定標(biāo)用多通道紫外日光模擬儀的研制及其量值溯源方法研究

代彩紅， 吳志峰， 王彥飛， 陳斌華2，， 戚小進(jìn)， 葉 菁

（1.中國計(jì)量科學(xué)研究院光學(xué)研究所，北京 100029； 2.北京理工大學(xué)光電學(xué)院，北京 100081；3.中國計(jì)量科學(xué)研究院新能源環(huán)境計(jì)量研究所，北京 100029）

定標(biāo)用多通道紫外日光模擬儀的研制及其量值溯源方法研究

代彩紅1， 吳志峰1， 王彥飛1， 陳斌華2，1， 戚小進(jìn)3， 葉 菁3

（1.中國計(jì)量科學(xué)研究院光學(xué)研究所，北京 100029； 2.北京理工大學(xué)光電學(xué)院，北京 100081；3.中國計(jì)量科學(xué)研究院新能源環(huán)境計(jì)量研究所，北京 100029）

研究并建立了定標(biāo)用多通道紫外日光模擬儀及量值溯源裝置。模擬儀的輸出光譜分布滿足歐洲化妝品盥洗用品及香水協(xié)會(huì)等組織的技術(shù)指標(biāo)要求。研制了光輻射度定標(biāo)和測量轉(zhuǎn)接器，有效解決了模擬儀輸出光斑小、輻照分布不均勻、光導(dǎo)彎曲易改變光譜分布等測量問題，實(shí)現(xiàn)了模擬儀光譜輻射照度和光譜匹配的高準(zhǔn)確度測量，以及UVA和UVA＋B積分輻射照度量值的準(zhǔn)確溯源。并研制了SPF紫外輻射照度測量儀表，用于UVA和UVA＋B積分輻射照度量值的測量、保存與傳遞，其量值溯源至光譜輻射照度國家基準(zhǔn)裝置。

計(jì)量學(xué)；紫外日光模擬儀；日光防曬指數(shù)；光譜輻射照度；紫外輻射照度計(jì)。

1 引 言

日光防曬指數(shù)人體測定結(jié)果是評(píng)價(jià)防曬化妝品紫外防護(hù)性能的重要手段，多通道紫外日光模擬儀被廣泛用于化妝品日光防曬指數(shù)SPF（Sun Protection Factor）的人體測定。歐洲化妝品盥洗用品及香水協(xié)會(huì)（COLIPA，The European Cosmetic，Toiletry and Perfumery Association），日本化妝品工業(yè)聯(lián)合會(huì)（JCIA，Japan Cosmetic Industry Association），美容化妝品和香味協(xié)會(huì)（CTFA，Cosmetic Toiletries And Fragrance Association）等組織經(jīng)探討，最終形成了SPF測定國際標(biāo)準(zhǔn)方法［1］。該方法對(duì)SPF人體測量系統(tǒng)紫外輸出的各波段相對(duì)累積紅斑效應(yīng)的可接受限度做出了嚴(yán)格的規(guī)定。影響SPF測試結(jié)果以及志愿者人身安全的2個(gè)重要因素是：模擬儀的光譜分布是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求、UVA（315～400 nm）和UVA＋B（280～400 nm）輻射照度的測量是否準(zhǔn)確可靠。由于模擬儀的輸出光斑小、分布不均勻、光導(dǎo)彎曲易改變光譜分布等因素，導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)UVA和UVA＋B輻射照度的準(zhǔn)確測量難度較大。

本文研究了日光防曬指數(shù)人體測定的量值溯源方法，研制了多通道紫外日光模擬儀及量值溯源裝置。對(duì)裝置的UVA、UVA＋B波段的光譜輻射照度、累積紅斑效應(yīng)E、通道的UVA相對(duì)輸出響應(yīng)、通道的UVA＋B相對(duì)輸出響應(yīng)、通道的全波段響應(yīng)、光譜匹配等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確測試，滿足國際上COLIPA（SPF）各波段相對(duì)累積紅斑效應(yīng)E和JCIA持續(xù)色素沉著PPD參數(shù)的技術(shù)要求。研制的SPF紫外輻射照度計(jì)，用于UVA，UVA＋B波段輻射照度量值的測量、保存和傳遞。

