UVセンサの仕組み:設計と測定誤差

UVセンサは光放射を電気信号に変換します。測定値は検出器、フィルタ、光学系、電子回路、校正、および測定ジオメトリから生じるものであり、したがって検出器単体の特性では決してありません。UV測定の比較可能性にとって重要なのは、何よりも分光応答度、コサイン応答、ダイナミックレンジ、迷光、および実際の光源との整合性です。

本ページでは信号経路をたどり、その過程で測定誤差がどこに生じるかを示します。広帯域放射計と分光放射計は、異なる誤差要因が最も明確に現れる2つの設計として取り上げます。角度応答については両方の用語が一般的に使われます:コサイン補正はセンサ側で講じられる対策を指し、コサイン応答はその結果を指します。

すべてのUV測定は、どの物理量を測定すべきかという問いから始まります。産業現場においては、これはほぼ常に放射照度E（単位:W/m²）、すなわち表面に到達する放射エネルギーです。放射照度を時間で積算すると放射露光量H（単位:J/m²）となり、一般に「積算光量」とも呼ばれ、安全なUV消毒においてもUV硬化においても支配的な物理量です。両者の変換は弊社のUVおよび光の放射計測計算ツールで行うことができます。

全方向に放射する点状光源の場合、逆二乗の法則が適用されます。測定距離を2倍にすると、同じ放射束が4倍の面積に広がるため、放射照度は4分の1に低下します。

この法則は、実務上しばしば見落とされがちな一つの条件のもとで成立します。すなわち、センサから見て光源が点状として認識できることが必要です。確立された経験則として、測定距離rはr ≥ 10・dを満たすべきであり、dは発光面の最大寸法です。

さらに同様に重要な二つの条件があります。光源に対するセンサの向き、そしてそもそもどの分光範囲を重み付けの対象とするかという問題です。これら二点は、いずれも機器の設計に直接関わってきます。

A 広帯域放射計は、光学系に組み込まれた固定の分光応答度関数s(λ)を用いて入射放射に重み付けを行い、単一の数値を出力します。測定ヘッドは光学部品の積層構造であり、その配置は偶然ではありません。

光学窓。通常は溶融石英が用いられます。一般的なソーダ石灰ガラスは約300 nm以下では実質的に不透明であるためです。窓はその背後にある部品を保護するとともに、プロセス媒体に対してヘッドを密閉します。

拡散板。入射放射を散乱させることでコサイン特性の角度応答を生み出します。拡散板は付属品ではなく、測定値をそもそも面積に関連した量として成立させる部品です。

フィルタスタック。ここで実際の分光重み付けが生成されます。通常は干渉フィルタと着色ガラスの組み合わせによるものです。このスタックによって、機器がUV-A、UV-B、UV-C、またはアプリケーション固有の作用スペクトルのいずれを測定するかが決まります。

検出器。シリコンフォトダイオードが標準的に用いられますが、UV-C用途ではSiCダイオードの採用が増えています。可視光に対して本質的に感度を持たないため、フィルタスタックの負担を軽減できるからです。

続いてトランスインピーダンスアンプが光電流を電圧に変換し、A/Dコンバータがこれをデジタル化します。この構成の大きな利点は、光電流を何桁にもわたって線形に測定できることです。そのため放射計は、アレイ分光器では実現できないダイナミックレンジを達成し、さらに堅牢でコンパクト、比較的安価です。

ASTM G130-12(2020)は、これらの機器を応答度関数の半値幅Δλによって、狭帯域放射計（Δλ ≤ 20 nm）、広帯域機器（20 nm ≤ Δλ ≤ 70 nm）、超広帯域機器（Δλ ≥ 70 nm）に分類しています。この分類は単なる用語上の区分にとどまりません。スペクトル範囲が広いほど、測定値は測定対象光源のスペクトルに強く依存するようになります。

分光放射計は放射を分光成分に分散させ、分光放射照度E(λ)をW/(m²·nm)で測定します。この分光分布から、任意の分光範囲や任意の作用スペクトルを計算により導出することができます。まさにこの点にこの機器クラスの汎用性があります。

