UVLED光辐射测量关键技术及解决方案
摘要：随着紫外LED技术的发展，LED光源正逐步取代传统紫外光源在固化领域的应用。然而，紫外LED测量却存在极大挑战，不同制造商以及实验室的紫外辐射测量值可能存在很大偏差，严重影响了整个行业的良性有序发展。业界亟需一致性、可复现的测量。本文深入分析了目前紫外LED测量误差大原因。并提出了高精度辐照度测量方案，且其测量扩展不确定度U控制在2%（k=2）以内。此外本文还提出可广泛应用于工业实验室的辐射通量测量应用方案，其测量扩展不确定度U控制在5%（k=2）以内，可以快速、准确地获取紫外LED的总辐射通量和光谱功率分布。针对工业现场的测量，本文也给出了相应的解决方案。
1.引言
紫外固化一直保持着稳健增长，由于其快速固化和无需加热烘烤等高效节能的特点，非常适用于流水线作业，其市场的发展以每年25%以上的速度递增[1]。
近年来，UVLED得到了很大的发展，辐射效率得到了很大的提高。但是，UVLED的测量存在一些问题，不同实验室的偏差可能达到50%甚至更高，偏差不规律，不易纠正。UVLED的测量问题给制造商和用户带来了麻烦，影响了产品的开发。
2 紫外测量的挑战
紫外测量的挑战来自于紫外辐照度计的局限性、紫外校准标准源和积分球的缺陷。
2.1 紫外辐照度计的局限性
紫外辐照度计广泛应用于紫外辐照度测量和积分球辐射通量测量。紫外辐照度计的关键部件是紫外探测器。根据测量波段、峰值波长和功率范围的不同，紫外探测器有很多种。传统上，紫外探测器只对特定部分的紫外辐射有响应，如254nm, 365nm，它适用于非常有限的辐射源。
UVLED的光谱辐射功率分布不同于传统原子发光的汞灯线谱，相比而言LED的辐射带宽要大得多，而传统窄波段紫外探头的响应波段单一，不能完全覆盖UVLED光源的辐射波段。
图1 四种UVA探头的辐照度光谱响应曲线
紫外探头的光谱灵敏度曲线往往相差较大，当测量线谱光源时可能误差不大，但在带宽较大的光源测量时则会存在较大误差；如图1所示为4种UVA探头的光谱灵敏度曲线[2]。显然，这些探头的响应带宽、平坦度等都各不相同，在实际应用中其测量结果也相差较大。
2.2 紫外校准标准源
紫外量值溯源传统上就存在较大不确定度。此外，可供选择的紫外标准器十分有限，而且不确定度很高。根据JJG 879-2015紫外辐射照度计检定规[3]，最高等级即标准级的设备，与标准表的相对示值误差就高达±6%，而且这是在同一紫外辐射源时。若在不同实验室，使用不同紫外标准辐射源进行溯源时，其误差将会更大，如图2所示。
图2 不同UVA探测器的光谱响应率及不同的紫外标准器光谱
传统溯源所使用的卤钨灯在紫外波段的能量相对较低，设备溯源时有效信号过低，而导致信噪比较小。且卤钨灯在可见和红外波段辐射丰富，导致系统存在大量杂散光，影响溯源不确定度。而紫外校准中常用的氘灯光源的稳定性远不如卤钨灯，并不适用于传递绝对量值。
2.3辐射通量测量中的积分球问题
积分球用于辐射通量测量。由于紫外辐射的光子能量很强，会产生荧光，影响测量以及积分球的稳定性。此外，积分球的空间性对短波紫外光的影响远大于长波可见光，波长越短，误差影响越明显。因此，传统的积分球不能用于UVLED的精确测量。
另一方面，紫外LED往往具有较强的方向性，并且各种紫外LED的空间辐射分布各不相同。如图3所示是两种典型UVLED空间辐射分布图。在积分球紫外测量中，由被测辐射源与标准源的空间分布不一致引起的误差要远比常规可见光测量大。
图3 两种典型UVLED的空间辐射分布。(a)UVLED波长365 nm；(b)UVLED波长280 nm
3 紫外辐照度高精度测量方案
3.1 紫外测量波段
如上所述，由于LED的带宽比汞灯宽，而且LED的峰值波长不是固定的，传统的窄带紫外线辐射计，如UV-365、UV-310等，已不适用。为了实现高精度的紫外辐照度测量，应使用宽带探测器或光谱仪。
紫外光谱的传统测量波段为200-400nm，然随着紫外光源的发展以及UVLED的应用，紫外光源的辐射上限已经不再局限于400nm，特别是对于UVA波段LED光源，其辐射光谱极可能延伸至可见光波段，在检测紫外辐射时必须考虑到这一点。另一方面，从200nm- 240nm的深度紫外波段在工业上的应用很少，而且发射的辐射源也很少，因此在大多数情况下不需要测量这样的紫外波段。因此，我们建议紫外测量波段为240-240nm。
3.2 宽带紫外探测器和紫外光谱辐射计
紫外辐射测量可以通过宽带紫外探测器或紫外光谱辐射计来实现。前者需要有一个平坦的光谱响应率，以便高精度地测量各种辐射源。然而，在紫外波段匹配平坦的光谱响应曲线非常困难，存在较大的失配误差，尤其是标定源与被测源的光谱功率分布差异较大时。
光谱辐射计测量辐射源的光谱功率分布，不存在失配误差，因此通常比宽带紫外探测器具有更高的精度。另一个好处是，当辐射源与光引发剂一起工作时，如果已知其光谱功率分布，则可以更好地分析效率。
3.3 紫外光谱辐射计的主要技术指标
（1）光谱响应带宽