2 定標(biāo)用多通道紫外日光模擬儀

定標(biāo)用多通道紫外日光模擬儀組成結(jié)構(gòu)見圖1［2］。主要由短弧氙燈光源及供電電源、高壓觸發(fā)器、多通道分配器、UVA和UVA＋B光學(xué)濾光器、光學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器、輻射照度調(diào)節(jié)器、機(jī)械控制、功率放大器、積分控制器、六路紫外光導(dǎo)、數(shù)據(jù)處理控制系統(tǒng)等組成。能夠輸出光輻射的波長范圍為：UVA＋B（280～400 nm）和UVA（320～400 nm）。光輻射的不穩(wěn)定性1 h小于0.5%。

圖1 多通道紫外日光模擬儀的組成結(jié)構(gòu)方框圖

3 光譜輻射度量值溯源

實(shí)現(xiàn)多通道日光紫外模擬儀的光譜輻射度量值準(zhǔn)確溯源受出射輻射的光斑小、光斑分布不均勻、光導(dǎo)彎曲導(dǎo)致光譜分布的改變的影響。

多通道日光模擬儀一般采用液態(tài)光導(dǎo)輸出光輻射，出射光斑的直徑為8mm。在光源的光譜輻射照度測量中，為了得到好的余弦特性，通常采用積分球作為光譜輻射計(jì)的入射光學(xué)系統(tǒng)，一般積分球入射口的直徑大于20 mm，遠(yuǎn)大于出射光斑的直徑，不滿足光譜輻射照度和輻射照度的測量定義——入射光斑應(yīng)均勻地充滿光輻射測量系統(tǒng)的接收面。為解決入射光斑小于探測面的問題，必須設(shè)計(jì)特殊的定標(biāo)和測量轉(zhuǎn)接器（圖2、圖3），確保出射光斑均勻地充滿測量系統(tǒng)的有效接收口徑。

圖2 光譜輻射度定標(biāo)裝置

圖3 光譜輻射度測量裝置

光導(dǎo)的輸出光斑均勻度差，是影響光譜輻射度量值準(zhǔn)確溯源的另一個(gè)因素。光導(dǎo)輸出的光斑不一定是圓形，且輻射不均勻，因此COLIPA要求測量系統(tǒng)的有效接收面積應(yīng)小于入射光斑面積的1／2［1］。當(dāng)液態(tài)光導(dǎo)的直徑為10 mm時(shí)，輻照光斑的典型直徑為8mm，根據(jù)式（1）計(jì)算光輻射測量系統(tǒng)的最大接收面直徑為：

光導(dǎo)的彎曲形狀會(huì)影響輸出輻射的光譜分布。圖4是光導(dǎo)在自然垂直狀態(tài)（1＃）、傾斜6°（2＃）、傾斜30°（3＃）三個(gè)不同條件下的相對(duì)光譜分布測試結(jié)果。為避免光纖彎曲對(duì)測量結(jié)果的影響，在光導(dǎo)的外面加工一個(gè)金屬圓柱形外罩，使光導(dǎo)保持垂直狀態(tài)，確保在量值溯源和傳遞過程中輸出輻射的光譜分布和絕對(duì)輻射值不變。

圖4 光導(dǎo)的不同彎曲形狀對(duì)輸出光譜的影響

COLIPA對(duì)測量光譜輻射照度的儀器的性能指標(biāo)也有非常嚴(yán)格的要求［1］。選用雙光柵光譜輻射計(jì)OL756來測量模擬儀的輸出光譜輻射照度。波長范圍：200～800 nm。采樣間隔1 nm；最小測量帶寬0.4 nm；雜散輻射水平10－8；波長重復(fù)性優(yōu)于± 0.05 nm；波長準(zhǔn)確度優(yōu)于±0.15 nm。與積分球一起使用，當(dāng)入射角＜60°時(shí)，余弦誤差小于±5%。

