UVセンサの分光ミスマッチ

分光ミスマッチとは、UVセンサの実際の分光応答度と、理想的な矩形重み付け関数との差のことです。光学フィルタには理想的な阻止帯域や透過帯域が存在しないため、フィルタを用いたセンサには必ずこの現象が生じます。その結果、特定のランプに合わせて校正されたセンサは、異なるスペクトルを持つ光源に対しては系統的にずれた測定値を示すことになります。

照度計とは異なり、UVセンサは異なるスペクトルおよび異なる波長範囲に合わせて設計されています。UVセンサが所望の分光感度を持つようにするため、メーカー固有の光学フィルタを用いて分光感度を調整しています。

次の図は、紫外線放射の測定に一般的に使用されるUVセンサ（放射計）の構造を示しています。このセンサは複数の光学フィルタとフォトダイオードで構成されています。増幅やアナログ-デジタル変換などのその他の電気部品については、ここには示されていません。

理想的には、感度曲線は一定の矩形重み付け関数に対応します。しかし実際には偏差が生じます。これがいわゆるスペクトルミスマッチです。これはセンサの実際の感度と理想的な重み付け関数との差を表します。 

この原因は、フィルタ付きのすべてのUVセンサに共通するもので、使用される光学フィルタが理想的な遮断域・透過域を持たず、また「無限に」急峻なフィルタエッジを持たないためです。フォトダイオードも典型的な分光感度を示します。 

分光感度の影響

分光感度は、すべてのUVセンサに固有のデバイス特性です。同一タイプのセンサは類似した特性を示しますが、メーカー、タイプおよび分光範囲によって異なるセンサは大きく異なります。
UVセンサの測定値は、光源の発光スペクトルに大きく依存します。特定の光源（例：水銀ランプまたはUV LED）に対して校正されたセンサは、異なる光源では大きな偏差を示すことがあります。
 

分光ミスマッチの結果として、光源依存の測定不確かさが生じます。例えば、センサが広帯域ランプで校正されているにもかかわらず、狭帯域のUV LEDで使用される場合、表示値は実際の実効値から数十パーセント偏差する可能性があります。これらの偏差は再現性があり、したがって系統的な性質を持ちます。

分光ミスマッチの例

UVセンサは実際の重み付け関数（グレー）を持ち、理想曲線（黒）は均一な応答を表します。

400 nmのLEDでは、相対感度は1.0です。
425 nmのLEDでは、相対感度は0.9に低下します。

したがって、表示値は約10 %小さくなります。RMD放射計のような最新の測定機器は、該当するランプタイプ（例：400 nmまたは425 nm）が正しく選択されている場合、この効果を内部的に補正します。

スペクトルミスマッチを低減する方法

1. 光源依存校正
Opsytecでは、UVセンサは特定用途で使用される実際のランプまたはLEDに合わせて校正されます。このために、多数の産業用UV光源が試験室に用意されており、校正を希望のスペクトル範囲に正確に合わせることができます。

2. 数学的補正
最新の放射計では、校正係数をセンサに直接保存できます。適切な校正範囲（例：UVA LEDの場合は365 nm、青色LEDの場合は450 nm）を測定機器上で選択するだけです。旧型機種や外部システムの場合、Opsytecが補正係数を算出し、校正証明書に記載します。

3. 分光放射計の使用
分光放射計はスペクトル全体を取得するため、フィルタ曲線に起因するミスマッチは排除されますが、迷光や波長校正は依然として不確かさの要因として残ります。波長ごとの校正により、あらゆる偏差が計算によって補正されます。UVpadおよびUVpad Eモデルは、モバイル用途に特に適しています。

高精度UV測定における重要性

したがって、ミスマッチを把握し補正することは、特にUV LEDシステムのような狭帯域またはスペクトルが変動する光源を用いる用途において、信頼性の高いUV測定を行うための前提条件となります。ご要望に応じて、Opsytecは実際に使用される光源に対して校正を行います。

