紫外LED辐射通量测量的挑战与应对

宋 立，李 倩，陈 聪，潘建根

(杭州远方光电信息股份有限公司，浙江杭州 310051)

引言

近年来随着半导体技术的不断发展，UV-LED得到了长足的进步，UV-LED光源正因其独特优势逐步取代传统紫外光源在固化、催化以及杀菌消毒等方面的应用[1-3]。UV-LED的技术进步主要体现在两方面，一是辐射效率不断提高，二是波段范围往深紫外方向发展。然而，与之相背离的是UV-LED测量出现了新的挑战：同一UV-LED产品在不同实验室之间测量数据存在偏差，这种偏差严重时可以高达100%以上，且偏差没有规律无法作简单的校正处理；甚至同一产品在一段时间后测量结果也会发生变化，即测量复现性较差。UV-LED的测量问题导致UV-LED的制造商和用户无所适从，对产业发展产生了不利影响。为保证产业有序健康发展，亟需解决UV-LED测量的一致性和测量复现性问题。

本文将从UV-LED辐射通量的测量挑战出发，研究分析应对挑战的解决之道，提出了测量扩展不确定度U在2.0%(k=2)以内的高置信度实验室级测量方法，并进一步针对工业应用给出了快速准确的工业级测量解决方案。

1 UV-LED辐射通量测量的挑战

UV-LED测量偏差大、复现性差的根源在于测量误差大，以UV-LED辐射通量测量为例，主要的误差来源于以下几个方面：

1)紫外量值溯源的先天不足。紫外量值溯源上就存在较大不确定度，目前国内外可供选择的紫外标准器十分有限。卤钨灯在紫外波段的辐射功率远低于可见和红外辐射，因此用卤钨灯作紫外校准时，后者极易产生杂散辐射给校准和测量带来较大误差，且较低的紫外辐射功率也会导致较差的信噪比，从而影响精度。而紫外校准中常用的氘灯光源的稳定性又不如卤钨灯。

2)积分球问题。紫外辐射的光子能量很强，一般的积分球涂层在应用于紫外测量时会有一定影响。主要是因为普通涂层对紫外有较大的吸收，且对不同波段吸收程度也不同；另一方面，常见的积分球问题，包括涂层荧光、稳定性等，在紫外测量时会产生的更为显著的影响，而且波长越短误差相对也越明显。因此传统的积分球难以适应深紫外LED的精确测量，需要使用紫外测量专用积分球以实现精确测量。

3)紫外测量设备良莠不齐。就紫外探头而言，根据测量波段、峰值波长和功率范围不同，探头种类繁多、质量也参差不齐。绝大多数紫外探头的在紫外波段的响应并不平坦，且响应曲线各异[4]。紫外光谱辐射计测量紫外辐射源的光谱功率分布，能够避免紫外探头的失匹配误差，是实现高精度的UV-LED测量所必须的。但是紫外光谱辐射计的杂散光抑制能力、光谱分辨率(带宽)、光谱线性等不同，也会产生不一样的测量结果，为减小测量不确定度，应选用高精度的且长期稳定性良好的测量设备。

2 实验室级紫外辐通量测量方案

2.1 测量原理

本文采用分布辐射度测量系统来测量UV-LED的辐射通量。如图1所示，在空间各个角度上测量UV-LED的辐照度，并通过式(1)积分方法计算出总辐射通量，该方法可称作辐照度积分法测量总辐射通量。

图1 实验室级辐射通量测量原理图Fig.1 The principle of laboratory-level radiant flux measurement

(1)

式中，Φe为被测LED的总辐射通量；r为探测器与被测LED之间的测量距离；ε，η为图3所示的空间角度；Ee(ε,η)是空间角度为(ε,η)时对应的辐射照度。

在本方案中，Ee(ε,η)由溯源至国家计量研究院(NMI)的紫外辐照度测量单元来实现。

在可见光LED产品的测量中，照度积分法就被作为实现总光通量测量的基准方法应用于多个国家计量机构和众多国际著名实验室中。同理，对于紫外辐通量的测量，辐照度积分法可以实现紫外辐照度测量单元直接接收来自被测LED的辐射，避免了中间环节；并且辐照度积分法无需满足距离平方反比定律的较大测量距离，且对被测辐射源的辐射方向对准没有严格的要求[5]，可以达到很高的总辐射通量测量精度。

2.2 辐照度测量与量值溯源

为精确测量辐照度，实验室级UV-LED辐通量测量方案采用溯源至NMI的绝对辐射探头和溯源至NMI的高精度快速光谱辐射计相结合的辐照度测量单元。该绝对辐射探头在200～450 nm波段的相对光谱响应度曲线如图2所示。

图2 辐射度计响应曲线与UV-LED光谱关系Fig.2 The relationship between radiometer response curve and UV-LED spectral

由于LED发射光谱带宽校大，而绝对辐射度计的响应曲线并非平坦，直接取峰值波长的灵敏度进行测量计算会存在误差，为了解决这一问题，我们分布辐射度测量系统中采用高精度快速光谱辐射计(HAAS-2000-UV)来测量UV-LED的相关光谱功率分布。图2所示为一个峰值波长为280 nm、光谱半峰宽为11 nm的UV-LED的光谱功率分布(SPD)曲线，分布辐射度测量系统中的绝对辐射度计在某一方向上对该UV-LED的响应值M(ε,η)为

