incidence faisceau 8 degrés/collecte diffuse). Le 70679 est dédié aux régions VIS-NIR et le 70682 aux régions UV-VIR-NIR (Remarque : le diamètre interne du 70682 est de ~178 mm). Les sphères présentent 5 ports :
- Port d'entrée avec bride mâle de 38,1 mm de série
- Port de prélevement de 25,4 mm, aligné avec port d'entrée
- Port détecteur avec bride mâle de 38,1 mm de série
- Port d'exclusion/inclusion spéculaire de 25,4 mm (pour piège à lumière ou prise)
- Port additionnel 50,8 mm au pôle nord de la sphère pour mesure technique de comparaison ou prélévement de montage centrés (support adapté nécessaire : contactez un vendeur et précisez vos exigences de prélevements).
Un support de prélévement de réflexion avec 25,4 mm de diamètre, et 12,7 mm de profondeur supporte le prélèvement à 8° du faisceau. L'ouverture utile est de 18 mm. Le support est à ressort pour que les formes irrégulières, rectangulaires ou carrées jusqu'à 50,8 mm puissent être maintenues contre la paroi de la sphère. (le prélevement doit remplir l'ouverture). Le ressort vous permet d'insérer et d'extraire rapidement le prélèvement et le disque d’étalonnage spectral blanc 70496. La lumière, qui est reflétée du prélèvement, touche le port et est tournée à 8° vers le port d'exclusion speculaire. Si un collecteur de lumière est utilisé au port d'exclusion, la lumière est recapturée dans la sphère (inclusion speculaire - réflexion totale 8/D). Si un collecteur de lumière est utilisé dans le port d'exclusion, la portion spéculaire de la réflexion du prélevement est soustraite de la mesure (L'exclusion du speculaire (qui ne diffuse que la réflexion 8/D) permet une caractérisation du "brillant"). Une prise du port d'exclusion est comprise avec la sphère et une prise de port supplémentaire est comprise dans le port de pôle nord.
A l'inverse, si un support de prélèvement de 0° (inclus également avec les sphères 70679 et 70682 R/T) est utilisée comme port de prélèvement et le faisceau d'entrée est placé derrière le port de prélèvement, alors vous pouvez réaliser les qualifications des facteurs de transmission normale, diffuse ou totale des prélèvements. Si une prise est utilisée sur le port de dimension 25,4 mm à l'opposé du prélèvement (ancien port d'entrée), alors toute l'énergie est comprise dans la mesure (transmission totale). Si un collecteur de lumière est utilisé dans ce port opposé au prélèvement, alors le faicseau transmis normal (transmission speculaire) est exclus par le collecteur (l'exclusion de la transmission normale ou diffuse - permet des caractérisations "à brouillard").
Disque d’étalonnage spectral blanc
Le 70496 est un disque Zenith® blanc de 11 mm d'épaisseur et de 31,8 mm de diamètre, pour l’étalonnage spectral. Il a un facteur de réflexion de 95% dans la gamme allant de 250 à 2500 nm (98% de 400 à 1800 nm), et est durable. Il est aussi un diffuseur lambertien de réflexion presque parfait. Une légère abrasion peut être effectuée pour restaurer sa performance dans le cas où il devienne sale. Le facteur de réflexion hémisphérique mesurée dans la gamme 250 à 2500 nm est fournie pour chaque disque. Les données d’étalonnage sont traçables au NIST.
Calcul du rendement de la sphère
Le rendement de la sphère est le ratio du flux total de sortie rapporté au flux total d'entrée. Il dépend des propriétés de réflexion de la sphère, de son diamètre et de son nombre de ports.
Soient
fe = flux total du port de sortie
fi = flux incident total
Ae = aire du port de sortie
As = aire de surface de la sphère
Ap = somme de toutes les aires de port
r = Facteur de réflexion de la paroi de la sphère (0 £r £1)
Pour des raisons pratiques, il faut remarquer que l'équation est spécifique à un port unique et cela pour une réflexion fixe ? à une longueur d'onde spécifique, il est uniquement dépendant des rapports des aires de port rapportées à la surface totale de la sphère. Il peut être facilement montré que pour notre séries de sphères dans laquelle les ports d'entrée/sortie ont nominalement la même dimension (35 - 51 mm), As est prépondérant. Ainsi, pour choisir une sphère, sélectionnez le plus petit diamètre disponible qui fournit les caractérirstiques de port de sortie (dimension et uniformité) pour maximiser le rendement. L'équation de base néglige également la qualité lambertienne de la sortie et n'est présentée que pour refléter la dépendance majeure pour la sélection de sphères de base plutôt que pour fournir des valeurs de rendement spécifiques pour les sphères.
Comment optimiser la performance
1. Port de prise inutilisées avec prises de diffusion.
2. Evitez les grands changements de réflexion lorsque vous faîtes des mesures de réflexion comparatives. Par exemple, comparez un échantillon avec un standard aux propriétés similiaires.
3. Gardez les prélèvements et les détecteurs "dans la paroi de la sphère", notamment si des mesures de diffusion avec des angles importants sont réalisées.
4. Utilisez des filtres spéciaux avant que la lumière n'entre dans la sphère plutôt qu'au niveau du détecteur, surtout si vous effectuez des changements pendant la mesure. Souvenez-vous que la sortie est un radiateur lambertien, et donc que tous les filtres "voient" l'incidence de lumière à travers une large gamme d'angles.