多通道紫外日光模擬儀的量值溯源原理［3］：首先，用低壓汞燈對(duì)光譜輻射計(jì)OL756的波長進(jìn)行標(biāo)定，確保光譜輻射計(jì)波長的準(zhǔn)確。其次，在光譜輻射計(jì)上安裝特殊設(shè)計(jì)的定標(biāo)轉(zhuǎn)接器，采用1 000 W光譜輻射照度標(biāo)準(zhǔn)燈對(duì)加定標(biāo)轉(zhuǎn)接器的OL756進(jìn)行250～800 nm光譜輻射照度響應(yīng)度的定標(biāo)（圖2）。然后，在光譜輻射計(jì)上安裝特殊設(shè)計(jì)的測量轉(zhuǎn)接器，分別在UVA和UVA＋B濾光器下測量多通道紫外日光模擬儀在250～800 nm的光譜輻射照度（圖3）。計(jì)算UVA（320～400 nm）和UVA＋B（280～400 nm）積分輻射照度，將輻射照度量值傳遞至項(xiàng)目研制的SPF紫外輻射照度計(jì)（圖5），實(shí)現(xiàn)UVA、UV A＋B輻射照度量值的保存和傳遞。SPF專用探測器的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)紫外輻射照度計(jì)不同，在傳統(tǒng)探測器的基礎(chǔ)上增加了測量轉(zhuǎn)接器，實(shí)現(xiàn)探測器和光導(dǎo)的牢固連接以及準(zhǔn)確定位，光導(dǎo)的插拔重復(fù)性優(yōu)于0.2%［4，5］。探測器接收面的直徑為5.6 mm。

4 光譜輻射度測量結(jié)果

圖5 SPF紫外輻射照度計(jì)的探測器結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)專用的UVA和UVA＋B濾光器，使紫外日光模擬儀的輸出光譜分布滿足COLIPA SPF和JCIA PPD的技術(shù)要求。

安裝UVA＋B濾光器，根據(jù)COLIPA SPF的測試方法，計(jì)算各輸出通道的相對(duì)累積紅斑效應(yīng).將測量到的紫外日光模擬儀的輸出光譜輻射照度與CIE紅斑作用光譜相乘，得到光譜紅斑效應(yīng)。將各波段的光譜紅斑效應(yīng)從290 nm分別積分至300 nm，310 nm，320 nm，330 nm，340 nm和350 nm，得到不同波段的累積紅斑效應(yīng)。將各波段的累積紅斑效應(yīng)除以總紅斑效應(yīng)，得到相對(duì)累積紅斑效應(yīng)，計(jì)算結(jié)果見表1。

安裝UVA濾光器，計(jì)算最小持續(xù)色素沉著PPD，計(jì)算結(jié)果見表2。

測試結(jié)果表明：研制的多通道紫外日光模擬儀的輸出光譜分布滿足COLIPA SPF各波段相對(duì)累積紅斑效應(yīng)和JCIA持續(xù)色素沉著PPD參數(shù)的技術(shù)指標(biāo)要求。輸出光譜光滑連續(xù)，290 nm以下的輻射所占比例小于0.1%。

5 結(jié) 論

研制的定標(biāo)和量傳專用多通道紫外日光模擬儀，輸出光譜分布滿足COLIPA SPF和JCIA PPD的技術(shù)指標(biāo)要求，實(shí)現(xiàn)了多通道紫外日光模擬儀的光輻射度的量值溯源，確?；瘖y品日光防護(hù)指數(shù)人體測定結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。裝置經(jīng)過一年的穩(wěn)定性考核，UVA、UVA＋B積分輻射照度量值復(fù)現(xiàn)的最大發(fā)散小于0.8%，滿足實(shí)驗(yàn)要求，能夠用于對(duì)外開展多通道紫外日光模擬儀和SPF紫外輻射照度計(jì)的檢測服務(wù)。

表1 各通道的相對(duì)累積紅斑效應(yīng)μW／cm2

表2 各通道的UVA測量結(jié)果mW／cm2

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

［2］ 劉瑋，代彩紅，田燕，等.紫外輻射的科學(xué)基礎(chǔ)及應(yīng)用［M］.北京：人民衛(wèi)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

國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201110004）

代彩紅（1974－），女，河南偃師人，中國計(jì)量科學(xué)研究院研究員，博士，主要從事光譜輻射度計(jì)量，紫外輻射，太陽紫外光譜輻射測量，光源的相關(guān)色溫和分布溫度方面的研究。daicaihong＠nim.ac.on