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(lái)隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，UV-LED得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步，UV-LED光源正因其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)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(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)存在偏差，這種偏差嚴(yán)重時(shí)可以高達(dá)100%以上，且偏差沒(méi)有規(guī)律無(wú)法作簡(jiǎn)單的校正處理；甚至同一產(chǎn)品在一段時(shí)間后測(cè)量結(jié)果也會(huì)發(fā)生變化，即測(cè)量復(fù)現(xiàn)性較差。UV-LED的測(cè)量問(wèn)題導(dǎo)致UV-LED的制造商和用戶(hù)無(wú)所適從，對(duì)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(cè)量的一致性和測(cè)量復(fù)現(xiàn)性問(wèn)題。

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

1 UV-LED輻射通量測(cè)量的挑戰(zhàn)

UV-LED測(cè)量偏差大、復(fù)現(xiàn)性差的根源在于測(cè)量誤差大，以UV-LED輻射通量測(cè)量為例，主要的誤差來(lái)源于以下幾個(gè)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(guó)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(jiàn)和紅外輻射，因此用鹵鎢燈作紫外校準(zhǔn)時(shí)，后者極易產(chǎn)生雜散輻射給校準(zhǔn)和測(cè)量帶來(lái)較大誤差，且較低的紫外輻射功率也會(huì)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(wèn)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(cè)量時(shí)會(huì)有一定影響。主要是因?yàn)槠胀ㄍ繉訉?duì)紫外有較大的吸收，且對(duì)不同波段吸收程度也不同；另一方面，常見(jiàn)的積分球問(wèn)題，包括涂層熒光、穩(wěn)定性等，在紫外測(cè)量時(shí)會(huì)產(chǎn)生的更為顯著的影響，而且波長(zhǎng)越短誤差相對(duì)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(cè)量，需要使用紫外測(cè)量專(zhuān)用積分球以實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。

3)紫外測(cè)量設(shè)備良莠不齊。就紫外探頭而言，根據(jù)測(cè)量波段、峰值波長(zhǎng)和功率范圍不同，探頭種類(lèi)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(xiàn)各異[4]。紫外光譜輻射計(jì)測(cè)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(cè)量所必須的。但是紫外光譜輻射計(jì)的雜散光抑制能力、光譜分辨率(帶寬)、光譜線(xiàn)性等不同，也會(huì)產(chǎn)生不一樣的測(cè)量結(jié)果，為減小測(cè)量不確定度，應(yīng)選用高精度的且長(zhǎng)期穩(wěn)定性良好的測(cè)量設(shè)備。

2 實(shí)驗(yàn)室級(jí)紫外輻通量測(cè)量方案

2.1 測(cè)量原理

本文采用分布輻射度測(cè)量系統(tǒng)來(lái)測(cè)量UV-LED的輻射通量。如圖1所示，在空間各個(gè)角度上測(cè)量UV-LED的輻照度，并通過(guò)式(1)積分方法計(jì)算出總輻射通量，該方法可稱(chēng)作輻照度積分法測(cè)量總輻射通量。

圖1 實(shí)驗(yàn)室級(jí)輻射通量測(cè)量原理圖Fig.1 The principle of laboratory-level radiant flux measurement

(1)

式中，Φe為被測(cè)LED的總輻射通量；r為探測(cè)器與被測(cè)LED之間的測(cè)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(shí)對(duì)應(yīng)的輻射照度。

在本方案中，Ee(ε,η)由溯源至國(guó)家計(jì)量研究院(NMI)的紫外輻照度測(cè)量單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在可見(jiàn)光LED產(chǎn)品的測(cè)量中，照度積分法就被作為實(shí)現(xiàn)總光通量測(cè)量的基準(zhǔn)方法應(yīng)用于多個(gè)國(guó)家計(jì)量機(jī)構(gòu)和眾多國(guó)際著名實(shí)驗(yàn)室中。同理，對(duì)于紫外輻通量的測(cè)量，輻照度積分法可以實(shí)現(xiàn)紫外輻照度測(cè)量單元直接接收來(lái)自被測(cè)LED的輻射，避免了中間環(huán)節(jié)；并且輻照度積分法無(wú)需滿(mǎn)足距離平方反比定律的較大測(cè)量距離，且對(duì)被測(cè)輻射源的輻射方向?qū)?zhǔn)沒(méi)有嚴(yán)格的要求[5]，可以達(dá)到很高的總輻射通量測(cè)量精度。

