Spektrální neshoda u UV senzorů

Spektrální neshoda je rozdíl mezi skutečnou spektrální citlivostí UV senzoru a ideální, obdélníkovou váhovou funkcí. Vyskytuje se u každého filtrovaného senzoru, protože optické filtry nemají ideální propustná a nepropustná pásma. V důsledku toho senzor kalibrovaný na jednu konkrétní lampu bude systematicky vykazovat odchylné hodnoty u zdroje s odlišným spektrem.

Na rozdíl od luxmetrů jsou UV senzory navrženy pro různá spektra a různé spektrální rozsahy. Aby bylo zajištěno, že UV senzor má požadovanou spektrální citlivost, používají se pro úpravu spektrální citlivosti optické filtry specifické pro daného výrobce.

Následující obrázek znázorňuje strukturu UV senzoru nebo radiometru, který se typicky používá k měření ultrafialového záření. Senzor se skládá z několika optických filtrů a fotodiody. Ostatní elektrické součásti, zesílení a analogově-digitální převod zde nejsou zobrazeny.

V ideálním případě odpovídá křivka citlivosti konstantní, obdélníkové váhové funkci. V praxi se však vyskytují odchylky - tzv. spektrální neshoda. Ta popisuje rozdíl mezi skutečnou citlivostí senzoru a ideální váhovou funkcí. 

Důvody jsou typické pro všechny filtrované UV senzory, protože použité optické filtry nemají ideální mezní a propustné rozsahy nebo "nekonečně" ostré hrany filtru. Fotodiody také vykazují typickou spektrální citlivost. 

Vliv spektrální citlivosti

Spektrální citlivost je charakteristickou vlastností každého UV senzoru. Zatímco senzory stejného typu vykazují podobné charakteristiky, různé senzory – podle výrobce, typu a spektrálního rozsahu – se navzájem výrazně liší.
Naměřená hodnota UV senzoru silně závisí na emisním spektru světelného zdroje. Senzor kalibrovaný na určitý zdroj (např. rtuťovou výbojku nebo UV LED) může u jiného zdroje vykazovat značné odchylky.
 

Důsledkem spektrální neshody je nejistota měření závislá na zdroji. Pokud je například senzor kalibrován širokopásmovou lampou, ale používán s úzkopásmovou UV LED, může se zobrazovaná hodnota od skutečné účinné hodnoty odchylovat o několik desítek procent. Tyto odchylky jsou reprodukovatelné, a mají tedy systematickou povahu.

Příklad spektrální neshody

UV senzor má reálnou váhovou funkci (šedá), zatímco ideální křivka (černá) popisuje rovnoměrnou odezvu.

Pro LED o vlnové délce 400 nm je relativní citlivost 1,0.
Pro LED o vlnové délce 425 nm klesá relativní citlivost na 0,9.

Zobrazovaná hodnota je tedy přibližně o 10 % nižší. Moderní měřicí přístroje, jako je radiometr RMD, tento efekt kompenzují interně, pokud je správně zvolen příslušný typ lampy (např. 400 nm nebo 425 nm).

Metody pro snížení spektrální neshody

1. kalibrace závislá na zdroji
Ve společnosti Opsytec jsou UV senzory kalibrovány na skutečnou lampu nebo LED použitou pro konkrétní aplikaci. Pro tento účel je v laboratoři k dispozici řada průmyslových UV zdrojů, aby bylo možné kalibraci přesně přizpůsobit požadovanému spektrálnímu rozsahu.

2. matematická korekce
U moderních radiometrů lze kalibrační faktor uložit přímo do senzoru. Příslušný kalibrační rozsah – např. 365 nm pro UVA LED nebo 450 nm pro modré LED – se jednoduše vybere na měřicím přístroji. U starších nebo externích systémů může Opsytec stanovit korekční faktor, který je uveden v kalibračním certifikátu.

3. použití spektroradiometrů
Spektroradiometry zaznamenávají celé spektrum; neshoda způsobená filtračními křivkami je tak vyloučena, přičemž rozptýlené světlo a kalibrace vlnové délky zůstávají zdrojem nejistoty. Kalibrace specifická pro vlnovou délku znamená, že jakákoli odchylka je korigována výpočtem. Modely UVpad a UVpad E jsou zvlášť vhodné pro mobilní použití.

Význam pro přesná UV měření

Znalost a korekce neshody je proto předpokladem spolehlivých UV měření, zejména u aplikací s úzkopásmovými nebo spektrálně proměnlivými zdroji, jako jsou systémy UV LED. Na požádání provádí Opsytec kalibraci vůči skutečně použitému zdroji.

Pokud má být měřena pouze jedna UV lampa, lze spektrální neshodu velmi dobře korigovat; postačí uvést lampu nebo aplikaci.

