对定标用标准紫外辐射光源性能指标的探讨

尹德金，林方盛

（上海市计量测试技术研究院，上海 201203）

前言

紫外辐射是波长比可见紫色光更短的电磁辐射，波长在10nm～400nm的范围。通常按其性质的不同，又细分为以下几个波段：真空紫外线（Vacuum UV）波长范围10nm～180nm，主要为臭氧产生波段，该波段紫外线在经过大气层时都会被吸收产生臭氧；短波紫外线（UV-C）波长范围180nm～280nm，该波段紫外线可用于医疗防疫，最有代表性的为253.7nm紫外杀菌汞灯；中波紫外线（UV-B）波长范围280nm～315nm，此波段为人类皮肤敏感段，可用于日用化妆品测试、环境条件模拟等；长波紫外线（UV-A）波长范围315nm～420nm，常用于材料加速老化、样品耐久性试验和半导体封装固化等工业领域。随着紫外线在材料老化和耐久性试验领域发挥越来越重要的作用，相应的紫外波段测量设备（如紫外能量计、紫外辐照计、老化试验设备校准仪等）也得到了广泛应用。

1 老化试验紫外辐射源的特点及对定标的影响

1.1 老化试验紫外辐射源的特点

目前在材料试验领域广泛应用紫外老化试验机，其辐射源其辐射半宽通常在50nm左右，在紫外波段峰值波长有313nm、340nm、351nm或365nm等几类（如图1所示）。

图1 两种典型的紫外老化试验用光源相对光谱分布

该类设备的辐射强度控制通常通过系统附带的紫外辐射强度检测仪表进行监测，许多设备还具有反馈控制功能，可以动态对试验机的辐射强度进行控制。因此，该类紫外辐射检测仪表的准确定标，是实验数据准确可靠的前提。目前该类仪表的标定均采取比较法，以标准紫外辐照计或能量计作为标准器，将待标定设备和标准器在相同紫外辐射照射条件下进行比较测量。

1.2 标准紫外辐射源的稳定性对定标的影响

由于技术原因，目前常用的提供检测所需输入信号的标准紫外辐射源如：紫外线灯管、低压汞灯、高压汞灯等，其辐射输出的强度、均匀性、稳定性等，都对测量结果具有非常大的影响。然而该类标准光源往往使用频繁，加之其本身也有老化曲线，实验用标准辐射源的短期和长期稳定性往往不尽如人意（如图2）。

如图2数据所示，将试验对象开机预热达到稳定工作状态后，该光源仅在10分钟的监测时间内，其输出强度最高值在18.8mW/cm2，最低值在18.4mW/cm2，变化量就达到了2%，而通常一台老化试验监测用紫外检测仪表的标定用时往往远超出10分钟，而这期间光源本身的变化量是测量误差的一个重要来源。

1.3 标准紫外辐射源的均匀性对定标的影响

标准紫外辐射光源的面均匀性等也存在差异和变化，图3即为一张2π空间辐射的紫外辐射源光斑的照片。从照片中可以肉眼观测到，光斑中心较四周更加明亮。

图2 一种紫外辐射源稳定性数据

对图3光斑使用图像分析软件进行分析，可以从侧面反映出辐射源发光的稳定性，分析结果如图4。从中可以看到，光斑中心区域强度明显高于周围区域，因此如果紫外辐照仪表的探测器面积大小不一，标定过程必然会受到光斑辐射强度不均匀性的影响，带来显著测量误差。

而目前市面上常见的紫外辐照仪表的探测器直径从0.5毫米到几十毫米不等，我们同时使用标准紫外辐射照度计对光斑在20mm直径内的均匀性进行了直接测量，并对测量结果进行了分析，测量数据和分析结果如图5。

图3 一台紫外辐射源的光斑照片

图4 对图3 中紫外辐射源光斑分析数据

图5 本实验室紫外辐射源均匀性数据及分析结果

在光斑中心直径20mm范围内，均匀性为±5.5%。从图5中可以看到，光斑呈现明显的高斯型。采用高斯函数：

对测量结果进行拟合，得到拟合结果如表1。

2 对改进紫外辐射标准光源性能指标的探讨

通过以上分析，可以看到目前所用的标准紫外辐射源在均匀性和稳定性上，都存在改进的空间。由于该类光源同时还需要满足发光强度、光谱匹配等技术要求，单独从工艺入手来提高其稳定性和均匀性等指标是非常困难的。那么有没有办法通过其他途径来提高这两项指标呢？在可见光波段所采用的一些技术方案可以提供一些借鉴。