光路は放射計と同様に、通常はコサイン受光体として機能する拡散板である入力光学系から始まります。光ファイバが放射を入射スリットへ導きます。コリメートミラーが平行光束を形成し、これが光学グレーティングに入射します。グレーティングは波長ごとに放射を分散させ、集光ミラーが得られたスペクトルをCCDまたはCMOSの検出器アレイ上に結像します。

この原理は洗練されている一方で、物理的な弱点は容赦がありません。グレーティングは目的とする1次回折光だけでなく、光路外へ排除しなければならない高次回折光も生じさせます。これに加えて、ミラーや取付部、筐体表面での散乱も生じます。これら両方の機構により、短波長の位置に長波長の信号成分が重畳されてしまいます。

ブロードバンド放射計は「UV-A放射」そのものを測定しているわけではありません。放射計は、光源スペクトルと分光応答度関数の積を重み付けして積分した値を出力します。測定対象の光源スペクトルが校正用ランプのスペクトルと一致していれば問題はありませんが、両者が異なる場合にはスペクトルミスマッチ誤差が生じます。

測定対象の発光が分光応答度カーブの傾斜部分に位置する場合、この問題は特に深刻になります。フィルタの製造ばらつきが、そのまま測定値に反映されてしまうのです。これは理論上の懸念にとどまりません。例えば、UV-B用ロングパスフィルタWG320型の場合、メーカー仕様の範囲内でも50%エッジは約314 nmから326 nmの間で変動する可能性があります。取り付けられた個体によって、同一の光源に対して数十分の一パーセントから一桁台パーセントまでの偏差が生じますが、これは機器が「不良」であることを意味しません。

CIE 220:2016「UV放射計の特性評価および校正方法」（CIE委員会TC 2-47作成）では、体系的なアプローチが示されています。この報告書は、ISO/CIE 19476:2014の測光分野で知られている品質指標をUV放射計に適用しており、スペクトルミスマッチのf1′、角度応答のf2、線形性のf3に加え、疲労、温度、湿度の影響に関する指標も含まれています。照度計とは異なり、UV放射計は単一の基準光源に対して設計されているわけではないため、CIE 220:2016では3種類の基準スペクトルを定義し、附属書には低圧・中圧水銀ランプからキセノン、HMI光源、さらには太陽光スペクトルまで、10種類の実光源スペクトルを追加しています。

実務上の結論として、自身の放射計の分光応答度と光源のスペクトルを把握していれば、ミスマッチ係数を計算し、補正係数として適用することができます。ただしそのためには、メーカーが個別に測定した相対分光応答度と校正用ランプのスペクトルを校正証明書に記載していることが前提となります。

UV-Cでの測定には、一見矛盾しているように思える難しさがあります。問題となるのはUVそのものではなく、それ以外のすべてです。中圧水銀ランプは、UV-C領域よりも可視光および近赤外領域において桁違いに大きなパワーを放射します。そのパワーのわずかな一部でも機器内部の254 nmチャンネルに散乱すると、実際の値を上回りかねない見かけ上の信号がそこに生じます。特定のランプについてこの不均衡がどの程度顕著であるかは、スペクトルデータベースエクスプローラーで示されています。

桁の違いは劇的です。ダブルモノクロメーターは約10⁻⁷〜10⁻⁹の相対迷光を達成するのに対し、アレイ分光計は10⁻³〜10⁻⁵、マイクロアレイ分光計はわずか10⁻¹〜10⁻²にとどまります。

ダブルモノクロメーターは放射光を回折格子上で2回通過させることにより、単段方式のシステムよりも数桁多く迷光を抑制します。その代償はサイズ、測定時間、そしてコストであり、そのため現場ではなく実験室用の基準機器として使用されています。

この状況は、シリコンベースの検出器アレイが持つ赤外線感度によってさらに悪化します。まさに干渉光が最も強い領域において、これらの検出器の感度が最も高くなるためです。適切な次数選別フィルターと文書化された迷光補正がなければ、コンパクトなアレイ分光計によるUV-C測定には、しばしば未知の、かつ相当な不確かさが伴います。