2.2 輻照度測(cè)量與量值溯源

為精確測(cè)量輻照度，實(shí)驗(yàn)室級(jí)UV-LED輻通量測(cè)量方案采用溯源至NMI的絕對(duì)輻射探頭和溯源至NMI的高精度快速光譜輻射計(jì)相結(jié)合的輻照度測(cè)量單元。該絕對(duì)輻射探頭在200～450 nm波段的相對(duì)光譜響應(yīng)度曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 輻射度計(jì)響應(yīng)曲線(xiàn)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(duì)輻射度計(jì)的響應(yīng)曲線(xiàn)并非平坦，直接取峰值波長(zhǎng)的靈敏度進(jìn)行測(cè)量計(jì)算會(huì)存在誤差，為了解決這一問(wèn)題，我們分布輻射度測(cè)量系統(tǒng)中采用高精度快速光譜輻射計(jì)(HAAS-2000-UV)來(lái)測(cè)量UV-LED的相關(guān)光譜功率分布。圖2所示為一個(gè)峰值波長(zhǎng)為280 nm、光譜半峰寬為11 nm的UV-LED的光譜功率分布(SPD)曲線(xiàn)，分布輻射度測(cè)量系統(tǒng)中的絕對(duì)輻射度計(jì)在某一方向上對(duì)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(duì)輻射度計(jì)的探測(cè)面面積，單位為m2；P(λ,ε,η)為在(ε,η)方向上測(cè)得的UV-LED的相對(duì)SPD，最大值為1；S(λ)為NMI絕對(duì)輻射度計(jì)的絕對(duì)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(guò)測(cè)量得到，則通過(guò)式(2)可計(jì)算得到k(ε,η)，并進(jìn)一步通過(guò)式(3)得到UV-LED在某一方向輻照度值的絕對(duì)值Ee(λ,ε,η)。

(3)

系統(tǒng)中的高精度快速光譜輻射計(jì)(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(mǎn)足高精度UV-LED測(cè)量的需求。

2.3 測(cè)量結(jié)果分析

采用分布輻射度測(cè)量系統(tǒng)，利用上述的輻照度測(cè)量單元與量值溯源方法，我們測(cè)量了多個(gè)UV-LED的總輻射通量。以280 nm的UV-LED為例，使用本系統(tǒng)測(cè)其UV-LED的總輻通量，被測(cè)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(cè)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(cè)量系統(tǒng)測(cè)量280 nm及365 nmUV-LED的不確定度分析

為了驗(yàn)證該測(cè)量結(jié)果，我們從采用另一套量值溯源和測(cè)量方法：分布輻射度測(cè)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(duì)光譜功率分布溯源，直接測(cè)量UV-LED在各個(gè)方向的絕對(duì)輻照度，并根據(jù)式(1)計(jì)算出總光通量。采用該方法測(cè)量同一個(gè)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(duì)光譜輻照度的不確定度相對(duì)較大。

兩種量值溯源和測(cè)量方法所得的測(cè)量結(jié)果僅相差了0.02%，該結(jié)果充分說(shuō)明了紫外量值溯源的可靠性以及本紫外實(shí)驗(yàn)室級(jí)測(cè)量方案的準(zhǔn)確性。

分布輻射度測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量典型365 nm峰值波長(zhǎng)的UV-LED的不確定分析見(jiàn)表1，由于絕對(duì)探測(cè)器在365 nm左右的量值不確定度比280 nm附近要小，因此整個(gè)測(cè)量不確定度還會(huì)更低。

該實(shí)驗(yàn)室級(jí)測(cè)量方案對(duì)被測(cè)LED峰值波長(zhǎng)、光譜帶寬、光束角(輻射半峰角度)的依賴(lài)很小，對(duì)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(cè)量。

3 工業(yè)級(jí)測(cè)量方案

我們分析了積分球系統(tǒng)對(duì)紫外測(cè)量帶來(lái)的影響誤差，并不是否定了積分球在UV-LED測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用。積分球系統(tǒng)具有測(cè)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(shì)，為了解決現(xiàn)有積分球系統(tǒng)測(cè)量的問(wèn)題，本文提出了很好的解決方案。

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

最重要的是，采用與被測(cè)LED類(lèi)似，且高置信度的校準(zhǔn)源對(duì)積分球系統(tǒng)進(jìn)行輻射通量測(cè)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(gè)系列，具有多個(gè)典型的紫外峰值波長(zhǎng)與空間輻射分布，并從上述的分布輻射度測(cè)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(kāi)發(fā)的紫外測(cè)量專(zhuān)用積分球中專(zhuān)門(mén)設(shè)置了該UV-LED標(biāo)準(zhǔn)光源的安排接口，使得UV-LED測(cè)量前的校準(zhǔn)更為便利快捷。

如表2所示，該工業(yè)級(jí)測(cè)量系統(tǒng)可將UV-LED輻通量的測(cè)量擴(kuò)展不確定度U控制在5%以?xún)?nèi)(k=2)。

表2 積分球測(cè)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(jí)測(cè)量系統(tǒng)和校準(zhǔn)后的工業(yè)級(jí)測(cè)量系統(tǒng)分別測(cè)量集中空間輻射角度不同的峰值為280 nm的UV-LED，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3，可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)UV-LED標(biāo)準(zhǔn)光源校準(zhǔn)后的積分球系統(tǒng)與基準(zhǔn)級(jí)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果接近。

表3 不同系統(tǒng)測(cè)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(jí)紫外輻射通量測(cè)量解決方案，即使用分布輻射度測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以將測(cè)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?xún)?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(jí)測(cè)量方案在溯源至兩種不同標(biāo)準(zhǔn)器時(shí)，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(cè)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(wèn)題。

此外，為了實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量，本文提出了工業(yè)級(jí)測(cè)量方案?；趯?duì)積分球在紫外應(yīng)用中的的研究，對(duì)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(cè)量擴(kuò)展不確定度U控制在5%(k=2)以?xún)?nèi)。與實(shí)驗(yàn)室級(jí)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行比較，其測(cè)量結(jié)果誤差較小。該工業(yè)級(jí)測(cè)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(cè)量。