Η ολοκληρώνουσα σφαίρα και οι εφαρμογές της στην νέα εποχή του φωτισμού

Καλερίδη, Μαρία Ελένη

The integrating sphere and its applications in the new era of lighting

Διπλωματική εργασία

Author

Καλερίδη, Μαρία Ελένη

Date

2025-02-26

Advisor

Ιωαννίδης, Γεώργιος

Kaleridi_19387080.pdf (34.10Mb)

Keywords

Ολοκληρώνουσα Σφαίρα ; Φωτεινή ροή ; Ακτινοβολία ; Αρμονική παραμόρφωση ; Λαμπτήρες ; Ανακλαστική επίστρωση ; Διάμετρος εσωτερικής σφαίρας ; Φασματόμετρο

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία εστιάζει στη μελέτη της λειτουργίας και των εφαρμογών της ολοκληρώνουσας σφαίρας, καθώς και στην εκτέλεση πειραματικής διαδικασίας για την ανάλυση της απόδοσης των λαμπτήρων. Ο κλάδος του φωτισμού έχει σημειώσει σημαντική πρόοδο τόσο στις νέες όσο και στις ήδη υπάρχουσες τεχνολογίες κατά τη διάρκεια των τελευταίων ετών. Συγκεκριμένα, η σφαίρα Ulbricht, αν και δεν αποτελεί νέο εργαλείο μέτρησης, αποτελεί χαρακτηριστικό παράδειγμα της ποικιλίας εφαρμογών που καλύπτει στον τομέα του φωτός. Εκτός από τα όργανα μέτρησης, σημαντική πρόοδος έχει παρατηρηθεί και στους τύπους φωτισμού (λαμπτήρες), με την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών και τη βελτίωση των παλαιότερων μοντέλων. Η αναφορά στις εξελίξεις των τεχνολογιών αυτών είναι κρίσιμη για την κατανόηση των αλλαγών και των προκλήσεων που αντιμετωπίστηκαν, καθώς και αυτών που παραμένουν ανοιχτές. Στο πλαίσιο αυτό, παρουσιάζεται το θεωρητικό μοντέλο της ολοκληρώνουσας σφαίρας, συνοδευόμενο από μια αναδρομή στην ιστορική εξέλιξη και τις κατασκευαστικές εταιρείες που εξειδικεύονται στην παραγωγή αυτής της τεχνολογίας. Επίσης, αναλύεται η δομή των τύπων λαμπτήρων πυράκτωσης, φθορισμού και LED, με στόχο την κατανόηση της αρχής λειτουργίας τους, καθώς και των πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων τους. Η υλοποίηση των πειραμάτων απαιτεί ιδιαίτερη προσοχή και ακρίβεια για την εξασφάλιση της εγκυρότητας των αποτελεσμάτων, καθώς και την ανάγκη παρατηρητικότητας κατά τη λειτουργία του εξοπλισμού. Η πειραματική διαδικασία της παρούσας εργασίας έχει ως στόχο την καταγραφή της συμπεριφοράς των λαμπτήρων και τη διερεύνηση των αιτίων που καθιστούν αναγκαία τη βελτίωση των χαρακτηριστικών τους. Ο υπολογισμός της φωτεινής ροής, βάσει των πειραματικών αποτελεσμάτων, επιτρέπει τη σύγκριση των θεωρητικών κατασκευαστικών προδιαγραφών με τους υπολογισμούς που προκύπτουν από τις πειραματικές μετρήσεις. Παράλληλα, η ανάλυση της συμπεριφοράς της τάσης και του ρεύματος αποκαλύπτει τις ιδιότητες και τις διαφοροποιήσεις των διαφόρων κατηγοριών λαμπτήρων. Συμπληρωματικά, στο εργαστήριο φωτισμού πραγματοποιήθηκε αντίστοιχη πειραματική διαδικασία με τη χρήση γωνιοφωτόμετρου, για τον ίδιο σκοπό. Στο πλαίσιο αυτό, η σύγκριση των αποτελεσμάτων φωτεινής ροής από τις δύο πειραματικές διαδικασίες κρίνεται σημαντική, καθώς αναδεικνύει τις διαφορές μεταξύ των μεθόδων και εν μέρει αποκαλύπτει τις πιθανές αστοχίες των οργάνων μέτρησης. Τα συμπεράσματα που προκύπτουν από την ανάλυση των πειραματικών δεδομένων και τη σύγκριση των μεθόδων προσφέρουν χρήσιμες πληροφορίες για την περαιτέρω ανάπτυξη και βελτίωση των τεχνολογιών φωτισμού, καθώς και για την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας των μεθόδων μέτρησης στην έρευνα φωτισμού.

Abstract

This diploma thesis focuses on the study of the operation and applications of the integrating sphere, as well as the execution of an experimental process for the analysis of lamp performance. The lighting industry has made significant progress in both new and existing technologies over the years. Specifically, the Ulbricht sphere, although not a new measuring tool, serves as a prime example of the variety of applications it covers in the field of light. In addition to the measuring instruments, significant progress has also been observed in lighting types (lamps), with the development of new technologies and the improvement of older models. The reference to these technological advancements is crucial for understanding the changes and challenges faced, as well as those that remain open. In this context, the theoretical model of the integrating sphere is presented, accompanied by a retrospective look at its historical development and the manufacturing companies specializing in the production of this technology. Additionally, the structure of incandescent, fluorescent, and LED lamps is analyzed, with the aim of understanding their operational principles as well as their advantages and disadvantages. The implementation of the experiments requires special attention and precision to ensure the validity of the results, as well as the need for careful observation during the operation of the equipment. The experimental process of this thesis aims to record the behavior of the lamps and investigate the causes that necessitate the improvement of their characteristics. The calculation of luminous flux, based on the experimental results, allows the comparison of the theoretical construction specifications with the calculations derived from the experimental measurements. Furthermore, the analysis of voltage and current behavior reveals the properties and differences of the various categories of lamps. Complementary to this, an equivalent experimental process was carried out in the lighting laboratory using a goniophotometer for the same purpose. In this context, comparing the luminous flux results from both experimental procedures is deemed important, as it highlights the differences between the methods and partially uncovers potential flaws in the measuring instruments. The conclusions drawn from the analysis of the experimental data and the comparison of the methods provide valuable insights for the further development and improvement of lighting technologies, as well as for evaluating the effectiveness of measurement methods in lighting research.