积分球详解：结构·原理·应用

积分球（Integrating Sphere），又称 Ulbricht 球，因其 “打散方向信息、保留辐射功率” 的独特能力，成为光学测量与光源标定的黄金工具。本文梳理其结构、工作原理、开口设计、常见接口及应用场景

通常为坚固的金属或塑料材质，外表面通常做黑色消光处理，以减少外部光干扰。

涂覆或烧结高反射率漫反射材料（如PTFE、BaSO₄、Spectralon），在200–2500 nm甚至更宽的光谱范围内可达到 95–99% 的高反射率。

标准为球体，也有椭球或组合结构，关键在于内部漫反射均匀。

球壁上会开有输入端口、输出端口、样品口等，用于光的进入、探测和样品安装。

光线进入后的多次漫反射示意图

积分球的核心原理是光线进入球体后的多次均匀漫反射

积分球的开口和接口通常包括：

光源或光纤接口，一般是 SMA905 或 FC/PC 标准光纤接口。

与探测器或光谱仪相连，输出均匀化后的光信号。

可放置薄膜、粉末、固体、液体比色皿等，用于透射/反射测试。

有时探测器直接安装在积分球上，避免二次传输损耗。

部分积分球设计有监控口、参考口，可安装光电探测器或插入辅助光源。

测量 LED、激光器、灯泡的总光通量、光功率。

与光谱仪结合，可得光谱分布、色温、显色指数。

透射率测试：样品置于入射光与球腔之间，测量透过光强。

反射率测试：样品置于球内开口处，测量漫反射或镜面反射。

吸收率间接计算：由透射率和反射率得到。

激光功率测量（避免能量集中烧毁探测器）。

光纤耦合效率测量。

积分球作为光源，可输出均匀的漫射光场，用于相机标定或光学器件测试。

结构要点

测量模式：

4π（灯在球心）或2π（被测光源贴在样品口）

挡板：

遮挡探测器对光源的直视，降低偏差

端口角度：

典型为 0°/90°/180°；避免端口直对端口

监测二极管：

实时监控球内照度漂移（可选闭环）

注：4π 适合无方向限制的总通量；2π 适合灯具类“半空间”通量。

结构要点

输出接口：

SMA905/FC 光纤至光谱仪

样品位：

可插入薄膜/粉末杯/比色皿，评估发光或透射光谱

监测：

可加监测 PD 获取相对谱漂移

结构要点

入射几何：

8°/d 或 d/8（入射角约 8°，d 表示漫射收集）

镜面口：

带可开合的“镜面陷阱”以选择包含/排除镜面反射（SCI/SCE）

双端口：

同一球腔内采集反射光与透射光（样品在样品口）

夹具：

旋转/压力夹具，确保法向与重复定位

结构要点

入射小孔：

限制能量密度集中；与挡板错位布置

大口径出口：

输出均匀照度面；可加漫射窗口/ND 轮

热管理：

风冷/水冷底座、热电偶监测，提升耐受功率

材料：

高反 PTFE；更高功率时可用陶瓷漫射衬里

结构要点（贴合标定系统

出口：

大口径均匀光场，匹配相机视场

内置光源：

卤素/LED 阵列 + 稳流；可选温控

监测与反馈：

球内监测 PD + 控制器，维持辐亮度稳定

结构要点（贴合标定系统

荧光 QE：

样品居中激发；收集全向发射；区分激发/发射光谱

红外镀层：

金/铝镜面漫射衬里，适配 2–20 μm（可更高）

微型球：

直径 < 50 mm；便携、快速对接光纤与微光源