积分球测量系统是灯具行业最为常见的光色测量设备，其测量结果能满足多数产品的研发和质检需要，是一种较为经济的测量手段。
1. 积分球的渊源
1893年，英国物理学家桑普纳（W. E. Sumpner）在《The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine》发表论文《The Diffusion of Light（光的扩散）》，提出了理想漫反射球体内的光分布理论，以及球壁任意一点的照度与光源总光通量成正比的计算公式。
德国萨克森皇家工业大学（今德累斯顿工业大学（Technische Universität Dresden））电报与信号学教授理查德·乌布利希（Richard Ulbricht）在 1900 年前后将上述理论发展为完整的测量设备，即利用两个可合拢的空心半球，内壁涂以漫反射材料，被测光源置于球心，在球壁开孔放置光度探头进行测量。1920年，他出版的专著《Das Kugelphotometer（球形光度计）》系统总结了这一方法。这一测量设备利用了球体对光强进行空间积分的物理原理，我们称此为积分球（Integrating sphere），德语文献也称为乌布利希球（Ulbricht-Kugel）。
1930年前后，国际照明委员会（CIE）将积分球法纳入光通量测量规范，此后成为全球通行的总光通量测量标准方法。
德国德累斯顿工业大学（TU Dresden）校园内的乌布里希球雕塑，该雕塑由尤尔根·谢弗德克（Jürgen Schieferdecker ）教授创作
2. 积分球的测量原理
积分球是一个中空的球体，外壳一般用金属板材分片焊接或整体旋压制成，内壁喷涂反射涂料。在光源测量过程中，积分球的主要功能是作为光收集器使用，是光度测量系统的重要组成设备。当被测光源安装在积分球中心位置时，光线在球内经过多次反射及漫反射后，最终在球壁上形成均匀的照度分布，从而起到积分器的作用。
通过测量球壁某一个点的光能量，就可以计算出光源所散发的全部光能量。在积分球内，多次反射产生的光通量表示为：
光源S0在球壁上任意一点B上产生的光照度是由直射光和多次反射光产生的光照度迭加而成的。由积分学原理可得，球面上的光照度是均匀的，在任意一点B上的光照度E 为：
E0 – 光源S直接照射在B点上的光照度
4πr2 – 积分球内壁表面积，r – 积分球半径
ρ – 积分球内壁反射率
直射照度E0的大小不仅与B点的位置有关，也与光源在球内的位置有关。为了排除直射光的不确定性影响，必须在光源S和B点之间放置一个挡光板，遮挡掉直接射向B点的光线。此时E0=0，则在B点的光照度为：
因为积分球半径r和涂层反射率ρ均为已知常数，因此球壁上任意位置的光照度E与光源的光通量Φ之间就成正比关系。这样，通过测量球壁上任意位置的光照度，就可以求出光通量。
从公式可以看出，积分球的传输效率高度依赖反射率，反射率越高输出信号越强，但同时对涂层老化、脏污会变得极其敏感，反射率出现微小下降就会带来明显测量误差。
3. 涂层材料的选择
反射涂料的选择在不同领域有所区别，通常UV/VIS范围的大球使用硫酸钡（BaSO₄），UV/VIS范围的中小球在用特氟龙（PTFE），NIR/IR范围使用金。
硫酸钡的漫反射特性良好、在可见光区域的反射率达到95-98%，成本低、工艺成熟，是常规积分球普遍选用的涂层材料。也有积分球使用PTFE涂层，其可见光区域的反射率达到98-99%，PTFE涂层不吸潮、耐老化、可清洗，但成本较高，在大尺寸积分球中较少使用。
4. 用比较法获得真实的光通量
