Ontdek hoe een integrerende bol (Ulbrichtbol) licht tot een uniforme helderheid mengt, zodat je snel en nauwkeurig totale lichtstroom, kleur en reflectantie/transmissie kunt meten van UV tot NIR. Je ziet wanneer je de bol inzet in plaats van een goniometer of directe meting, met voorbeelden uit leds, armaturen, materialen en fiber- en laseroptica. Inclusief praktische keuze- en kalibratietips over bolmaat, poorten en baffles, PTFE vs BaSO4 en correcties voor poortaandeel en zelfabsorptie voor stabiele, herhaalbare resultaten.
Wat is een integrating sphere (ulbrichtbol)
Een integrating sphere, ook wel Ulbrichtbol, is een holle bol met een zeer diffuus, wit reflecterende binnenlaag (meestal PTFE of barium-sulfaat) die invallend licht duizenden keren laat verstrooien totdat de lichtverdeling binnenin bijna perfect uniform wordt. Door die uniforme helderheid meet je niet een felle hotspot, maar het gemiddelde van al het licht in de bol. Zo kun je betrouwbaar totale lichtstroom (lumen), stralingsvermogen en spectrale eigenschappen bepalen, ongeacht de bundelvorm of richting. De bol heeft poorten voor de lichtbron of het monster, voor de detector of spectrometer en vaak baffles (schildjes) die voorkomen dat de detector direct zicht heeft op de bron. Je gebruikt een integrating sphere om de output van leds, lampen, lasers of vezels te meten, maar ook om reflectantie en transmissie van materialen te bepalen met vaste meetgeometrieën zoals 8/d of d/8.
Nauwkeurigheid vraagt om kalibratie met standaarden en om correcties voor zelfabsorptie van het testobject en voor het aandeel van de poorten in het boloppervlak (port fraction). De diameter van de bol kies je in verhouding tot de bron of het monster, zodat de uniformiteit behouden blijft en de detector niet verzadigt. Bij hoge vermogens let je op opwarming en veiligheid, en gebruik je zo nodig attenuatie of neutrale dichtheidsfilters om het dynamisch bereik van je detector te bewaken.
Definitie en basisprincipe
Een integrating sphere (Ulbrichtbol) is een holle meetbol waarvan de binnenkant is bekleed met een zeer diffuus, wit reflecterend materiaal (zoals PTFE of barium-sulfaat). Zodra je licht in de bol brengt, wordt het door talloze reflecties volledig gemengd tot een bijna uniforme helderheid over het hele binnenoppervlak. Een detector in een poort meet die uniforme helderheid, waardoor je het gemiddelde van al het invallende licht krijgt in plaats van een lokale hotspot.
Dit principe – gebaseerd op bijna Lambertiaanse verstrooiing – maakt metingen van totale lichtstroom en spectrale eigenschappen onafhankelijk van bundelvorm of richting. Baffles voorkomen direct zicht op de bron, en via kalibratie zet je de gemeten helderheid om naar flux. Voor reflectantie of transmissie plaats je een monster bij een poort en vergelijk je met een referentie.
Wanneer gebruik je een integrating sphere (VS directe meting of goniometer)
Wanneer kies je voor een integrating sphere en wanneer juist niet? Onderstaande punten helpen je het verschil te maken tussen een Ulbrichtbol, een goniometer en een directe meting.
- Gebruik een integrating sphere voor totale lichtstroom/straalvermogen en kleur/spectrum, onafhankelijk van bundelvorm of uitlijning; ideaal voor leds, lampmodules, vezeluitkoppeling en reflectantie-/transmissiemetingen, én voor snelle, reproduceerbare R&D- en productietesten.
- Kies een goniometer als je de hoekverdeling en bundelvorm wilt kennen (armatuurontwerp, lichtverdelingen, lenzen); je meet richtingafhankelijke intensiteit per hoek, niet de som over alle richtingen.
- Ga voor directe meting (detector/powermeter) wanneer je zeker alle flux opvangt, bijvoorbeeld een goed gecollimeerde laser op een gekalibreerde detector; vermijd de bol bij extreem hoge vermogens, een te grote portfractie t.o.v. het boloppervlak of flinke thermische belasting.
