定标用多通道紫外日光模拟仪的研制及其量值溯源方法研究

代彩红， 吴志峰， 王彦飞， 陈斌华2，， 戚小进， 叶 菁

（1.中国计量科学研究院光学研究所，北京 100029； 2.北京理工大学光电学院，北京 100081；3.中国计量科学研究院新能源环境计量研究所，北京 100029）

定标用多通道紫外日光模拟仪的研制及其量值溯源方法研究

代彩红1， 吴志峰1， 王彦飞1， 陈斌华2，1， 戚小进3， 叶 菁3

（1.中国计量科学研究院光学研究所，北京 100029； 2.北京理工大学光电学院，北京 100081；3.中国计量科学研究院新能源环境计量研究所，北京 100029）

研究并建立了定标用多通道紫外日光模拟仪及量值溯源装置。模拟仪的输出光谱分布满足欧洲化妆品盥洗用品及香水协会等组织的技术指标要求。研制了光辐射度定标和测量转接器，有效解决了模拟仪输出光斑小、辐照分布不均匀、光导弯曲易改变光谱分布等测量问题，实现了模拟仪光谱辐射照度和光谱匹配的高准确度测量，以及UVA和UVA＋B积分辐射照度量值的准确溯源。并研制了SPF紫外辐射照度测量仪表，用于UVA和UVA＋B积分辐射照度量值的测量、保存与传递，其量值溯源至光谱辐射照度国家基准装置。

计量学；紫外日光模拟仪；日光防晒指数；光谱辐射照度；紫外辐射照度计。

1 引 言

日光防晒指数人体测定结果是评价防晒化妆品紫外防护性能的重要手段，多通道紫外日光模拟仪被广泛用于化妆品日光防晒指数SPF（Sun Protection Factor）的人体测定。欧洲化妆品盥洗用品及香水协会（COLIPA，The European Cosmetic，Toiletry and Perfumery Association），日本化妆品工业联合会（JCIA，Japan Cosmetic Industry Association），美容化妆品和香味协会（CTFA，Cosmetic Toiletries And Fragrance Association）等组织经探讨，最终形成了SPF测定国际标准方法［1］。该方法对SPF人体测量系统紫外输出的各波段相对累积红斑效应的可接受限度做出了严格的规定。影响SPF测试结果以及志愿者人身安全的2个重要因素是：模拟仪的光谱分布是否满足标准要求、UVA（315～400 nm）和UVA＋B（280～400 nm）辐射照度的测量是否准确可靠。由于模拟仪的输出光斑小、分布不均匀、光导弯曲易改变光谱分布等因素，导致实现UVA和UVA＋B辐射照度的准确测量难度较大。

本文研究了日光防晒指数人体测定的量值溯源方法，研制了多通道紫外日光模拟仪及量值溯源装置。对装置的UVA、UVA＋B波段的光谱辐射照度、累积红斑效应E、通道的UVA相对输出响应、通道的UVA＋B相对输出响应、通道的全波段响应、光谱匹配等各项技术指标进行准确测试，满足国际上COLIPA（SPF）各波段相对累积红斑效应E和JCIA持续色素沉着PPD参数的技术要求。研制的SPF紫外辐射照度计，用于UVA，UVA＋B波段辐射照度量值的测量、保存和传递。

2 定标用多通道紫外日光模拟仪

定标用多通道紫外日光模拟仪组成结构见图1［2］。主要由短弧氙灯光源及供电电源、高压触发器、多通道分配器、UVA和UVA＋B光学滤光器、光学系统转换器、辐射照度调节器、机械控制、功率放大器、积分控制器、六路紫外光导、数据处理控制系统等组成。能够输出光辐射的波长范围为：UVA＋B（280～400 nm）和UVA（320～400 nm）。光辐射的不稳定性1 h小于0.5%。

图1 多通道紫外日光模拟仪的组成结构方框图

3 光谱辐射度量值溯源

实现多通道日光紫外模拟仪的光谱辐射度量值准确溯源受出射辐射的光斑小、光斑分布不均匀、光导弯曲导致光谱分布的改变的影响。

多通道日光模拟仪一般采用液态光导输出光辐射，出射光斑的直径为8mm。在光源的光谱辐射照度测量中，为了得到好的余弦特性，通常采用积分球作为光谱辐射计的入射光学系统，一般积分球入射口的直径大于20 mm，远大于出射光斑的直径，不满足光谱辐射照度和辐射照度的测量定义——入射光斑应均匀地充满光辐射测量系统的接收面。为解决入射光斑小于探测面的问题，必须设计特殊的定标和测量转接器（图2、图3），确保出射光斑均匀地充满测量系统的有效接收口径。

图2 光谱辐射度定标装置

图3 光谱辐射度测量装置

光导的输出光斑均匀度差，是影响光谱辐射度量值准确溯源的另一个因素。光导输出的光斑不一定是圆形，且辐射不均匀，因此COLIPA要求测量系统的有效接收面积应小于入射光斑面积的1／2［1］。当液态光导的直径为10 mm时，辐照光斑的典型直径为8mm，根据式（1）计算光辐射测量系统的最大接收面直径为：

光导的弯曲形状会影响输出辐射的光谱分布。图4是光导在自然垂直状态（1＃）、倾斜6°（2＃）、倾斜30°（3＃）三个不同条件下的相对光谱分布测试结果。为避免光纤弯曲对测量结果的影响，在光导的外面加工一个金属圆柱形外罩，使光导保持垂直状态，确保在量值溯源和传递过程中输出辐射的光谱分布和绝对辐射值不变。

