Spectrale mismatch voor UV-sensoren

Spectrale mismatch is het verschil tussen de werkelijke spectrale gevoeligheid van een UV-sensor en de ideale, rechthoekige wegingsfunctie. Dit treedt op bij elke gefilterde sensor, omdat optische filters geen ideale stop- en doorlaatbanden hebben. Als gevolg daarvan zal een sensor die op één bepaalde lamp is gekalibreerd systematisch afwijkende meetwaarden tonen bij een bron met een ander spectrum.

In tegenstelling tot verlichtingssterktemeters zijn UV-sensoren ontworpen voor verschillende spectra en verschillende spectrale bereiken. Om ervoor te zorgen dat een UV-sensor de gewenste spectrale gevoeligheid heeft, worden fabrikantspecifieke optische filters gebruikt om de spectrale gevoeligheid aan te passen.

De volgende afbeelding illustreert de opbouw van een UV-sensor of radiometer, die doorgaans wordt gebruikt om ultraviolette straling te meten. De sensor bestaat uit meerdere optische filters en een fotodiode. De overige elektrische componenten, de versterking en analoog-naar-digitaalconversie, worden hier niet weergegeven.

Idealiter komt de gevoeligheidscurve overeen met een constante, rechthoekige wegingsfunctie. In de praktijk treden er echter afwijkingen op - de zogenaamde spectrale mismatch. Dit beschrijft het verschil tussen de werkelijke gevoeligheid van de sensor en de ideale wegingsfunctie. 

De redenen hiervoor zijn typisch voor alle gefilterde UV-sensoren, omdat de gebruikte optische filters geen ideale afsnij- en doorlaatbereiken of "onbeperkt" steile filterflanken hebben. Fotodiodes vertonen eveneens een typische spectrale gevoeligheid. 

Invloed van de spectrale gevoeligheid

De spectrale gevoeligheid is een karakteristieke apparaateigenschap van elke UV-sensor. Terwijl sensoren van hetzelfde type vergelijkbare karakteristieken vertonen, verschillen verschillende sensoren - afhankelijk van fabrikant, type en spectraal bereik - aanzienlijk.
De meetwaarde van een UV-sensor hangt sterk af van het emissiespectrum van de lichtbron. Een sensor die gekalibreerd is op een specifieke bron (bijv. kwikdamplamp of UV-LED) kan aanzienlijke afwijkingen vertonen bij een andere bron.
 

Het resultaat van de spectrale mismatch is een bronafhankelijke meetonzekerheid. Als een sensor bijvoorbeeld gekalibreerd is met een breedbandlamp maar gebruikt wordt met een smalbandige UV-LED, kan de weergegeven waarde tientallen procenten afwijken van de werkelijke effectieve waarde. Deze afwijkingen zijn reproduceerbaar en dus systematisch van aard.

Voorbeeld van een spectrale mismatch

Een UV-sensor heeft een reële wegingsfunctie (grijs), terwijl de ideale curve (zwart) een uniforme respons beschrijft.

Voor een 400 nm LED bedraagt de relatieve gevoeligheid 1,0.
Voor een 425 nm LED daalt de relatieve gevoeligheid naar 0,9.

De weergegeven waarde is daardoor ongeveer 10 % kleiner. Moderne meetapparaten zoals de RMD radiometer compenseren dit effect intern, mits het betreffende lamptype (bijv. 400 nm of 425 nm) correct geselecteerd is.

Methoden om spectrale mismatch te verminderen

1. bronafhankelijke kalibratie
Bij Opsytec worden UV-sensoren gekalibreerd op de daadwerkelijk gebruikte lamp of LED voor de specifieke toepassing. Voor dit doel zijn in het laboratorium talrijke industriële UV-bronnen beschikbaar om de kalibratie precies af te stemmen op het gewenste spectrale bereik.

2. wiskundige correctie
Met moderne radiometers kan de kalibratiefactor direct in de sensor worden opgeslagen. Het juiste kalibratiebereik - bijv. 365 nm voor UVA-LED's of 450 nm voor blauwe LED's - wordt eenvoudig op het meetapparaat geselecteerd. Voor oudere of externe systemen kan Opsytec een correctiefactor bepalen, die in het kalibratiecertificaat wordt vermeld.

3. gebruik van spectroradiometers
Spectroradiometers registreren het volledige spectrum; mismatch als gevolg van filtercurves wordt geëlimineerd, terwijl strooilicht en golflengtekalibratie als onzekerheidsbronnen blijven bestaan. Door de golflengtespecifieke kalibratie wordt elke afwijking rekenkundig gecorrigeerd. De modellen UVpad en UVpad E zijn bijzonder geschikt voor mobiel gebruik.

Belang voor nauwkeurige UV-metingen

Kennis van en correctie voor de mismatch is daarom een voorwaarde voor betrouwbare UV-metingen, met name bij toepassingen met smalbandige of spectraal variabele bronnen zoals UV-LED-systemen. Op verzoek kalibreert Opsytec op de daadwerkelijk gebruikte bron.