Kortom: de bol voor totals en gemak, de goniometer voor distributies, en directe meting voor gecontroleerde bundels. Zo kies je doelgericht het juiste meetinstrument.
[TIP] Tip: Kalibreer met een traceerbare standaardlamp voor elke meting.
Belangrijke onderdelen en werking
Een integrating sphere bestaat uit een holle bol met een diffuus, wit reflecterende coating die zo dicht mogelijk bij Lambertiaans gedrag komt. Meest gebruikt zijn PTFE (zeer hoge reflectie, duurzaam) en barium-sulfaat (breed inzetbaar, maar gevoeliger voor slijtage). In de bol zitten poorten voor bron of monster, voor de detector of spectrometer en soms een hulplamp; baffles schermen direct zicht tussen bron en detector af zodat je alleen het geïntegreerde, uniforme licht meet. Het werkende principe draait om de zogeheten sphere multiplier: door de hoge reflectie en het beperkte aandeel van open poorten (port fraction) wordt het licht vele malen verstrooid totdat de luminantie binnenin vrijwel gelijkmatig is.
De detector ziet dan een klein, stabiel deel van die uniformiteit, wat na kalibratie rechtstreeks linkt aan totale flux of aan reflectantie/transmissie bij vaste geometrieën zoals 8/d of d/8. Je corrigeert voor zelfabsorptie van het testobject en voor niet-uniformiteit, bewaakt het dynamisch bereik met filters of kleinere poorten en kiest detectoren passend bij het spectrum (van UV tot IR). Goed onderhoud van de coating en schone poorten zijn cruciaal om drift en strooilicht te minimaliseren.
Binnencoating en reflectiegedrag (PTFE en BASO4)
De binnencoating bepaalt hoe goed je bol licht mengt en hoeveel signaal je detector krijgt. PTFE (polytetrafluorethyleen) is een gesinterd, wit materiaal met zeer hoge diffuse reflectie (typisch >97% in zichtbaar/NIR) en bijna-Lambertiaans gedrag, waardoor je een sterke sphere multiplier en uitstekende uniformiteit haalt. Het is duurzaam, redelijk schoon te houden en vertoont weinig fluorescentie, maar kan bij hoge vermogens of langdurige UV-belasting verkleuren of lokaal inbranden.
BaSO4 (barium-sulfaat) is meestal een aangebrachte verflaag met brede spectrale dekking en goede diffusiteit, maar is poreuzer, gevoeliger voor vocht en mechanische slijtage en moet vaker worden hersteld. Kies PTFE als je lange-termijnstabiliteit, lage onderhoudslast en hoge reflectie zoekt; kies BaSO4 als je flexibiliteit en lagere instapkosten nodig hebt. In beide gevallen voorkomen schone, onbehandelde oppervlakken strooilicht en meetdrift.
Poorten, baffles en meetgeometrie
Poorten zijn de openingen voor bron, monster en detector, en hun totale oppervlak ten opzichte van de bol (de portverhouding) bepaalt hoeveel licht in de coating blijft circuleren. Je houdt die verhouding klein met port reducers en dichte plugs om uniformiteit en gevoeligheid te behouden. Baffles zijn kleine schermen die je zó plaatst dat detector en bron elkaar nooit direct zien; daardoor meet je alleen het diffuus, geïntegreerde licht en voorkom je hotspots en strooilicht.
De meetgeometrie legt vast wat je precies meet: voor totale flux plaats je de bron in de bol, voor reflectantie en transmissie werk je met 8/d of d/8 en monteer je het monster vlak met de poort. Speculaire component meenemen of uitsluiten regel je met een glansval of aangepaste monsterpoort. Consistente positionering en schone randen maken je kalibratie stabiel.
Kalibratie en correcties (zelfabsorptie, niet-uniformiteit)
Goede kalibratie begint met een traceerbare referentie, zoals een gekalibreerde fluxlamp of een spectrale standaard, zodat je meetsysteem een vaste relatie krijgt tussen gemeten signaal en lumen of watt per nanometer. Zelfabsorptie treedt op wanneer je testobject een deel van het bollicht opslokt; je corrigeert dit door de auxiliary lamp- of substitutiemethode: meten met en zonder object en het verschil toepassen als factor, liefst spectraal.
