紫外LED輻射通量測量的挑戰與應對

宋 立，李 倩，陳 聰，潘建根

(杭州遠方光電信息股份有限公司，浙江杭州 310051)

引言

近年來隨著半導體技術的不斷發展，UV-LED得到了長足的進步，UV-LED光源正因其獨特優勢逐步取代傳統紫外光源在固化、催化以及殺菌消毒等方面的應用[1-3]。UV-LED的技術進步主要體現在兩方面，一是輻射效率不斷提高，二是波段范圍往深紫外方向發展。然而，與之相背離的是UV-LED測量出現了新的挑戰：同一UV-LED產品在不同實驗室之間測量數據存在偏差，這種偏差嚴重時可以高達100%以上，且偏差沒有規律無法作簡單的校正處理；甚至同一產品在一段時間后測量結果也會發生變化，即測量復現性較差。UV-LED的測量問題導致UV-LED的制造商和用戶無所適從，對產業發展產生了不利影響。為保證產業有序健康發展，亟需解決UV-LED測量的一致性和測量復現性問題。

本文將從UV-LED輻射通量的測量挑戰出發，研究分析應對挑戰的解決之道，提出了測量擴展不確定度U在2.0%(k=2)以內的高置信度實驗室級測量方法，并進一步針對工業應用給出了快速準確的工業級測量解決方案。

1 UV-LED輻射通量測量的挑戰

UV-LED測量偏差大、復現性差的根源在于測量誤差大，以UV-LED輻射通量測量為例，主要的誤差來源于以下幾個方面：

1)紫外量值溯源的先天不足。紫外量值溯源上就存在較大不確定度，目前國內外可供選擇的紫外標準器十分有限。鹵鎢燈在紫外波段的輻射功率遠低于可見和紅外輻射，因此用鹵鎢燈作紫外校準時，后者極易產生雜散輻射給校準和測量帶來較大誤差，且較低的紫外輻射功率也會導致較差的信噪比，從而影響精度。而紫外校準中常用的氘燈光源的穩定性又不如鹵鎢燈。

2)積分球問題。紫外輻射的光子能量很強，一般的積分球涂層在應用于紫外測量時會有一定影響。主要是因為普通涂層對紫外有較大的吸收，且對不同波段吸收程度也不同；另一方面，常見的積分球問題，包括涂層熒光、穩定性等，在紫外測量時會產生的更為顯著的影響，而且波長越短誤差相對也越明顯。因此傳統的積分球難以適應深紫外LED的精確測量，需要使用紫外測量專用積分球以實現精確測量。

3)紫外測量設備良莠不齊。就紫外探頭而言，根據測量波段、峰值波長和功率范圍不同，探頭種類繁多、質量也參差不齊。絕大多數紫外探頭的在紫外波段的響應并不平坦，且響應曲線各異[4]。紫外光譜輻射計測量紫外輻射源的光譜功率分布，能夠避免紫外探頭的失匹配誤差，是實現高精度的UV-LED測量所必須的。但是紫外光譜輻射計的雜散光抑制能力、光譜分辨率(帶寬)、光譜線性等不同，也會產生不一樣的測量結果，為減小測量不確定度，應選用高精度的且長期穩定性良好的測量設備。

2 實驗室級紫外輻通量測量方案

2.1 測量原理

本文采用分布輻射度測量系統來測量UV-LED的輻射通量。如圖1所示，在空間各個角度上測量UV-LED的輻照度，并通過式(1)積分方法計算出總輻射通量，該方法可稱作輻照度積分法測量總輻射通量。

圖1 實驗室級輻射通量測量原理圖Fig.1 The principle of laboratory-level radiant flux measurement

(1)

式中，Φe為被測LED的總輻射通量；r為探測器與被測LED之間的測量距離；ε，η為圖3所示的空間角度；Ee(ε,η)是空間角度為(ε,η)時對應的輻射照度。

在本方案中，Ee(ε,η)由溯源至國家計量研究院(NMI)的紫外輻照度測量單元來實現。

在可見光LED產品的測量中，照度積分法就被作為實現總光通量測量的基準方法應用于多個國家計量機構和眾多國際著名實驗室中。同理，對于紫外輻通量的測量，輻照度積分法可以實現紫外輻照度測量單元直接接收來自被測LED的輻射，避免了中間環節；并且輻照度積分法無需滿足距離平方反比定律的較大測量距離，且對被測輻射源的輻射方向對準沒有嚴格的要求[5]，可以達到很高的總輻射通量測量精度。

2.2 輻照度測量與量值溯源

為精確測量輻照度，實驗室級UV-LED輻通量測量方案采用溯源至NMI的絕對輻射探頭和溯源至NMI的高精度快速光譜輻射計相結合的輻照度測量單元。該絕對輻射探頭在200～450 nm波段的相對光譜響應度曲線如圖2所示。

圖2 輻射度計響應曲線與UV-LED光譜關系Fig.2 The relationship between radiometer response curve and UV-LED spectral

由于LED發射光譜帶寬校大，而絕對輻射度計的響應曲線并非平坦，直接取峰值波長的靈敏度進行測量計算會存在誤差，為了解決這一問題，我們分布輻射度測量系統中采用高精度快速光譜輻射計(HAAS-2000-UV)來測量UV-LED的相關光譜功率分布。圖2所示為一個峰值波長為280 nm、光譜半峰寬為11 nm的UV-LED的光譜功率分布(SPD)曲線，分布輻射度測量系統中的絕對輻射度計在某一方向上對該UV-LED的響應值M(ε,η)為

