紫外線感測器的工作原理：設計與量測誤差

紫外線感測器將光學輻射轉換為電訊號。量測值取決於感測器、濾光片、光學元件、電子電路、校正及量測幾何配置；因此它絕不僅僅是感測器本身的特性。對於紫外線量測的可比較性而言，最重要的是光譜響應度、餘弦響應、動態範圍、雜散光，以及與實際光源的匹配程度。

本頁將依循訊號路徑，說明量測誤差在此路徑中的產生位置。寬頻輻射計與光譜輻射計是兩種設計，在其中不同的誤差來源表現得最為明顯。以下兩個術語皆常用於描述角度響應：餘弦校正指的是在感測器上所採取的措施，餘弦響應則指其結果。

每一次紫外線量測，都始於欲決定何種物理量的問題。在工業實務中，幾乎總是 輻照度 E，單位 W/m²，即到達表面的輻射功率。將輻照度對時間積分，即得輻射曝露量 H，單位 J/m²，通常稱為「劑量」──此為 紫外線消毒安全性 與紫外線固化中同樣關鍵的物理量。兩者之間的換算可透過本公司的 紫外線與光學輻射度量計算器 完成。

對於向各方向輻射的點狀光源而言，平方反比定律適用：量測距離加倍時，相同的輻射通量將分布於四倍的面積上，因此輻照度降為原本的四分之一。

此定律的成立有一項在實務中經常被忽略的前提條件：就感測器所見，光源必須為點狀光源。業界公認的經驗法則為量測距離 r ≥ 10 · d，其中 d 為發光表面的最大尺寸。

另有兩項條件同樣重要：感測器相對於光源的方位，以及究竟應針對哪一個光譜範圍進行加權。這兩項考量皆直接影響量測儀器的設計。

寬頻輻射計會以內建於其光學系統中的固定光譜響應函數 s(λ) 對入射輻射進行加權計算，並輸出單一數值。量測頭是由一系列光學元件堆疊而成，其排列順序並非偶然。

光學窗片。通常採用熔融石英，因為一般鈉鈣玻璃在約 300 nm 以下實際上是不透光的。窗片可保護後方元件，並將量測頭與製程介質隔離密封。

擴散片。它會使入射輻射產生散射，藉此形成餘弦形的角度響應。擴散片並非附屬配件，而是使讀值成為與面積相關之量測值的關鍵元件。

濾光片組。實際的光譜加權即在此處產生——通常是由干涉濾光片與有色玻璃組合而成。此濾光片組決定儀器所量測的是 UV-A、UV-B、UV-C，或是特定應用之作用光譜。

偵測器。矽光電二極體為標準配置；在 UV-C 應用中，由於 SiC 二極體本質上對可見光不敏感，因而可減輕濾光片組的負擔，故其使用日益增加。

接著，一個轉阻放大器會將光電流轉換為電壓，再由 A/D 轉換器將其數位化。此設計的最大優點在於：光電流可在極廣的量級範圍內呈線性量測。因此，輻射計所達到的動態範圍是陣列式光譜儀所無法比擬的——同時它們亦具備堅固耐用、體積精巧、成本相對低廉等優點。

ASTM G130-12(2020) 依其響應函數之半高寬 Δλ 將此類儀器分類為窄頻輻射計（Δλ ≤ 20 nm）、寬頻儀器（20 nm ≤ Δλ ≤ 70 nm）以及廣頻儀器（Δλ ≥ 70 nm）。此分類不僅止於術語定義：光譜範圍越寬，讀值就越強烈地取決於待測光源的光譜特性。

「光譜輻射計」將輻射分散為其光譜成分，並以 W/(m²·nm) 量測光譜輻照度 E(λ)。任何光譜範圍及任何作用光譜，皆可從該光譜以計算方式推導得出——而這正是此類儀器多功能性之所在。

光學路徑的起點與輻射計相同，皆始於輸入光學元件，通常為作為餘弦接收器（cosine receptor）之擴散板。光纖將輻射傳導至入射狹縫。準直反射鏡形成平行光束，射向光學光柵。光柵依波長將輻射分散開來，聚焦反射鏡則將所得光譜成像於偵測器陣列——CCD 或 CMOS 上。

此原理雖精巧，但其物理上的弱點卻不容忽視。光柵除產生所需的一階繞射外，亦會產生更高階繞射，這些必須從光束路徑中排除。此外，反射鏡、支架及機殼表面亦會產生散射。這兩種機制皆會將長波訊號成分沉積於短波長的位置上。

寬頻輻射計從未真正量測「UV-A 輻射」本身。它形成的是光源光譜與感應度函數乘積的加權積分。只要待測光源的光譜與校正燈的光譜相符，這便不成問題。但當兩者不同時，就會出現光譜失配誤差。

當受測物件的發射落在感應度曲線的斜坡區域時，情況會特別嚴重。此時濾光片的製造公差會直接反映在讀數上。這並非理論上的疑慮：以 WG320 型 UV-B 長通濾光片為例，其 50% 邊緣在製造商規格範圍內可能落在約 314 nm 至 326 nm 之間。依所裝配的樣品不同，同一光源可能產生從百分之零點幾到個位數百分比範圍的偏差 — 而儀器本身並非「故障」。

