積分球是積分球色差儀的一個(gè)重要的部件，這類儀器使用積分球使光線在球內(nèi)經(jīng)過(guò)多次反射后形成均勻的漫射光，照射到被測(cè)樣品表面，使樣品表面受光均勻，消除樣品表面對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。本文對(duì)色差儀積分球的作用及積分球測(cè)色原理做了介紹。

色差儀積分球的作用：

色差儀的積分球發(fā)出光的作用是將來(lái)自被測(cè)物體表面的所有可見(jiàn)光都集中在一個(gè)小圓球上，然后通過(guò)狹縫將這些光傳到積分球中心。此時(shí)，透過(guò)狹縫看到的是積分球內(nèi)部的光斑。由于積分球內(nèi)部具有很多顆粒，因此可以將各個(gè)波長(zhǎng)的光分開(kāi)。

積分球是一個(gè)容器，用來(lái)吸收反射光線。當(dāng)反射光線穿過(guò)積分球時(shí)，它會(huì)被吸收并傳遞到儀器內(nèi)部的光學(xué)元件上。這些元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后將它們輸出到顯示器上。通過(guò)測(cè)量電信號(hào)的大小，我們就能得到顏色的數(shù)值。

使用積分球的目的是使進(jìn)入它內(nèi)部的光，經(jīng)內(nèi)壁漫反射層多次反射后，在整個(gè)內(nèi)壁面上得到均勻的照度，并且該照度較入射光通量除以球內(nèi)壁面積的照度值大得多（可提高性噪比）。在顏色測(cè)量?jī)x器中，積分球具有以下兩方面功能：

1.光接收器

被測(cè)光經(jīng)積分球上的小孔進(jìn)入球內(nèi)，在內(nèi)壁上設(shè)置一個(gè)或多個(gè)探測(cè)器。由光探測(cè)器輸出的光電流與積分球內(nèi)壁的光照度成正比，也就是與進(jìn)入積分球的光通量成正比。這樣，就可以根據(jù)輸出光電流的變化，得知進(jìn)入積分球的光通量變化。

2.均勻照亮的物面

在積分球內(nèi)壁上與出光孔對(duì)稱且均勻地放置幾個(gè)燈泡（通常有四個(gè)或六個(gè)）。由燈泡發(fā)出的光經(jīng)內(nèi)壁多次漫反射而形成一個(gè)均勻照亮的發(fā)光球面，用它可作為被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的、亮度均勻的、大視場(chǎng)的物面（光學(xué)系統(tǒng)入瞳與出光孔基本重合）。該積分球用于照相物鏡的漸暈系數(shù)和像面照度均勻性的測(cè)量。

色差儀積分球測(cè)色原理：

積分球是一個(gè)內(nèi)壁涂有白色漫反射材料（漫反射系數(shù)接近于1，常用的是氧化鎂或硫酸鋇）的空腔球體，內(nèi)壁是良好的球面（要求與理想球面的偏差應(yīng)不大于內(nèi)徑的0.2%）。氧化鎂涂層在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)的光譜反射比都在99%以上，這樣，進(jìn)入積分球的光經(jīng)過(guò)內(nèi)壁涂層多次反射，在內(nèi)壁上形成均勻照度。當(dāng)積分球用于顏色測(cè)量?jī)x器時(shí)，球體會(huì)有多個(gè)開(kāi)孔，結(jié)構(gòu)示意圖如下圖。具體包括光孔，用于光源進(jìn)入球體；測(cè)量孔，與被測(cè)物體緊密接觸；接收器孔，在測(cè)量孔對(duì)面，一般與被測(cè)樣品表面的法線呈8°夾角，用于采集物體的反射光；鏡面反射孔，位于與接收器孔相對(duì)于法線對(duì)稱的地方，這個(gè)孔可以關(guān)閉和打開(kāi)，并放置光吸收阱，用來(lái)控制鏡面反射光的采集（SPIN，Specular Included）與排除（SPEX，Specular Excluded）。

當(dāng)一束輻通量為Φ（λ）的光源經(jīng)光孔進(jìn)入內(nèi)球半徑為R的積分球內(nèi)，經(jīng)涂層多次漫反射后，形成均勻照明。設(shè)除投射面外，其余內(nèi)壁任一點(diǎn)M處的總照度E（λ）可用下表示：

式中：E（λ）為M點(diǎn)的總光譜幅照度；ρw（λ）為積分球內(nèi)壁的光譜反射比；Φ（λ）為進(jìn)入進(jìn)入積分球的光譜輻通量；R為積分球內(nèi)球半徑；f為積分球開(kāi)口球面面積與積分球總的內(nèi)反射表面積之比。

式中，當(dāng)一束輻通量進(jìn)入理想積分球后，除投射面外，球內(nèi)表面任意點(diǎn)的照度（包括球壁開(kāi)口處球面上的照度）只是球的幾何尺寸、涂層的漫反射比、進(jìn)入球的輻通量的函數(shù)，而與位置無(wú)關(guān)。在顏色測(cè)量中，樣品表面的物理狀況會(huì)影響光的傳播，當(dāng)表面比較光滑時(shí)，樣品光澤較高，鏡面反射光會(huì)比較強(qiáng)，散射會(huì)比較弱；當(dāng)表面比較粗糙時(shí)，樣品光澤較低，鏡面反射光會(huì)比較弱，散射會(huì)比較強(qiáng)。對(duì)于相同材質(zhì)的樣品，若只是光澤差異，在包含鏡面反射狀態(tài)下測(cè)量結(jié)果應(yīng)該是一致的，這時(shí)其反映的是材質(zhì)本身的顏色，稱之為真實(shí)色；但在排除鏡面反射狀態(tài)下，樣品間的差異會(huì)比較大，數(shù)據(jù)反映的是材質(zhì)和表面物理狀況的綜合變化，稱之為表觀色。因此，積分球儀器在涂料行業(yè)，以及紡織、塑料、紙張等行業(yè)被廣泛應(yīng)用。