對定標用標準紫外輻射光源性能指標的探討

尹德金，林方盛

（上海市計量測試技術研究院，上海 201203）

前言

紫外輻射是波長比可見紫色光更短的電磁輻射，波長在10nm～400nm的范圍。通常按其性質(zhì)的不同，又細分為以下幾個波段：真空紫外線（Vacuum UV）波長范圍10nm～180nm，主要為臭氧產(chǎn)生波段，該波段紫外線在經(jīng)過大氣層時都會被吸收產(chǎn)生臭氧；短波紫外線（UV-C）波長范圍180nm～280nm，該波段紫外線可用于醫(yī)療防疫，最有代表性的為253.7nm紫外殺菌汞燈；中波紫外線（UV-B）波長范圍280nm～315nm，此波段為人類皮膚敏感段，可用于日用化妝品測試、環(huán)境條件模擬等；長波紫外線（UV-A）波長范圍315nm～420nm，常用于材料加速老化、樣品耐久性試驗和半導體封裝固化等工業(yè)領域。隨著紫外線在材料老化和耐久性試驗領域發(fā)揮越來越重要的作用，相應的紫外波段測量設備（如紫外能量計、紫外輻照計、老化試驗設備校準儀等）也得到了廣泛應用。

1 老化試驗紫外輻射源的特點及對定標的影響

1.1 老化試驗紫外輻射源的特點

目前在材料試驗領域廣泛應用紫外老化試驗機，其輻射源其輻射半寬通常在50nm左右，在紫外波段峰值波長有313nm、340nm、351nm或365nm等幾類（如圖1所示）。

圖1 兩種典型的紫外老化試驗用光源相對光譜分布

該類設備的輻射強度控制通常通過系統(tǒng)附帶的紫外輻射強度檢測儀表進行監(jiān)測，許多設備還具有反饋控制功能，可以動態(tài)對試驗機的輻射強度進行控制。因此，該類紫外輻射檢測儀表的準確定標，是實驗數(shù)據(jù)準確可靠的前提。目前該類儀表的標定均采取比較法，以標準紫外輻照計或能量計作為標準器，將待標定設備和標準器在相同紫外輻射照射條件下進行比較測量。

1.2 標準紫外輻射源的穩(wěn)定性對定標的影響

由于技術原因，目前常用的提供檢測所需輸入信號的標準紫外輻射源如：紫外線燈管、低壓汞燈、高壓汞燈等，其輻射輸出的強度、均勻性、穩(wěn)定性等，都對測量結果具有非常大的影響。然而該類標準光源往往使用頻繁，加之其本身也有老化曲線，實驗用標準輻射源的短期和長期穩(wěn)定性往往不盡如人意（如圖2）。

如圖2數(shù)據(jù)所示，將試驗對象開機預熱達到穩(wěn)定工作狀態(tài)后，該光源僅在10分鐘的監(jiān)測時間內(nèi)，其輸出強度最高值在18.8mW/cm2，最低值在18.4mW/cm2，變化量就達到了2%，而通常一臺老化試驗監(jiān)測用紫外檢測儀表的標定用時往往遠超出10分鐘，而這期間光源本身的變化量是測量誤差的一個重要來源。

1.3 標準紫外輻射源的均勻性對定標的影響

標準紫外輻射光源的面均勻性等也存在差異和變化，圖3即為一張2π空間輻射的紫外輻射源光斑的照片。從照片中可以肉眼觀測到，光斑中心較四周更加明亮。

圖2 一種紫外輻射源穩(wěn)定性數(shù)據(jù)

對圖3光斑使用圖像分析軟件進行分析，可以從側面反映出輻射源發(fā)光的穩(wěn)定性，分析結果如圖4。從中可以看到，光斑中心區(qū)域強度明顯高于周圍區(qū)域，因此如果紫外輻照儀表的探測器面積大小不一，標定過程必然會受到光斑輻射強度不均勻性的影響，帶來顯著測量誤差。

而目前市面上常見的紫外輻照儀表的探測器直徑從0.5毫米到幾十毫米不等，我們同時使用標準紫外輻射照度計對光斑在20mm直徑內(nèi)的均勻性進行了直接測量，并對測量結果進行了分析，測量數(shù)據(jù)和分析結果如圖5。

圖3 一臺紫外輻射源的光斑照片

圖4 對圖3 中紫外輻射源光斑分析數(shù)據(jù)

圖5 本實驗室紫外輻射源均勻性數(shù)據(jù)及分析結果

在光斑中心直徑20mm范圍內(nèi)，均勻性為±5.5%。從圖5中可以看到，光斑呈現(xiàn)明顯的高斯型。采用高斯函數(shù)：

對測量結果進行擬合，得到擬合結果如表1。

2 對改進紫外輻射標準光源性能指標的探討

通過以上分析，可以看到目前所用的標準紫外輻射源在均勻性和穩(wěn)定性上，都存在改進的空間。由于該類光源同時還需要滿足發(fā)光強度、光譜匹配等技術要求，單獨從工藝入手來提高其穩(wěn)定性和均勻性等指標是非常困難的。那么有沒有辦法通過其他途徑來提高這兩項指標呢？在可見光波段所采用的一些技術方案可以提供一些借鑒。