Niet-uniformiteit corrigeer je door de bol te karakteriseren met een uniformiteitsmeting en een positie-correctiefactor toe te passen, en door bron en detector consequent op dezelfde plekken te houden. Controleer daarnaast lineariteit, donkerstroom en stray light, en let op temperatuurstabiliteit en opwarmtijd om drift en meetfouten te vermijden.
[TIP] Tip: Beperk poortfractie tot onder 5% en scherm directe lichtpaden met baffles.
Toepassingen in de praktijk
Met een integrating sphere pak je uiteenlopende meetklussen aan waarin gelijkmatige, herhaalbare resultaten tellen. In de verlichting meet je snel de totale lichtstroom van leds, lampmodules en armaturen en bepaal je meteen kleurkenmerken zoals kleurtemperatuur (CCT) en kleurweergave (CRI), handig voor ontwikkeling én eindcontrole in productie. In materiaalonderzoek meet je diffuse reflectantie en transmissie van verven, plastics, textiel of glas, waarbij je desgewenst glans meeneemt of uitsluit zodat je gegevens echt vergelijkbaar zijn. In laser- en fiberoptica gebruik je de bol om vermogen veilig en onafhankelijk van bundelvorm te meten of om uitkoppeling uit vezels te karakteriseren zonder kritische uitlijning.
Voor displays en backlights kun je uniformiteitsbronnen maken of het uitgestraalde vermogen integreren over het oppervlak. Ook in UV-toepassingen, bijvoorbeeld bij ontsmettingslampen, helpt de bol om spectraal vermogen betrouwbaar te bepalen. Omdat de meting tolerant is voor variaties in bundel en positie, is de bol ideaal voor snelle R&D-screening, inkomende kwaliteitscontrole en kalibratie van detectoren of spectrometers.
Totale lichtstroom en kleurmeting van leds en lampen
Met een integrating sphere meet je de totale lichtstroom van leds en lampen door de gelijkmatig verdeelde luminantie binnen de bol te koppelen aan een fluxkalibratie in lumen. Koppel je een spectrometer, dan bereken je tegelijk kleurparameters zoals CCT, Duv en CRI of TM-30 (Rf/Rg), omdat het volledige spectrum wordt vastgelegd en fotopisch wordt gewogen volgens V(). Je plaatst de lichtbron in of aan de bol, schermt direct zicht af met baffles en corrigeert voor zelfabsorptie en portverhouding met een auxiliary-lampmeting.
Voor betrouwbare resultaten laat je de bron thermisch stabiliseren, meet je met constante stroom en controleer je lineariteit en donkerstroom. Zo krijg je snel reproduceerbare waarden voor lumen, efficiëntie en kleurkwaliteit, geschikt voor R&D en productiecontrole.
Reflectantie en transmissie van materialen (8/D en D/8)
Met een integrating sphere meet je reflectantie en transmissie reproduceerbaar met gestandaardiseerde geometrieën. Bij 8/d valt het licht onder 8° in en meet je diffuus; bij d/8 verlicht je diffuus en meet je onder 8°. Zo kies je of je de speculaire (glans) component wilt meenemen (SCI) of juist uitsluiten met een glansval (SCE). Voor reflectantie plaats je het monster vlak met de poort en vergelijk je de respons met een witte referentie om absolute waarden te krijgen, liefst spectraal over UV-VIS-NIR.
Let op randlek en houd de opening volledig bedekt. Voor transmissie monteer je het monster in de invoerpoort en meet je aan de overzijde, met nulmeting zonder monster en eventueel een achtergrondsupport voor dunne of doorschijnende materialen. Consistente positionering en schone randen maken je data betrouwbaar en vergelijkbaar.
Fiber- en laseroptica (vermogen en koppeling)
Met een integrating sphere meet je laser- en fibervemogen betrouwbaar zonder gedoe met uitlijning, modusstructuur of speckle. Het diffuus licht in de bol maakt de meting ongevoelig voor bundelprofiel en numerieke apertuur, ideaal voor multimode vezels en onrustige lasers. Je koppelt de bron via een poort of met een SMA/FC-adapter en leest met een fotodiode of spectrometer het absolute vermogen en, indien nodig, het spectrum. Koppelingsefficiëntie bepaal je door het ingekoppelde vermogen te vergelijken met het uit de fiber gemeten vermogen; met een tweede poort kun je ook leaks of back-reflection monitoren.
