紫外LED輻射通量測量的挑戰(zhàn)與應(yīng)對

宋 立，李 倩，陳 聰，潘建根

(杭州遠(yuǎn)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(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，UV-LED得到了長足的進(jìn)步，UV-LED光源正因其獨(dú)特優(yōu)勢逐步取代傳統(tǒng)紫外光源在固化、催化以及殺菌消毒等方面的應(yīng)用[1-3]。UV-LED的技術(shù)進(jìn)步主要體現(xiàn)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(fā)展。然而，與之相背離的是UV-LED測量出現(xiàn)了新的挑戰(zhàn)：同一UV-LED產(chǎn)品在不同實(shí)驗(yàn)室之間測量數(shù)據(jù)存在偏差，這種偏差嚴(yán)重時可以高達(dá)100%以上，且偏差沒有規(guī)律無法作簡單的校正處理；甚至同一產(chǎn)品在一段時間后測量結(jié)果也會發(fā)生變化，即測量復(fù)現(xiàn)性較差。UV-LED的測量問題導(dǎo)致UV-LED的制造商和用戶無所適從，對產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了不利影響。為保證產(chǎn)業(yè)有序健康發(fā)展，亟需解決UV-LED測量的一致性和測量復(fù)現(xiàn)性問題。

本文將從UV-LED輻射通量的測量挑戰(zhàn)出發(fā)，研究分析應(yīng)對挑戰(zhàn)的解決之道，提出了測量擴(kuò)展不確定度U在2.0%(k=2)以內(nèi)的高置信度實(shí)驗(yàn)室級測量方法，并進(jìn)一步針對工業(yè)應(yīng)用給出了快速準(zhǔn)確的工業(yè)級測量解決方案。

1 UV-LED輻射通量測量的挑戰(zhàn)

UV-LED測量偏差大、復(fù)現(xiàn)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(nèi)外可供選擇的紫外標(biāo)準(zhǔn)器十分有限。鹵鎢燈在紫外波段的輻射功率遠(yuǎn)低于可見和紅外輻射，因此用鹵鎢燈作紫外校準(zhǔn)時，后者極易產(chǎn)生雜散輻射給校準(zhǔn)和測量帶來較大誤差，且較低的紫外輻射功率也會導(dǎo)致較差的信噪比，從而影響精度。而紫外校準(zhǔn)中常用的氘燈光源的穩(wěn)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(qiáng)，一般的積分球涂層在應(yīng)用于紫外測量時會有一定影響。主要是因?yàn)槠胀ㄍ繉訉ψ贤庥休^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(wěn)定性等，在紫外測量時會產(chǎn)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(tǒng)的積分球難以適應(yīng)深紫外LED的精確測量，需要使用紫外測量專用積分球以實(shí)現(xiàn)精確測量。

3)紫外測量設(shè)備良莠不齊。就紫外探頭而言，根據(jù)測量波段、峰值波長和功率范圍不同，探頭種類繁多、質(zhì)量也參差不齊。絕大多數(shù)紫外探頭的在紫外波段的響應(yīng)并不平坦，且響應(yīng)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(shí)現(xiàn)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(chǎn)生不一樣的測量結(jié)果，為減小測量不確定度，應(yīng)選用高精度的且長期穩(wěn)定性良好的測量設(shè)備。

2 實(shí)驗(yàn)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(tǒng)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(shí)驗(yàn)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(yīng)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(shí)現(xiàn)。

在可見光LED產(chǎn)品的測量中，照度積分法就被作為實(shí)現(xiàn)總光通量測量的基準(zhǔn)方法應(yīng)用于多個國家計量機(jī)構(gòu)和眾多國際著名實(shí)驗(yàn)室中。同理，對于紫外輻通量的測量，輻照度積分法可以實(shí)現(xiàn)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(huán)節(jié)；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?qū)?zhǔn)沒有嚴(yán)格的要求[5]，可以達(dá)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(shí)驗(yàn)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(jié)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(yīng)度曲線如圖2所示。

圖2 輻射度計響應(yīng)曲線與UV-LED光譜關(guān)系Fig.2 The relationship between radiometer response curve and UV-LED spectral