測定対象が1種類のUVランプのみである場合、スペクトルミスマッチは非常に良好に補正することが可能であり、ランプまたは用途を specifyするだけで十分です。

例えば、消毒用途で使用される検出器の校正光源として、低圧水銀ランプが用いられることがよくあります。校正は、例えば200～280 nmまたは240～290 nmのスペクトル範囲で行われます。

この有効スペクトルは広い波長範囲をカバーしていますが、実際には水銀ランプの253.7 nm輝線のみを用いて、この単一のスペクトル線に対するUV放射計の感度を決定するのが一般的です。

したがって、この校正の結果は特定の動作条件に対する校正値を提供しますが、検出器の分光感度に関する情報は得られません。

多種多様なUVランプやUV LEDを測定したい場合は、分光放射計をお勧めします。
 

関心をお持ちの方へ：

校正基準および規格

スペクトルミスマッチについては、国際規格、特にCIE 220:2016「UV放射計の特性評価および校正方法」に記載されています。
推奨事項は、校正光源を実際の用途の光源にできるだけ近づけることです。

複数のUVランプまたはUV LEDを用いる用途については、Opsytecは発光スペクトルを完全に取得・評価するために分光放射計の使用を推奨します。
 

生産ライン内での連続モニタリング（サンプリングレート、センサ帯域、インターフェース）が意味するところについては、アプリケーションページ自動化およびプロセス統合向けUV技術で解説しています。

分光ミスマッチはどのように計算されますか？
ミスマッチ係数Fによって計算されます。これは、理想的な応答度関数が測定光源に対して示す値と、実際のセンサがそこで示す値との関係を表すもので、それぞれ校正光源に対して正規化されます。
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]
必要な物理量は4つです。校正光源の分光放射照度、測定光源の分光放射照度、そしてセンサの実際の分光応答度と理想的な分光応答度です。測定値にFを乗じます。偏差は系統的で再現性があるため、校正証明書に固定の補正係数として記載するか、放射計内に校正レンジとして保存することができます。

実際にはどの程度の誤差が生じますか？
これは校正光源と測定光源が分光的にどれだけ離れているかによります。1つのセンサの応答曲線内であれば、多くの場合数パーセント程度です。例えば、相対応答度が400 nmで1.0、425 nmで0.9のセンサでは、425 nmのLEDは約10 %低く表示されます。しかし、広帯域ランプで校正されたセンサを狭帯域のUV LEDに使用すると、測定値は真の加重値から数十パーセント逸脱することがあります。この偏差は再現性があり系統的であるため、補正は可能ですが、繰り返し測定によって平均化して打ち消すことはできません。

分光ミスマッチはどのように補正できますか？
3つの方法があります。第一に、光源固有の校正です。実際に使用するランプまたはLEDに対してセンサを校正します。第二に、演算による方法です。現在の放射計はセンサ内に校正係数を保存しており、機器上で対応するレンジを選択します。旧型機器やサードパーティ製システムでは、補正係数を算出して校正証明書に記載することができます。第三に、分光放射計を使用する方法です。これはスペクトル全体を取得するため、原理的に分光ミスマッチが生じません。測定対象の光源が1つの場合は補正が非常によく機能しますが、多数の異なる光源を扱う場合は分光放射計を用いるのが確実な方法です。

なぜ253.7 nmでの校正は分光応答度について何も示さないのですか？
それは単一の動作点を確立するに過ぎないためです。消毒分野では、低圧水銀ランプが校正光源として用いられることが多く、校正はおよそ200～280 nmまたは240～290 nmの分光範囲を基準としています。実際にはそのうちほぼ253.7 nmの輝線のみが使用されます。その結果得られるのは、まさにその条件に対する校正値であり、検出器の分光応答度の形状については何も示さず、同じ分光範囲内の他の光源にも適用できません。したがって、CIE 220:2016では、校正光源をできる限り実際の用途で使用する光源に近づけることが推奨されています。