放射照度は、単位面積あたりの放射パワーとして定義され、平面上で測定されます。放射が斜めに入射する場合、同じ光束がより広い面積に広がるため、信号はcos θに従って低下しなければなりません。実際の受光素子はこれを近似的にしか再現できません。大きな入射角では、境界面で反射が生じます。

品質指数f2は、理想的なコサイン曲線からの平均偏差を表します。これは、放射が垂直に入射しないあらゆる場面、すなわちUV消毒リアクター、反射壁を持つ照射チャンバー、ウェブ硬化などにおいて決定的な意味を持ちます。反射率の高い壁を持つチャンバーでは、拡散成分が直接成分を上回ることがあり、角度応答性の低いセンサはその場合、系統的に低い値を示します。

実務上、コサイン補正の品質は設計だけからもしばしば判断できます。入力光学系の大きさと拡散性、そしてそれが筐体端からどれだけ突き出しているかによって判断可能です。

UV技術で使用される光源は、校正標準として用いられる重水素ランプから、硬化ラインの6 kW水銀ランプまで、分光放射照度において7桁以上の差があります。

フルデジタル放射計は、光電流測定とレンジ切り替えによってこの範囲をカバーします。アレイ分光器は、画素の飽和電荷容量と読み出しノイズフロアによって制限されます。積分時間の調整によって動作しますが、これは測定時間を要し、レンジの両端で限界に達します。

同じ区別がアナログ・デジタル変換器にも当てはまります。その分解能（12ビット、16ビット、または24ビット）は、読み取り値がどれだけ細かく表示されるか、また使用可能なダイナミックレンジがどれだけ広いかを決定します。これは測定精度については何も示しません。測定精度は、校正と、測定対象の光源への分光整合性によって決まります。

計量トレーサビリティのない測定値は、基準枠のない数値にすぎません。計量のチェーンは、国家計量標準機関から生産ラインの計測器へと至り、各段階で不確かさが増大します。

その頂点に位置するのが、単位を実現する国家計量標準機関です。ドイツのPTB、米国のNISTなどがこれに当たります。その下には、ISO/IEC 17025の認定を受けた校正機関が続きます。校正機関は自らの標準器を用いて業務を行い、その能力は認定機関により定期的に評価されます。試験機関は文書化された手順に従って測定を行います。工場校正はトレーサビリティを有する場合もありますが、独立した評価によって担保されているわけではありません。最下層に位置するのがトレーサビリティのない校正であり、再現性のある数値は得られるものの、根拠のある測定不確かさは示されません。

通常の経路は分光標準から始まります。UV-A域および可視域には1000 W FELランプ、短波長域には重水素ランプが用いられます。この標準に対して分光放射計が校正されます（ASTM G138-12(2020)e1）。校正済みの分光放射計は、次に量産品に近いUVランプ、つまり最終的な測定対象に分光的にできるだけ近い光源を測定します。基準放射計はこのランプに対して校正され（ASTM G130-12(2020)）、そこから最終的に現場機器へと校正が伝達されます（ASTM E824-26）。

この方法の要点は第三段階にあります。量産品に近いランプを伝達用光源として用いることで、放射計は後に測定する際と同じ分光条件下で校正されます。これにより、広帯域放射計の主な誤差要因である分光ミスマッチはほぼ排除されます。まさにこの理由から、既知のランプ種類に対しては、適切に校正された広帯域放射計が分光放射計を精度で上回ることがあります。

校正そのものには2種類のランプ群が用いられます。低圧水銀ランプなどの線スペクトル光源は波長校正に、重水素ランプおよびタングステンハロゲンランプなどの連続スペクトル光源は分光応答度校正に使用されます。ハロゲンランプについては特に注意が必要です。その強い長波長出力が機器内部で散乱し、補正しなければ、まさに測定しようとしている迷光誤差そのものを生じさせてしまうためです。