从积分球的测量原理可知，计算总光通量的前提是积分球半径r和涂层反射率ρ均为常数，但这看似稳定的因素却存在很大的变数。首先积分球的外壳制造和喷涂工艺使其直径r存在方向性的变动量，极难测量和计算出有效的反射面积。其次涂层反射率ρ会因老化和污染而变化，而现有技术手段无法随时测量涂层反射率。再加上球壁上的各类开口，球内支架、线缆的遮挡和吸收影响，测量系统在长期运行后的响应常数会趋于未知，导致错误的计算结果。
在实际操作中，积分球测量系统是基于比较法（也称为替代法）来获得被测灯的真实测量值，即选一个已知光通量的标准灯与被测灯分别在球内点燃获得各自的测量值，二者相比较后计算出被测灯的光通量。
比较法的具体步骤如下：
- 把光通量为Φ0的标准灯放置在积分球内点亮，读取探测器的输出信号V0
- 然后，将被测灯放置在积分球内，读取探测器输出信号V1
- 最后，将测量值相比，得到被测灯的光通量 Φ1= (V1/V0) Φ0
在比较法测量中，球体半径、反射率等因子都在比值中被消除，需要控制的是标准灯与被测灯的光谱分布和光线在球内的空间分布一致性。
5. 系统定标
依据积分球的测量原理可知，在样品测量前需要先读取标准灯泡的测量值，建立光信号测量值和光通量的对应关系。
标准灯泡是经第三方计量机构严格校准、能够稳定复现其光谱辐射特性及传递量值的电光源设备，企业实验室通过周期性使用标准灯泡对积分球测量系统的响应常数K值进行修正，建立光信号测量值和光通量的校准关系，从而实现国家计量基准的传递，这项工作被程序化后称为定标操作。
具体步骤如下：
- 把光通量为Φ0的标准灯放置在积分球内点亮，读取探测器的输出信号V0，故光通量定标系数K为：
K = Φ0 / V0
- 然后，将被测灯放置在积分球内，读取探测器输出信号V1，乘以系数k即得到被测灯的光通量Φ1
Φ1 = K • V1
标准灯通常选用经过校准的具有全光谱辐射通量的卤素灯泡，其宽带光谱可在整个可视区域校准光谱分析仪。在2π测量中，应使用带反射镜的有适当光强分布的正向发射卤素灯作为标准灯。在4π测量中，通常使用全方向光强分布的标准灯，在某些情况下也会用到正向光强分布的标准灯。
根据搭配的光度测量设备的不同，积分球测量系统分为积分球光度计测量系统和积分球光谱分析系统两类。
前者使用光度探头作为检测器，配合光度计来测量光参数。后者使用光纤采集球壁的光线，并配合光谱仪来测量光度、色度及辐射度等参数。
6. 积分球光度计测量系统的定标和测量
积分球光度计测量系统的比较法测量步骤如下：
- 先将一个光通量为已知值Φs的标准灯放入积分球，读出照度值Es：
Es = Ks • Φs
- 然后用待测光源替代标准灯，读出照度值Ec：
Ec = Kc • Φc
- 由于两次测量的间隔较短，可以认为测量系统的响应常数没有发生变化，即Ks=Kc。将两次的测量值相比较，就可以计算出待测光源的光通量Φc ：
Φc =（Ec / Es） • Φs
使用积分球搭配光度探头的测量系统虽然有简单可靠、工作稳定等优点，但测量颜色不方便，且不适应非连续光谱的测量，目前已较少使用。
7. 积分球光谱分析系统的定标和测量
目前LED灯具光色测量的首选方法是用积分球配合光谱分析仪的测量系统，该系统基于积分球的测量理论，通过测量球面某点的相对光谱功率分布即可计算出主波长、峰值波长、半宽度、红色比、光通量、CCT、CRI、SDCM、Duv、X,Y等光色参数。
使用积分球光谱分析系统的测量步骤如下：
- 把标准灯置于积分球内点亮，读取可见光波段每个波长下的总光谱辐射通量，即标准灯的光谱数据yref（λ）
- 用被测样品替换标准灯并点亮，读取样品灯的光谱数据ytest（λ）
- 因标准灯的光谱辐射通量已经通过校准获得，依据比较法的原则，可知:
Φtest（λ）- 样品灯的光谱辐射通量
Φref（λ）- 标准灯的光谱辐射通量校准值
ytest（λ）- 球内安装样品灯时的光谱读数
yref（λ）- 球内安装标准灯时的光谱读数
8. 样品的安装方法
在实际的测量过程中，应综合考虑不同被测样品的几何尺寸、发光方向等因素来选择安装方式，通常分为2π和4π两种类型。
2π测试即将样品置于积分球的球壁上，让光线从外部进入积分球。这种测量方法不需要考虑自吸效应的影响，但需配置孔径缩减装置来适应不同尺寸的样品，常用于LED封装、模组、筒灯等正向发光样品的测量。
4π测试即将样品置于积分球中央，让光线向四周发射。采用这种测量方法时，样品安装简单，更换样品的时间也较短，但需要考虑自吸效应的影响，常用于LED灯泡、灯管、小型灯具等大角度或全向发光样品的测量。
近年来，还出现了一种半球测试法，即用内截面具镜面反射的半积分球来模拟4π测试。这种积分球通常设计成可旋转方式，样品的安装采用容易操作的2π方式，测量时也不需要考虑自吸效应。半球测试特别适用于大尺寸面板灯、工矿灯等正向发光样品的测量，可获得优秀的测量精度。但由于设备昂贵，且需要配套不同的安装夹具，在实际测量中较少应用。
9. 自吸校正
通常LED照明产品具有光源不可拆分的特性，在积分球内测量时，其灯体或散热部件对光线具有强烈的吸收作用，这种被测样品对自己发射出的光线的吸收效应就称为自吸效应。被测灯的尺寸越大，自吸效应越明显，当被测样品的尺寸与标准灯差异较大时，积分球系统的响应常数会出现明显变化，就可能发生测量误差。
标准灯与被测灯的外形尺寸差异会导致对漫反射光的吸收程度不同，因积分球响应常数发生变化，会导致标定值偏差，产生严重的测量误差。针对LED照明产品的测量，应采用辅助灯泡来消除自吸效应的影响，即在球内点燃一个辅助灯，测量其装入和不装入被测灯时的光输出，计算出被测灯的吸收率，并在软件中加以校正。
在辅助灯前面同样应安装一个挡板，以避免自吸校正时对标准灯或被测光源的直接照射，确保吸收补偿系数不会出现误差。
自吸效应是造成测量误差最主要的原因，在实际测量中，可以采用辅助灯泡来消除这种影响。因为积分球涂层的光谱反射率是不平坦的，所以自吸效应在不同波长上呈现出差异性，因此辅助灯通常选用能发射宽带光谱的全方向光强分布的卤素灯泡。
IES LM-79-08给出的自吸校正系数如下式：
yaux,test (λ)：球内安装辅助灯和样品灯，只点亮辅助灯时的光谱读数
yaux,ref (λ)： 球内安装辅助灯和标准灯，只点亮辅助灯时的光谱读数
Φtest（λ）- 球内安装辅助灯和样品灯，只点亮样品灯时的光谱辐射通量
Φref（λ）- 标准灯的光谱辐射通量校正值
ytest（λ）- 球内安装辅助灯和样品灯，只点亮样品灯时的光谱读数
yref（λ）- 球内安装辅助灯和标准灯，只点亮标准灯时的光谱读数
α（λ）- 自吸系数
辅助灯属于系统内置算法的修正部件，仅用于获取短时间内光通量的相对比值，不承担量值溯源。在正常使用条件下，计算自吸收系数的过程可以覆盖辅助灯失效的风险，因此不需要纳入年度校正计划。
10. 样品的老练
由于LED的光输出在最初1000 h内并不确定，可能会增加或降低，通常变化率低于几个百分点。因此，各国标准均规定在光参数测量前不需要对LED样品进行老练，这一点和传统光源的测试有明显差别。
11. 灯具光效
被测灯的电气特性会极大影响光通量测量值，为了获得可以复现的光度数据，在测量LED灯具的光参数时，应同时测量样品的输入电压、功率因数、谐波失真等参数。灯具光效由下式得到：
Φtest – 输出光通量
P test – 输入功率