随着近年来新型光电器件如CCD、CMOS、IRFPA等在光电成像、探测领域的大量应用[1]，用于定标该类设备的标准辐射源的稳定性、均匀性对于定标系统至关重要。在这类测试应用中，往往采用积分球提供一个均匀的辐照照明。在某些情况下，这类测试可以根据积分球理论在积分球开口处评价辐射照明的强度和均匀性。

积分球作为一个均匀漫射扩散光源用于辐射度量和测试已有几十年历史，过去的研究充分讨论了不同几何条件和不同遮挡条件对积分球内壁照度均匀性的影响[2]。而在积分球开口处进行的光学测试则表明理论计算给出的球面照度分布与实际测量结果也具有很好的一致性。积分球辐射源是一种非常优异的定标光源, 其输出的辐射面均匀性和稳定性是普通光源无法比拟的（见图6）。

表1 对本实验室紫外辐射源均匀性数据拟合结果

图6 积分球辐射源原理示意图

积分球理论[3]的基本要点是：如果一个光源放在一内壁均匀漫反射的空心球内，则球表面任何部分的辐照度相同，并正比于光源辐射的总通量：

其中F为求内总光通量，r为球半径，ρ为球壁反射率，E为反射引起的球壁辐照度。

在(2)式的推导中，假设了球为完整球，即无开口、球内无任何物体的空心球，这在实际中是不可能的。为此，考虑到这一影响修正后，在球内光源不直接照射球壁单一开口的条件下，该开口处的辐照度为[4]：

其中f是所有开口面积与球面积之比，E是出口处的辐照度。(3)式表明，参数ρ、f一定时，只要在球内引入辐射源，在球开口处即可得到适当强度的漫辐射，用作仪器的定标[5]。

基于上述理论，我们自主设计了一套应用于紫外波段测量的积分球光源系统，整套系统设计如图7。

该系统可以监测辐射源的稳定性，同时还可以通过运算对光源自身的波段进行补偿。在积分球上安装UV波段探测器进行监测, 用于记录定标过程中UV点光源输入强度波动引起的辐射度变化，通过对积分球内辐射强度进行实时记录，按照公式：

图7 积分球辐射源设计图

计算辐射稳定性。每次测量时，对实时监测的光源辐射强度相对平均值进行归一化，可以对测试过程中辐射源的稳定性进行评价，也可以修正辐射源稳定性带来的影响。同时，根据积分球理论的计算结果，在出光口处可以形成均匀的照明体，从而改善标准紫外辐射源光斑的均匀性。目前，紫外波段高反射率涂层技术已经非常成熟，该方案的关键在于选取合适直径的积分球，从而在出光口辐射强度和均匀性指标上取得最优。

3 结论

老化试验机配套检测设备的定标直接影响到试验结果的准确性和可靠性，本文通过实验对用于定标该类设备的紫外辐射源的稳定性和均匀性进行了研究。在同时需满足发光强度及光谱匹配等条件下，从工艺上提高该类标准紫外辐射源的性能指标是非常困难的，本文探讨了一种参照可见光波段光源的做法，充分利用了积分球结构，设计了一套优化紫外辐射源性能指标的可行性方案。

[1]K. Shiokawa, Integrating-sphere calibration of all-sky cameras for nightglow measurements, SPIE, 2000: 1025-1028.

[2]周胜利. 积分球在实验室内用于空间遥感器的辐射定标[J].航天返回与遥感,1998,19（1）：29-34.

[3]I.W.T.Walsh;”Photometry”, (London, Constable and Co.,1958),258.

[4]D.G.Goebel; Appl.Opt.,1967, 6, No.4(Jan), 125～128.

[5]金中海等,紫外至近红外积分球辐射定标系统[J].光学学报,1989 Vol. 9 No. 6, 556-560.

[6]徐秋云等,外部导入激光的积分球辐射源的研制[J].光学精密工程，2009 Vol.17，738-744.