(2)

式中，M(ε,η)单位为A，k(ε,η)为(ε,η)方向上UV-LED光谱辐照度峰值的辐照度值，单位 W·m-2；S为绝对辐射度计的探测面面积，单位为m2；P(λ,ε,η)为在(ε,η)方向上测得的UV-LED的相对SPD，最大值为1；S(λ)为NMI绝对辐射度计的绝对光谱响应度，单位A·W-1·nm-1。

式(2)中，S(λ)已知，M(ε,η)和P(λ,ε,η)通过测量得到，则通过式(2)可计算得到k(ε,η)，并进一步通过式(3)得到UV-LED在某一方向辐照度值的绝对值Ee(λ,ε,η)。

(3)

系统中的高精度快速光谱辐射计(HAAS-2000-UV)溯源至NMI光谱辐照度标准灯。HAAS-2000-UV的波段范围为200～440 nm，带宽为1 nm，具有优于10-4杂散光抑制能力，能够满足高精度UV-LED测量的需求。

2.3 测量结果分析

采用分布辐射度测量系统，利用上述的辐照度测量单元与量值溯源方法，我们测量了多个UV-LED的总辐射通量。以280 nm的UV-LED为例，使用本系统测其UV-LED的总辐通量，被测UV-LED采用恒温控制，具有较高的稳定性和复现性，系统测量280 nm LED辐通量值为9.534 6 mW，扩展不确定度U=1.8(k=2)。不确定度分析如表1所示。

表1 分布辐射度测量系统测量280 nm及365 nmUV-LED的不确定度分析

为了验证该测量结果，我们从采用另一套量值溯源和测量方法：分布辐射度测量系统中的HAAS-2000-UV型从NMI光谱辐照度标准灯获得绝对光谱功率分布溯源，直接测量UV-LED在各个方向的绝对辐照度，并根据式(1)计算出总光通量。采用该方法测量同一个280 nm UV-LED所得的总辐射通量为9.538 3 mW，扩展不确定度U=2.0%(k=2)。本方法的扩展不确定度略大，这是因为NMI辐照度标准灯在280 nm附近的绝对光谱辐照度的不确定度相对较大。

两种量值溯源和测量方法所得的测量结果仅相差了0.02%，该结果充分说明了紫外量值溯源的可靠性以及本紫外实验室级测量方案的准确性。

分布辐射度测量系统测量典型365 nm峰值波长的UV-LED的不确定分析见表1，由于绝对探测器在365 nm左右的量值不确定度比280 nm附近要小，因此整个测量不确定度还会更低。

该实验室级测量方案对被测LED峰值波长、光谱带宽、光束角(辐射半峰角度)的依赖很小，对于240～400 nm的UV-LED均可实现扩展不确定度U<2.0% (k=2)的高精度紫外辐通量测量。

3 工业级测量方案

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UV-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[6]，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，本文提出了很好的解决方案。

首先，对于紫外辐通量测量，需要采用紫外专用积分球，即紫外测量专用涂层，以提高紫外波段的反射比及尽量减小荧光等对不利影响。其次，选择高精度的紫外光谱辐射计作为测量设备(HAAS-2000-UV)。

最重要的是，采用与被测LED类似，且高置信度的校准源对积分球系统进行辐射通量测量校准。图3为UV-LED标准光源(EVERFINE LCS-200)，该LED标准光源为一个系列，具有多个典型的紫外峰值波长与空间辐射分布，并从上述的分布辐射度测量系统获取量值，且具备较高的稳定性和复现性。为方便工业应用，在远方开发的紫外测量专用积分球中专门设置了该UV-LED标准光源的安排接口，使得UV-LED测量前的校准更为便利快捷。

如表2所示，该工业级测量系统可将UV-LED辐通量的测量扩展不确定度U控制在5%以内(k=2)。

表2 积分球测量系统的不确定度分析

图3 LCS-200 UV-LED标准光源Fig.3 LCS-200 UV-LED standard light source

使用实验室级测量系统和校准后的工业级测量系统分别测量集中空间辐射角度不同的峰值为280 nm的UV-LED，测量结果见表3，可以发现，通过UV-LED标准光源校准后的积分球系统与基准级测量系统测量结果接近。

表3 不同系统测量的UV-LED辐射通量

4 结论

本文从理论出发，提出实验室级紫外辐射通量测量解决方案，即使用分布辐射度测量系统。该系统可以将测量UV-LED的紫外辐射通量的扩展不确定度U都控制在2%(k=2)以内。实验验证表明，我们提出的UV-LED辐射通量实验室级测量方案在溯源至两种不同标准器时，可以实现高度的自洽，确认该方法能够获取高精度的UV-LED辐射通量测量精度，从而很好地解决困扰业内良久的紫外辐射通量溯源问题。

此外，为了实现快速测量，本文提出了工业级测量方案。基于对积分球在紫外应用中的的研究，对积分球内部反射层改进和UV-LED校准光源的精确标定，将总测量扩展不确定度U控制在5%(k=2)以内。与实验室级测量系统进行比较，其测量结果误差较小。该工业级测量方案可以实现UV-LED的总辐射通量和光谱功率分布的快速测量。