Als er slechts één UV-lamp moet worden gemeten, kan de spectrale mismatch zeer goed worden gecorrigeerd; het opgeven van de lamp of de toepassing is voldoende.

Zo wordt een lagedruk-kwiklamp vaak gebruikt als kalibratiebron voor detectoren die bij desinfectie worden gebruikt. De kalibratie vindt bijvoorbeeld plaats in het spectrale bereik 200–280 nm of 240–290 nm.

Hoewel dit effectieve spectrum een breed golflengtebereik bestrijkt, wordt in de praktijk meestal alleen de 253,7 nm-lijn van de kwiklamp gebruikt om de gevoeligheid van de UV-radiometer voor deze ene spectraallijn te bepalen.

Het resultaat van deze kalibratie levert dus een kalibratiewaarde voor een specifieke bedrijfsomstandigheid op, maar geeft geen informatie over de spectrale gevoeligheid van de detector.

Als u veel verschillende UV-lampen en UV-LED's wilt meten, raden wij een spectroradiometer aan.
 

Voor de geïnteresseerde lezer:

Kalibratiestandaarden en normen

De spectrale mismatch wordt beschreven in internationale normen, met name in CIE 220:2016 - Characterization and Calibration Methods of UV Radiometers.
De aanbeveling is om de kalibratiebron zo nauwkeurig mogelijk af te stemmen op de daadwerkelijke lichtbron van de toepassing.

Voor toepassingen met meerdere UV-lampen of UV-LED's beveelt Opsytec het gebruik van een spectroradiometer aan om het emissiespectrum volledig te registreren en te evalueren.
 

Wat dit betekent voor continue bewaking in een productielijn – bemonsteringsfrequentie, sensorband en interface – wordt behandeld op de toepassingspagina UV-technologie voor automatisering en procesintegratie.

Hoe wordt spectrale mismatch berekend?
Via de mismatchfactor F. Deze relateert wat de ideale gevoeligheidsfunctie zou opleveren op de gemeten bron aan wat de werkelijke sensor daar aangeeft – elk genormaliseerd op de calibratiebron:
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]
Vier grootheden zijn nodig: de spectrale bestralingssterkte van de calibratiebron en van de gemeten bron, plus de werkelijke en de ideale spectrale gevoeligheid van de sensor. De aflezing wordt vermenigvuldigd met F. Omdat de afwijking systematisch en reproduceerbaar is, kan deze als vaste correctiefactor in het calibratiecertificaat worden vermeld of als calibratiebereik in de radiometer worden opgeslagen.

Hoe groot is de fout in de praktijk?
Dat hangt af van hoe ver de calibratiebron en de gemeten bron spectraal van elkaar liggen. Binnen één enkele sensorresponscurve gaat het vaak om enkele procenten: voor een sensor met een relatieve gevoeligheid van 1,0 bij 400 nm en 0,9 bij 425 nm geeft de aflezing bij de 425 nm-LED ongeveer 10 % te laag aan. Als een sensor die met een breedbandlamp is gecalibreerd echter wordt gebruikt op een smalbandige UV-LED, kan de aflezing tientallen procenten afwijken van de werkelijke gewogen waarde. De afwijking is reproduceerbaar en dus systematisch – ze kan worden gecorrigeerd, maar niet worden weggemiddeld door herhaalde metingen.

Hoe kan spectrale mismatch worden gecorrigeerd?
Op drie manieren. Ten eerste door bronspecifieke calibratie: de sensor wordt gecalibreerd tegen de lamp of LED die daadwerkelijk wordt gebruikt. Ten tweede rekenkundig – moderne radiometers slaan de calibratiefactor in de sensor op en het bijbehorende bereik wordt op het instrument geselecteerd; voor oudere systemen of systemen van derden kan een correctiefactor worden bepaald en in het calibratiecertificaat worden vermeld. Ten derde met een spectroradiometer, die het volledige spectrum vastlegt en daardoor in principe vrij is van spectrale mismatch. Bij één enkele te meten bron werkt correctie zeer goed; bij veel verschillende bronnen is de spectroradiometer de veilige oplossing.

Waarom zegt een calibratie bij 253,7 nm niets over de spectrale gevoeligheid?
Omdat daarmee slechts één enkel werkpunt wordt vastgelegd. Bij desinfectie dient vaak een kwiklaagdruklamp als calibratiebron, en de calibratie wordt gerefereerd aan een spectraal bereik van ongeveer 200 tot 280 nm of 240 tot 290 nm. In de praktijk wordt daarvan bijna uitsluitend de 253,7 nm-lijn gebruikt. Het resultaat is een calibratiewaarde voor precies die situatie – deze zegt niets over de vorm van de spectrale gevoeligheid van de detector en is niet overdraagbaar naar andere bronnen binnen hetzelfde spectrale bereik. CIE 220:2016 adviseert daarom de calibratiebron zo dicht mogelijk te laten aansluiten bij de toepassingsbron.