測定の不確かさに関して言えば、校正証明書は単に係数を提供するだけでなく、その係数が有効となる光源と幾何条件も規定しています。測定条件がこれらから離れるほど、校正が全体の不確かさに与える影響は大きくなります。校正の詳細な仕組みについては、UV校正手順をご覧ください。

CIE 250:2022「光学放射源の分光放射測定」（CIE TC 2-80）は、200 nmから2500 nmの範囲における分光放射測定のための現行の基準文書です。約40年前のCIE 063-1984に代わるものであり、測定不確かさを推定する際に考慮すべき物理的効果について詳細に説明しています。

実務上、特徴的な傾向が見られます。すなわち、達成可能な最小測定不確かさは短波長UV域で最大となり、長波長側に向かうにつれて減少します。認定校正における代表的な値は、200～230 nm付近の範囲で約6 %、UV-BおよびUV-A域で約3.5 %、可視域で3 %弱です（拡張測定不確かさ、k = 2）。このような傾向が生じる理由は物理的なものであり、標準器の放射輝度の低さ、より強い迷光の影響、そして光学材料が経年劣化や汚染の影響をより受けやすいことが挙げられます。

2つの構成にはそれぞれ支配的な誤差要因が1つずつあり、両者は相補的な関係にあります。すなわち、広帯域放射計ではスペクトルミスマッチ、分光放射計では迷光です。センサの選定はこれに基づいて決まります。

• ランプの種類が既知で一定である場合、適切に校正された広帯域放射計の方が測定不確かさが小さくなります。ダイナミックレンジが広く、応答時間が短く、堅牢性にも優れています。
• 光源が変化する場合、光源が不明な場合、または作用スペクトルを評価する必要がある場合は、分光測定が不可欠です。
• 多くの設備では、両者を組み合わせるのが最良の解決策です。すなわち、長い間隔でのスペクトル検証と、広帯域測定による連続的なプロセス監視です。

各基準に基づく詳細な比較は、広帯域放射計と分光放射計のどちらを選ぶかをご覧ください。

UV-C測定に特別な注意が必要なのはなぜですか。
ほとんどのUV光源は、UV-Cよりも可視光や赤外線の方が桁違いに大きな出力を放射しており、シリコン系検出器はまさにその波長域で最も感度が高いためです。そのため、機器内部の迷光により、実際よりも大きな見かけ上のUV-C信号が生じることがあります。

スペクトルミスマッチとは何ですか。
測定対象の光源のスペクトルが、機器の校正に使用したランプのスペクトルと異なる場合に生じる誤差です。CIE 220:2016には、その定量化方法と補正係数としての適用方法が記載されています。

ランプからどのくらいの距離で測定すべきですか。
センサから見て光源が点光源とみなせるだけの十分な距離、目安として光源の最大寸法の10倍以上が必要です。それより短い距離での測定値も有効な読み取り値ではありますが、逆二乗則を用いて他の距離の値に換算してはなりません。

校正証明書がそれほど重要なのはなぜですか。
校正証明書には、校正用光源、分光応答度、および測定不確かさが記載されているためです。この3つの情報がなければ、測定値を限界値、他の機器、あるいは過去の測定値と比較することはできません。

温度は放射照度にどのような影響を与えますか。
温度は測定の両側に影響を及ぼします。センサのフォトダイオードやフィルタは温度依存性を持ち、UVAよりもUVCでその影響がより顕著です。また、水銀ランプおよびUV LEDは、動作温度によって放射出力とピーク波長の両方が変化します。したがって、再現性のある値を得るには、規定された動作温度と、固定された文書化済みの距離が必要です。

UV測定値が信頼できるかどうかは、6つの質問で決まります。

• 分光応答度は、光源の発光と目的の重み付け関数に一致していますか。
• 指向性放射と空間分布放射のどちらを測定しており、角度特性はそれに適していますか。
• 測定値は測定範囲およびダイナミックレンジの範囲内に確実に収まっていますか。
• 副次的な波長や迷光が結果を歪める可能性はありませんか。
• 校正は、十分に類似した光源および幾何学的配置に基づいていますか。
• 測定不確かさは、工程限界に対して十分小さいですか。

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