Jako kalibrační zdroj pro detektory používané v dezinfekci se například často používá nízkotlaká rtuťová výbojka. Kalibrace se provádí například ve spektrálním rozsahu 200–280 nm nebo 240–290 nm.

Ačkoli toto efektivní spektrum pokrývá široký rozsah vlnových délek, v praxi se pro určení citlivosti UV radiometru na tuto jedinou spektrální čáru obvykle využívá pouze čára 253,7 nm rtuťové výbojky.

Výsledek této kalibrace tak poskytuje kalibrační hodnotu pro konkrétní provozní podmínku, aniž by však poskytoval informaci o spektrální citlivosti detektoru.

Pokud chcete měřit mnoho různých UV lamp a UV LED, doporučujeme spektroradiometr.
 

Pro zájemce o další informace:

Kalibrační standardy a normy

Spektrální neshoda je popsána v mezinárodních normách, zejména v CIE 220:2016 – Characterization and Calibration Methods of UV Radiometers.
Doporučuje se, aby kalibrační zdroj co nejlépe odpovídal skutečnému světelnému zdroji dané aplikace.

Pro aplikace s více UV lampami nebo UV LED doporučuje Opsytec použití spektroradiometru pro úplné zachycení a vyhodnocení emisního spektra.
 

Co to znamená pro nepřetržité monitorování ve výrobní lince – vzorkovací frekvence, senzorové pásmo a rozhraní – je popsáno na stránce s aplikací UV technologie pro automatizaci a integraci procesů.

Jak se počítá spektrální neshoda?
Pomocí korekčního faktoru neshody F. Ten dává do poměru to, co by na měřeném zdroji ukazovala ideální funkce spektrální citlivosti, s tím, co na něm skutečně indikuje reálný senzor – vše normalizováno na kalibrační zdroj:
F = [∫E_meas(λ)·s_ideal(λ)dλ / ∫E_meas(λ)·s_real(λ)dλ] · [∫E_cal(λ)·s_real(λ)dλ / ∫E_cal(λ)·s_ideal(λ)dλ]
Jsou zapotřebí čtyři veličiny: spektrální ozářenost kalibračního zdroje a měřeného zdroje, dále skutečná a ideální spektrální citlivost senzoru. Naměřená hodnota se vynásobí faktorem F. Protože je odchylka systematická a reprodukovatelná, lze ji v kalibračním listu uvést jako pevný korekční faktor, případně ji uložit v radiometru jako kalibrační rozsah.

Jak velká je chyba v praxi?
To závisí na tom, jak spektrálně vzdálené jsou kalibrační zdroj a měřený zdroj. V rámci jedné křivky citlivosti senzoru jde často o několik procent: u senzoru, jehož relativní citlivost je 1,0 při 400 nm a 0,9 při 425 nm, ukazuje LED na 425 nm hodnotu nižší přibližně o 10 %. Pokud se ale senzor kalibrovaný širokopásmovou lampou použije na úzkopásmové UV LED, může se naměřená hodnota od skutečné vážené hodnoty lišit o několik desítek procent. Odchylka je reprodukovatelná, a tedy systematická – lze ji korigovat, ale nelze ji vyprůměrovat opakovaným měřením.

Jak lze spektrální neshodu korigovat?
Třemi způsoby. Zaprvé kalibrací specifickou pro daný zdroj: senzor se kalibruje přímo na lampě nebo LED, která se skutečně používá. Zadruhé výpočtem – moderní radiometry ukládají kalibrační faktor přímo v senzoru a odpovídající rozsah se volí na přístroji; u starších nebo cizích systémů lze korekční faktor stanovit a uvést v kalibračním listu. Zatřetí pomocí spektroradiometru, který zachycuje celé spektrum, a je tak v principu vůči spektrální neshodě necitlivý. Při měření jediného zdroje funguje korekce velmi dobře; při mnoha různých zdrojích je spektroradiometr bezpečnější volbou.

Proč kalibrace na 253,7 nm nic neříká o spektrální citlivosti?
Protože stanovuje pouze jeden jediný pracovní bod. V oblasti dezinfekce slouží jako kalibrační zdroj často rtuťová nízkotlaká výbojka a kalibrace se vztahuje ke spektrálnímu rozsahu zhruba 200 až 280 nm nebo 240 až 290 nm. V praxi se z ní téměř výhradně využívá pouze čára 253,7 nm. Výsledkem je kalibrační hodnota platná přesně pro tuto podmínku – nic nevypovídá o průběhu spektrální citlivosti detektoru a nelze ji přenést na jiné zdroje ve stejném spektrálním rozsahu. Norma CIE 220:2016 proto doporučuje volit kalibrační zdroj co nejblíže zdroji použitému v dané aplikaci.