Houd de portverhouding klein en scherm direct zicht af met baffles. Bescherm de coating en detector bij hoog vermogen met attenuatie of ND-filters, en wees bij korte pulsen alert op verzadiging en pulsverbreding. Kalibreer regelmatig voor stabiele, reproduceerbare resultaten.
[TIP] Tip: Bedek ongebruikte poorten met afgeschermde doppen om strooilicht te beperken.
Hoe kies je de juiste integrating sphere
Begin bij wat je wilt meten: totale lichtstroom van leds of armaturen, reflectantie of transmissie van materialen, of laser- en fibervemogen. Dat doel bepaalt de diameter, poortconfiguratie en accessoires. Kies een bol die duidelijk groter is dan je bron of monster, zodat de portverhouding klein blijft en de uniformiteit hoog; met port reducers houd je openingen compact. Voor stabiliteit en maximale gevoeligheid ga je voor PTFE; wil je flexibiliteit en lagere instapkosten, dan is BaSO4 een prima keuze, zeker als je periodiek opnieuw kunt coaten. Match de detector en spectrometer met het gewenste spectrum (UV, zichtbaar, IR) en let op lineariteit en dynamisch bereik; bij hoog vermogen voeg je attenuatie en thermische afvoer toe.
Voor reflectantie/transmissie is een configureerbare monsterpoort met glansval handig, en voor fiberwerk scheelt een SMA/FC-adapter gedoe. Een doordachte baffle-opstelling voorkomt direct zicht, en een auxiliary lamp maakt zelfabsorptiecorrecties eenvoudig. Controleer of het systeem lichtdicht is, kalibraties ondersteunt en servicebaar blijft. Kies uiteindelijk een modulair systeem dat je huidige toepassing perfect dekt en tegelijk ruimte laat voor toekomstige metingen, zodat je met één bol nauwkeurig, herhaalbaar en efficiënt blijft werken.
Maatvoering, poortconfiguratie en dynamisch bereik
De maat van je bol bepaal je door de bron of het monster ruim te overdimensioneren, zodat de portverhouding klein blijft en de uniformiteit hoog; als vuistregel houd je de totale poortoppervlakte bij voorkeur onder circa 5% van het binnenoppervlak en gebruik je port reducers of plugs om openingen te minimaliseren. Positioneer bron-, detector- en eventueel monsterpoort zo dat baffles direct zicht blokkeren en de detector diffuse luminantie meet, niet de bron zelf.
Voor dynamisch bereik stem je detectorgevoeligheid, versterking en integratietijd af op het verwachte signaal en voorkom je verzadiging met attenuatie of neutrale dichtheidsfilters; bij zwakke bronnen kies je een gevoeliger detector of langere integratietijd. Zo houd je met dezelfde bol zowel lage als hoge vermogens betrouwbaar binnen het lineaire bereik.
Coatingkeuze: PTFE versus barium-sulfaat
Onderstaande tabel vergelijkt de twee meest gebruikte binnencoatings voor een integrating sphere – PTFE en barium-sulfaat – op reflectantie, spectraal bereik, duurzaamheid en kosten/toepassing.