(2)

式中，M(ε,η)單位為A，k(ε,η)為(ε,η)方向上UV-LED光譜輻照度峰值的輻照度值，單位 W·m-2；S為絕對輻射度計的探測面面積，單位為m2；P(λ,ε,η)為在(ε,η)方向上測得的UV-LED的相對SPD，最大值為1；S(λ)為NMI絕對輻射度計的絕對光譜響應度，單位A·W-1·nm-1。

式(2)中，S(λ)已知，M(ε,η)和P(λ,ε,η)通過測量得到，則通過式(2)可計算得到k(ε,η)，并進一步通過式(3)得到UV-LED在某一方向輻照度值的絕對值Ee(λ,ε,η)。

(3)

系統中的高精度快速光譜輻射計(HAAS-2000-UV)溯源至NMI光譜輻照度標準燈。HAAS-2000-UV的波段范圍為200～440 nm，帶寬為1 nm，具有優于10-4雜散光抑制能力，能夠滿足高精度UV-LED測量的需求。

2.3 測量結果分析

采用分布輻射度測量系統，利用上述的輻照度測量單元與量值溯源方法，我們測量了多個UV-LED的總輻射通量。以280 nm的UV-LED為例，使用本系統測其UV-LED的總輻通量，被測UV-LED采用恒溫控制，具有較高的穩定性和復現性，系統測量280 nm LED輻通量值為9.534 6 mW，擴展不確定度U=1.8(k=2)。不確定度分析如表1所示。

表1 分布輻射度測量系統測量280 nm及365 nmUV-LED的不確定度分析

為了驗證該測量結果，我們從采用另一套量值溯源和測量方法：分布輻射度測量系統中的HAAS-2000-UV型從NMI光譜輻照度標準燈獲得絕對光譜功率分布溯源，直接測量UV-LED在各個方向的絕對輻照度，并根據式(1)計算出總光通量。采用該方法測量同一個280 nm UV-LED所得的總輻射通量為9.538 3 mW，擴展不確定度U=2.0%(k=2)。本方法的擴展不確定度略大，這是因為NMI輻照度標準燈在280 nm附近的絕對光譜輻照度的不確定度相對較大。

兩種量值溯源和測量方法所得的測量結果僅相差了0.02%，該結果充分說明了紫外量值溯源的可靠性以及本紫外實驗室級測量方案的準確性。

分布輻射度測量系統測量典型365 nm峰值波長的UV-LED的不確定分析見表1，由于絕對探測器在365 nm左右的量值不確定度比280 nm附近要小，因此整個測量不確定度還會更低。

該實驗室級測量方案對被測LED峰值波長、光譜帶寬、光束角(輻射半峰角度)的依賴很小，對于240～400 nm的UV-LED均可實現擴展不確定度U<2.0% (k=2)的高精度紫外輻通量測量。

3 工業級測量方案

我們分析了積分球系統對紫外測量帶來的影響誤差，并不是否定了積分球在UV-LED測量領域的應用。積分球系統具有測量快速、效率高的優點[6]，在工業中具有較大的應用優勢，為了解決現有積分球系統測量的問題，本文提出了很好的解決方案。

首先，對于紫外輻通量測量，需要采用紫外專用積分球，即紫外測量專用涂層，以提高紫外波段的反射比及盡量減小熒光等對不利影響。其次，選擇高精度的紫外光譜輻射計作為測量設備(HAAS-2000-UV)。

最重要的是，采用與被測LED類似，且高置信度的校準源對積分球系統進行輻射通量測量校準。圖3為UV-LED標準光源(EVERFINE LCS-200)，該LED標準光源為一個系列，具有多個典型的紫外峰值波長與空間輻射分布，并從上述的分布輻射度測量系統獲取量值，且具備較高的穩定性和復現性。為方便工業應用，在遠方開發的紫外測量專用積分球中專門設置了該UV-LED標準光源的安排接口，使得UV-LED測量前的校準更為便利快捷。

如表2所示，該工業級測量系統可將UV-LED輻通量的測量擴展不確定度U控制在5%以內(k=2)。

表2 積分球測量系統的不確定度分析

圖3 LCS-200 UV-LED標準光源Fig.3 LCS-200 UV-LED standard light source

使用實驗室級測量系統和校準后的工業級測量系統分別測量集中空間輻射角度不同的峰值為280 nm的UV-LED，測量結果見表3，可以發現，通過UV-LED標準光源校準后的積分球系統與基準級測量系統測量結果接近。

表3 不同系統測量的UV-LED輻射通量

4 結論

本文從理論出發，提出實驗室級紫外輻射通量測量解決方案，即使用分布輻射度測量系統。該系統可以將測量UV-LED的紫外輻射通量的擴展不確定度U都控制在2%(k=2)以內。實驗驗證表明，我們提出的UV-LED輻射通量實驗室級測量方案在溯源至兩種不同標準器時，可以實現高度的自洽，確認該方法能夠獲取高精度的UV-LED輻射通量測量精度，從而很好地解決困擾業內良久的紫外輻射通量溯源問題。

此外，為了實現快速測量，本文提出了工業級測量方案。基于對積分球在紫外應用中的的研究，對積分球內部反射層改進和UV-LED校準光源的精確標定，將總測量擴展不確定度U控制在5%(k=2)以內。與實驗室級測量系統進行比較，其測量結果誤差較小。該工業級測量方案可以實現UV-LED的總輻射通量和光譜功率分布的快速測量。