与可见光波段的光源相比，紫外光源的辐射带宽要小的多，为确保紫外波段光谱测量的精度和光谱分辨率，测量设备在紫外波段的响应带宽应远小于光源的带宽。
（2）杂散光
杂散光控制对于紫外光谱的准确测量非常重要，特别是当测量光谱中还含有可见光成分时，杂散光的控制就更为关键，否则会严重高估光源的紫外辐射剂量；尤其是在实验室测量中，必须对杂散光进行处理并将其控制在较低水平。
3.4 紫外校准与溯源
如上文所述，使用标准的紫外线辐照度计进行校正，在测量UVLED时可能会带来较大不确定度。因此，我们需要一个更高水平的校准标准，如光谱辐照度标准灯或可溯源至国家计量院(NMI)的绝对探测器
3.5高精度紫外线辐射测量解决方案
由上分析可知，由于杂散光抑制能力、光谱分辨率（带宽）、光谱线性等不同，都会产生不一样的测量结果，为减小测量不确定，应选用符合要求的高精度光谱测量设备。本文测量方案选用高精度快速光谱仪（三昆HAAS-2000）来实现光谱辐照度测量。除了高精度的紫外光谱仪外，还需要可靠的溯源为光谱仪进行校准。本文选用溯源至NMI的光谱辐照度标准灯作为溯源标准器。表1是相应的测量不确定度分析。
表1 光谱辐照度计测量365nm紫外LED的不确定度分析
通过测量不确定度分析，我们可以发现溯源至NIST光谱辐照度标准灯的高精度光谱仪辐照度测量系统可以将测量扩展不确定度U控制在2%（k=2）以内，实现高精度的辐照度测量。
4. 便携式紫外光谱仪测量
近两年来，随着紫外应用的延伸和测量技术的发展，便携式紫外光谱测量技术也得到了实质性的进展，其研究重点主要包含两方面：一方面，要满足上述波长和带宽的要求。另一方面，便携式紫外光谱辐射计具有体积小、速度快等优点。图4为现场测量应用的典型便携式紫外光谱仪，它可以高精度地实现在240nm-440nm范围内的光谱辐照度测量，并可以综合分析紫外辐照度、有效紫外辐照度、紫外辐射危害效率等物理量。便携式设计，使现场测量更加灵活。
图4 典型的现场用便携式紫外光谱仪
在工业应用中，被测对象主要是纯紫外辐射源，对杂散辐射的控制要求不高，但通过特殊的技术和校正算法可以提高便携式紫外光谱仪的性能。便携式紫外分光辐射度计可用高精度分光辐射度计校准。此外，当测量类似的紫外线辐射源时，该仪器可作为校正宽带紫外探测器的工作参考。
5. 工业实验室辐射通量测量方案
在第2小结中我们分析了积分球系统对紫外测量带来的影响误差，并不是否定了积分球在紫外LED测量领域的应用。积分球系统具有测量快速、效率高的优点，在工业中具有较大的应用优势，为了解决现有积分球系统测量的问题，本文也提出了较好的解决方案。
图5 LCS-200紫外LED标准光源
首先，需要为紫外线制备一个特殊的积分球，即需要特殊的涂层来提高紫外波段的反射率，消除不利因素以确保稳定性，如荧光。其次，需要高置信度校准源对辐射通量测量进行校准，以克服光谱分布和空间辐射分布不一致的问题。对此需要一系列可溯源至NMI的UVLED标准光源(图5)来校准积分球系统。该系列包含典型峰值波长的UVLED标准，如365nm、280nm;具有典型的辐射光束角，如30°、60°、120°。UVLED标准光源的量值由紫外分布辐射度计配合绝对探测器和光谱辐照度计进行校准。UVLED标准灯的辐射通量的扩展不确定度可以控制在2%以内(k=2)。
采用UVLED标准灯作为参考标准灯，可以消除积分球引起的误差，实现快速、准确的测量。使用具有UV测量专用涂层的积分球测量系统和高精度分光辐射计(三昆HAAS-2000)，以及UV- LED标准灯，各种UVLED辐射通量的测量扩展不确定度可控制在5% (k=2)以内。
6. 结论
UVLED测量存在的问题主要包括三个方面：紫外辐照度计的局限性、溯源问题和传统积分球缺陷。本文提出了一种高精度UVLED辐照度测量方案，该方案具有较高可追溯性，扩展测量不确定度控制在2%以内(k=2)。此外，本文还提出了一种快速、准确地获取紫外辐照度、有效紫外辐照度、紫外辐射危害系数等综合参数的紫外现场测量方案。最后，进一步研究了紫外测量中的积分球问题。通过改进涂层涂覆工艺，利用LED标准源的精确标定，可以快速准确地得到UVLED的总辐射通量和光谱功率分布，测量扩展不确定度在5% (k=2)以内。
参考文献：
[1] Muramoto Y, Kimura M, Nouda S. Development and future of ultraviolet light-emitting diodes UVLED will replace UV lamp. Summer Topicals Meeting Series. 2014.
[2] Eppeldauer GP, Larason, TC. Calibration Procedure For UV365 Integrated Irradiancemeasurements. Proceedings of 28th CIE Session 2015
[3]JJG 879-2015紫外辐射照度计检定规程