| Coatingtype | Reflectantie & spectrum | Duurzaamheid & onderhoud | Kosten & toepassingen |
|---|---|---|---|
| PTFE (gesinterd, massief) | Zeer hoge diffuse reflectie 98-99% in VIS; vlak van ca. 250-2500 nm; lage fluorescentie; stabiel in NIR. | Robuust; bestand tegen UV en vocht; kan droog gereinigd en licht nageschaafd worden; temperatuurbestendig tot ca. 250-260°C. | Hoogste kosten; ideaal voor nauwkeurige lumen/kleurmeting en breedband (VIS-NIR) in veeleisende labs. |
| PTFE (liner/film) | Hoge reflectie 97-99% in VIS; vergelijkbaar bereik als gesinterd maar naden kunnen lichte niet-uniformiteit geven. | Goed bestand tegen UV; gevoelig voor mechanische schade bij naden; lijmen/onderlaag kunnen outgassen; matige hittebestendigheid t.o.v. massief. | Middelhoge kosten; geschikt als kostenefficiënte PTFE-optie voor middelgrote integrating spheres. |
| Barium-sulfaat (verf) | Hoge reflectie 96-98% in VIS; goed van ca. 350-1300 nm; reflectie daalt in diepe UV en >1.5 µm; kan lichte fluorescentie vertonen onder UV. | Kwetsbaarder (krijten/slijtage); gevoelig voor vocht/handelingen; beperkt temperatuurbereik (~80-150°C afhankelijk van binder); wel eenvoudig te hercoaten. | Laagste kosten; praktisch voor grote bollen, onderwijs en productie-omgevingen met regelmatig hercoaten. |
Kort samengevat: kies PTFE voor maximale nauwkeurigheid, stabiliteit en breed spectraal bereik; kies barium-sulfaat als budgetvriendelijke, eenvoudig te hercoaten oplossing voor grotere integrating spheres of minder kritische metingen.
Je coatingkeuze bepaalt direct gevoeligheid, stabiliteit en onderhoud. PTFE is een gesinterd, massief wit materiaal met extreem hoge, diffuse reflectie in zichtbaar en NIR (rond 97-99%) en blijft lang stabiel. Het is goed schoon te houden, veroudert langzaam en vertoont weinig fluorescentie, waardoor je metingen strak en reproduceerbaar blijven. Wel kan langdurige UV of lokaal hoog vermogen verkleuring of inbranding geven.
Barium-sulfaat (BaSO4) is een verflaag met brede spectrale dekking en nette diffusiteit, maar is poreuzer, gevoeliger voor vocht en mechanische slijtage en moet periodiek opnieuw worden aangebracht. BaSO4 is budgetvriendelijk en flexibel qua reparatie; PTFE levert het hoogste signaal, de beste uniformiteit en de laagste onderhoudslast. Kies wat past bij je vermogensniveaus, omgeving en kalibratie-interval.
Compatibiliteit met detector en spectrometer (UV tot IR)
Kies eerst je spectraal bereik, want dat bepaalt de hele keten. Voor UV-VIS gebruik je meestal een siliciumdetector of een UV-VIS-spectrometer met kwartsoptiek; zorg dat de bolcoating weinig fluoresceert en voldoende reflecteert in de UV. In het NIR/SWIR stap je over op InGaAs of germanium en let je op glasvezels en vensters die niet afkappen; voor verder in het IR zijn thermopiles of pyrodetectoren geschikt en speelt thermische achtergrond een grotere rol.
PTFE geeft hoge reflectie in zichtbaar en NIR, BaSO4 is prima in VIS maar gevoeliger in UV en IR; stem je keuze hierop af. Combineer spectrometers met order-sorting filters om tweede-orde licht te onderdrukken, en kalibreer respons en golflengte in het relevante bereik. Controleer tot slot lineariteit, integratietijd en ruis, zodat je binnen het dynamisch bereik blijft.
Veelgestelde vragen over integrating sphere
Wat is het belangrijkste om te weten over integrating sphere?
Een integrating sphere (Ulbrichtbol) is een diffuse holte met hoog reflecterende coating die licht volledig mengt. Ze levert absolute lichtstroom, kleur en reflectantie metingen, ideaal wanneer bundelprofielen of richtingsinformatie minder belangrijk zijn dan totale output.
Hoe begin je het beste met integrating sphere?
Start met het bepalen van toepassing en golflengtebereik, kies bolmaat en poortconfiguratie, selecteer PTFE of BaSO4 coating, plaats baffles correct, minimaliseer poortverhoudingen, en kalibreer met traceerbare standaarden voor flux, spectrale respons en zelfabsorptiecorrectie.
Wat zijn veelgemaakte fouten bij integrating sphere?
Veel fouten: te grote poortfractie vermindert uniformiteit, verkeerde baffle positie introduceert direct zicht, geen zelfabsorptiecorrectie of niet-uniformiteitscorrectie, detectorverzadiging, ontbrekende donkere en referentiemetingen, onvoldoende temperatuurstabilisatie, en ongeschikte detector of spectrometer buiten UV tot IR bereik.