由于LED發(fā)射光譜帶寬校大，而絕對輻射度計的響應(yīng)曲線并非平坦，直接取峰值波長的靈敏度進(jìn)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(tǒng)中采用高精度快速光譜輻射計(HAAS-2000-UV)來測量UV-LED的相關(guān)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(tǒng)中的絕對輻射度計在某一方向上對該UV-LED的響應(yīng)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(yīng)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(jìn)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(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)燈。HAAS-2000-UV的波段范圍為200～440 nm，帶寬為1 nm，具有優(yōu)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(jié)果分析

采用分布輻射度測量系統(tǒng)，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(tǒng)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(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性，系統(tǒng)測量280 nm LED輻通量值為9.534 6 mW，擴(kuò)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(tǒng)測量280 nm及365 nmUV-LED的不確定度分析

為了驗(yàn)證該測量結(jié)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(tǒng)中的HAAS-2000-UV型從NMI光譜輻照度標(biāo)準(zhǔn)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(jù)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(kuò)展不確定度U=2.0%(k=2)。本方法的擴(kuò)展不確定度略大，這是因?yàn)镹MI輻照度標(biāo)準(zhǔn)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(jié)果僅相差了0.02%，該結(jié)果充分說明了紫外量值溯源的可靠性以及本紫外實(shí)驗(yàn)室級測量方案的準(zhǔn)確性。

分布輻射度測量系統(tǒng)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(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)擴(kuò)展不確定度U<2.0% (k=2)的高精度紫外輻通量測量。

3 工業(yè)級測量方案

我們分析了積分球系統(tǒng)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(lǐng)域的應(yīng)用。積分球系統(tǒng)具有測量快速、效率高的優(yōu)點(diǎn)[6]，在工業(yè)中具有較大的應(yīng)用優(yōu)勢，為了解決現(xiàn)有積分球系統(tǒng)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(shè)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(zhǔn)源對積分球系統(tǒng)進(jìn)行輻射通量測量校準(zhǔn)。圖3為UV-LED標(biāo)準(zhǔn)光源(EVERFINE LCS-200)，該LED標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)獲取量值，且具備較高的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性。為方便工業(yè)應(yīng)用，在遠(yuǎn)方開發(fā)的紫外測量專用積分球中專門設(shè)置了該UV-LED標(biāo)準(zhǔn)光源的安排接口，使得UV-LED測量前的校準(zhǔn)更為便利快捷。

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

表2 積分球測量系統(tǒng)的不確定度分析

圖3 LCS-200 UV-LED標(biāo)準(zhǔn)光源Fig.3 LCS-200 UV-LED standard light source

使用實(shí)驗(yàn)室級測量系統(tǒng)和校準(zhǔn)后的工業(yè)級測量系統(tǒng)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(jié)果見表3，可以發(fā)現(xiàn)，通過UV-LED標(biāo)準(zhǔn)光源校準(zhǔn)后的積分球系統(tǒng)與基準(zhǔn)級測量系統(tǒng)測量結(jié)果接近。

表3 不同系統(tǒng)測量的UV-LED輻射通量

4 結(jié)論

本文從理論出發(fā)，提出實(shí)驗(yàn)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(tǒng)。該系統(tǒng)可以將測量UV-LED的紫外輻射通量的擴(kuò)展不確定度U都控制在2%(k=2)以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，我們提出的UV-LED輻射通量實(shí)驗(yàn)室級測量方案在溯源至兩種不同標(biāo)準(zhǔn)器時，可以實(shí)現(xiàn)高度的自洽，確認(rèn)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(yè)內(nèi)良久的紫外輻射通量溯源問題。

此外，為了實(shí)現(xiàn)快速測量，本文提出了工業(yè)級測量方案?；趯Ψe分球在紫外應(yīng)用中的的研究，對積分球內(nèi)部反射層改進(jìn)和UV-LED校準(zhǔn)光源的精確標(biāo)定，將總測量擴(kuò)展不確定度U控制在5%(k=2)以內(nèi)。與實(shí)驗(yàn)室級測量系統(tǒng)進(jìn)行比較，其測量結(jié)果誤差較小。該工業(yè)級測量方案可以實(shí)現(xiàn)UV-LED的總輻射通量和光譜功率分布的快速測量。