隨著近年來新型光電器件如CCD、CMOS、IRFPA等在光電成像、探測領域的大量應用[1]，用于定標該類設備的標準輻射源的穩(wěn)定性、均勻性對于定標系統(tǒng)至關重要。在這類測試應用中，往往采用積分球提供一個均勻的輻照照明。在某些情況下，這類測試可以根據(jù)積分球理論在積分球開口處評價輻射照明的強度和均勻性。

積分球作為一個均勻漫射擴散光源用于輻射度量和測試已有幾十年歷史，過去的研究充分討論了不同幾何條件和不同遮擋條件對積分球內(nèi)壁照度均勻性的影響[2]。而在積分球開口處進行的光學測試則表明理論計算給出的球面照度分布與實際測量結果也具有很好的一致性。積分球輻射源是一種非常優(yōu)異的定標光源, 其輸出的輻射面均勻性和穩(wěn)定性是普通光源無法比擬的（見圖6）。

表1 對本實驗室紫外輻射源均勻性數(shù)據(jù)擬合結果

圖6 積分球輻射源原理示意圖

積分球理論[3]的基本要點是：如果一個光源放在一內(nèi)壁均勻漫反射的空心球內(nèi)，則球表面任何部分的輻照度相同，并正比于光源輻射的總通量：

其中F為求內(nèi)總光通量，r為球半徑，ρ為球壁反射率，E為反射引起的球壁輻照度。

在(2)式的推導中，假設了球為完整球，即無開口、球內(nèi)無任何物體的空心球，這在實際中是不可能的。為此，考慮到這一影響修正后，在球內(nèi)光源不直接照射球壁單一開口的條件下，該開口處的輻照度為[4]：

其中f是所有開口面積與球面積之比，E是出口處的輻照度。(3)式表明，參數(shù)ρ、f一定時，只要在球內(nèi)引入輻射源，在球開口處即可得到適當強度的漫輻射，用作儀器的定標[5]。

基于上述理論，我們自主設計了一套應用于紫外波段測量的積分球光源系統(tǒng)，整套系統(tǒng)設計如圖7。

該系統(tǒng)可以監(jiān)測輻射源的穩(wěn)定性，同時還可以通過運算對光源自身的波段進行補償。在積分球上安裝UV波段探測器進行監(jiān)測, 用于記錄定標過程中UV點光源輸入強度波動引起的輻射度變化，通過對積分球內(nèi)輻射強度進行實時記錄，按照公式：

圖7 積分球輻射源設計圖

計算輻射穩(wěn)定性。每次測量時，對實時監(jiān)測的光源輻射強度相對平均值進行歸一化，可以對測試過程中輻射源的穩(wěn)定性進行評價，也可以修正輻射源穩(wěn)定性帶來的影響。同時，根據(jù)積分球理論的計算結果，在出光口處可以形成均勻的照明體，從而改善標準紫外輻射源光斑的均勻性。目前，紫外波段高反射率涂層技術已經(jīng)非常成熟，該方案的關鍵在于選取合適直徑的積分球，從而在出光口輻射強度和均勻性指標上取得最優(yōu)。

3 結論

老化試驗機配套檢測設備的定標直接影響到試驗結果的準確性和可靠性，本文通過實驗對用于定標該類設備的紫外輻射源的穩(wěn)定性和均勻性進行了研究。在同時需滿足發(fā)光強度及光譜匹配等條件下，從工藝上提高該類標準紫外輻射源的性能指標是非常困難的，本文探討了一種參照可見光波段光源的做法，充分利用了積分球結構，設計了一套優(yōu)化紫外輻射源性能指標的可行性方案。

[1]K. Shiokawa, Integrating-sphere calibration of all-sky cameras for nightglow measurements, SPIE, 2000: 1025-1028.

[2]周勝利. 積分球在實驗室內(nèi)用于空間遙感器的輻射定標[J].航天返回與遙感,1998,19（1）：29-34.

[3]I.W.T.Walsh;”Photometry”, (London, Constable and Co.,1958),258.

[4]D.G.Goebel; Appl.Opt.,1967, 6, No.4(Jan), 125～128.

[5]金中海等,紫外至近紅外積分球輻射定標系統(tǒng)[J].光學學報,1989 Vol. 9 No. 6, 556-560.

[6]徐秋云等,外部導入激光的積分球輻射源的研制[J].光學精密工程，2009 Vol.17，738-744.