图4 光导的不同弯曲形状对输出光谱的影响

COLIPA对测量光谱辐射照度的仪器的性能指标也有非常严格的要求［1］。选用双光栅光谱辐射计OL756来测量模拟仪的输出光谱辐射照度。波长范围：200～800 nm。采样间隔1 nm；最小测量带宽0.4 nm；杂散辐射水平10－8；波长重复性优于± 0.05 nm；波长准确度优于±0.15 nm。与积分球一起使用，当入射角＜60°时，余弦误差小于±5%。

多通道紫外日光模拟仪的量值溯源原理［3］：首先，用低压汞灯对光谱辐射计OL756的波长进行标定，确保光谱辐射计波长的准确。其次，在光谱辐射计上安装特殊设计的定标转接器，采用1 000 W光谱辐射照度标准灯对加定标转接器的OL756进行250～800 nm光谱辐射照度响应度的定标（图2）。然后，在光谱辐射计上安装特殊设计的测量转接器，分别在UVA和UVA＋B滤光器下测量多通道紫外日光模拟仪在250～800 nm的光谱辐射照度（图3）。计算UVA（320～400 nm）和UVA＋B（280～400 nm）积分辐射照度，将辐射照度量值传递至项目研制的SPF紫外辐射照度计（图5），实现UVA、UV A＋B辐射照度量值的保存和传递。SPF专用探测器的结构与传统紫外辐射照度计不同，在传统探测器的基础上增加了测量转接器，实现探测器和光导的牢固连接以及准确定位，光导的插拔重复性优于0.2%［4，5］。探测器接收面的直径为5.6 mm。

4 光谱辐射度测量结果

图5 SPF紫外辐射照度计的探测器结构

设计专用的UVA和UVA＋B滤光器，使紫外日光模拟仪的输出光谱分布满足COLIPA SPF和JCIA PPD的技术要求。

安装UVA＋B滤光器，根据COLIPA SPF的测试方法，计算各输出通道的相对累积红斑效应.将测量到的紫外日光模拟仪的输出光谱辐射照度与CIE红斑作用光谱相乘，得到光谱红斑效应。将各波段的光谱红斑效应从290 nm分别积分至300 nm，310 nm，320 nm，330 nm，340 nm和350 nm，得到不同波段的累积红斑效应。将各波段的累积红斑效应除以总红斑效应，得到相对累积红斑效应，计算结果见表1。

安装UVA滤光器，计算最小持续色素沉着PPD，计算结果见表2。

测试结果表明：研制的多通道紫外日光模拟仪的输出光谱分布满足COLIPA SPF各波段相对累积红斑效应和JCIA持续色素沉着PPD参数的技术指标要求。输出光谱光滑连续，290 nm以下的辐射所占比例小于0.1%。

5 结 论

研制的定标和量传专用多通道紫外日光模拟仪，输出光谱分布满足COLIPA SPF和JCIA PPD的技术指标要求，实现了多通道紫外日光模拟仪的光辐射度的量值溯源，确保化妆品日光防护指数人体测定结果的准确可靠。装置经过一年的稳定性考核，UVA、UVA＋B积分辐射照度量值复现的最大发散小于0.8%，满足实验要求，能够用于对外开展多通道紫外日光模拟仪和SPF紫外辐射照度计的检测服务。

表1 各通道的相对累积红斑效应μW／cm2

表2 各通道的UVA测量结果mW／cm2

［1］ COLIPA.Guidelines formonitoring UV radiation sources［S］.2007.

［2］ 刘玮，代彩红，田燕，等.紫外辐射的科学基础及应用［M］.北京：人民卫生出版社.2013.

［3］ ASTM.Standard Test Method for Calibration of a Spectroradiometer Using a Standard Source of Irradiance［S］.2003.

［4］ Dai C H，Huang B，Wu Z F，et al.Traceability Methods Comparison of Broadband UV Radiometers［C］／／OIT2011，SPIE，Beijing，China，2011.

［5］ Dai C H，Huang B，Yu J L，et al.Characterization and traceability of Broadband UV Radiometers［C］／／NEWRAD2011，Beijing，China，2011.

The Development and Traceability Method of
a Special Designed Multiport UV Solar Simulator for Calibration

DAICai-hong1， WU Zhi-feng1， WANG Yan-fei1， CHEN Bin-hua1，2， QIXiao-jin3， YE Jing3

（1.Division of Optics，National Institute of Metrology，Beijing 100029；
2.School of Optoelectronics，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081；
3.Division of Energy and EnvironmentalMeasurement，National Institute of Metrology，Beijing 100029）

A multi-channel ultraviolet sunlight simulator and traceability system studied and established.The solar simulators output spectral distribution can satisfy the European cosmetics toiletries and perfumery association and Japan cosmetic industry association technical index requirements.The optical radiation calibration and measurement is developed，effectively solve the analogmeter output intensity is small，uneven distribution of irradiation，opticalmeasurement problem such as bending is easy to change the spectral distribution.The simulation instrument spectral radiant intensity of illumination and spectral matching the high accuracy of measurement，and UVA radiation intensity of illumination and UVA＋B integral accurate traceability of the value are realized.And SPF ultraviolet radiation intensity of illumination measuring instrument is developed，this can be used for UVA radiation intensity of illumination and UVA＋B integral valuemeasurement，preservation and delivery of the national reference unit quantity traceability to the spectral radiant intensity of illumination.

Metrology；UV solar simulator；Sun protection factor；Spectral irradiance；UV radiometer

TB96

A

1000-1158（2014）06-0565-04

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．06．09

2013-08-14；

2013-12-27

国家质量监督检验检疫总局质检公益性行业科研专项（201110004）

代彩红（1974－），女，河南偃师人，中国计量科学研究院研究员，博士，主要从事光谱辐射度计量，紫外辐射，太阳紫外光谱辐射测量，光源的相关色温和分布温度方面的研究。daicaihong＠nim.ac.on