CIE 220:2016《紫外線輻射計特性描述與校正方法》（由 CIE 委員會 TC 2-47 制定）描述了一套系統性方法。該報告將 ISO/CIE 19476:2014 中光度學所熟知的品質指標延伸應用到紫外線輻射計上 — 其中包括用於光譜失配的 f1′、用於角度響應的 f2、用於線性度的 f3，以及疲勞效應、溫度效應與濕度效應等指標。由於紫外線輻射計不像照度計那樣是針對單一參考光源設計的，CIE 220:2016 定義了三種參考光譜，並在附錄中加入十種實際光源光譜 — 從低壓與中壓汞燈，經氙氣與 HMI 光源，一直到太陽光譜。

實務上的意義在於：只要知道自己輻射計的光譜感應度以及光源的光譜，任何人都能計算出失配係數，並將其作為修正係數應用。這確實要求製造商在校正證書中載明個別量測的相對光譜感應度以及校正燈的光譜。

在 UV-C 範圍進行量測會遇到一個乍看似乎矛盾的困難：問題不在於 UV，而是其他一切。中壓水銀燈在可見光與近紅外光範圍所輻射的功率，比 UV-C 光譜範圍高出好幾個數量級。若這股功率中即使只有一小部分散射到儀器內的 254 nm 通道，就會在該處產生虛假訊號，其大小甚至可能超過真實讀值。至於這種失衡對特定燈管而言有多明顯，可參見光譜資料庫瀏覽器。

各類儀器之間的數量級差異相當懸殊：雙光柵單色儀可達到約 10⁻⁷ 至 10⁻⁹ 的相對雜散光，陣列式光譜儀約為 10⁻³ 至 10⁻⁵，而微型陣列式光譜儀則僅約 10⁻¹ 至 10⁻²。

雙光柵單色儀讓輻射兩次通過光柵，藉此比單級系統多抑制數個數量級的雜散光。其代價是體積、量測時間與成本較高——因此它多用作實驗室參考儀器，而非用於現場量測。

矽基偵測器陣列對紅外線的敏感度，使情況更為嚴重：它們恰好在干擾輻射最強的區域最為敏感。若缺乏適當的階次篩選濾光片與有文件記載的雜散光校正，使用精簡型陣列式光譜儀進行 UV-C 量測，將帶有相當可觀、且往往未知的不確定性。

輻照度的定義為單位面積的輻射功率，係於平面上量測。當輻射以傾斜角度入射時，相同的通量會分散於較大的面積上，因此訊號必須依 cos θ 遞減。實際的感測器僅能近似此關係：在入射角較大時，於界面處會產生反射。

品質指數 f2 描述與理想餘弦曲線的平均偏差。在輻射並非垂直入射的所有場合中，此指數具有決定性意義：例如於紫外線消毒反應器中、於具反射壁面的照射腔室中，以及於卷材固化應用中。在具高反射性壁面的腔室內，漫射成分可能超過直射成分——此時角度響應不良的感測器便會系統性地低估讀值。

實務上，餘弦修正的品質往往可從設計本身即可判斷：從入光光學元件的尺寸與擴散程度，以及其突出於外殼邊緣的程度即可看出。

紫外線技術中所使用的光源,其光譜輻照度差異超過七個數量級──從用作校正標準的氘燈,到固化生產線中 6 kW 的水銀燈。

全數位輻射計透過光電流量測與範圍切換來涵蓋此範圍。陣列光譜儀則受限於其像素的滿井容量與讀出雜訊底限；它是透過調整積分時間來運作,這會耗費量測時間,並在範圍的兩端皆遭遇限制。

同樣的區別也適用於類比數位轉換器。其解析度──12、16 或 24 位元──決定了讀值顯示的精細程度以及可用動態範圍的寬度。這與量測準確度無關；準確度取決於校正,以及與待測光源的光譜匹配程度。

沒有計量溯源性的量測值，只是一個沒有參考架構的數字。計量鏈由國家計量機構一路延伸至生產線上的儀器──而不確定性在每一個環節中都會增加。

位於最頂端的是實現該單位的國家計量機構──德國的 PTB、美國的 NIST。其下則是依 ISO/IEC 17025 認證之校正實驗室，此類實驗室使用自身的標準器，其能力並會定期由認證機構評鑑。測試實驗室則依書面程序進行量測。工廠校正或許具有可追溯性，但並未經過獨立評鑑的保障。位於最底端的則是無可追溯性的校正：它能提供可重現的數字，卻無法提供具說服力的量測不確定度。

常見的流程始於光譜標準——UV-A 及可見光範圍使用 1000 W FEL 燈，短波範圍使用氘燈。光譜輻射計依此標準進行校正（ASTM G138-12(2020)e1）。經校正的光譜輻射計接著量測一支近似量產型的紫外線燈，也就是光譜特性盡可能與最終量測對象相近的光源。參考輻射計即依該燈進行校正（ASTM G130-12(2020)），最終再將校正傳遞至現場儀器（ASTM E824-26）。

關鍵在於第三步：藉由使用近似量產型燈作為傳遞光源，輻射計即在與其後續量測相同的光譜條件下進行校正。光譜不匹配——寬頻輻射計的主要誤差來源——因此大幅消除。這正是為何經正確校正的寬頻輻射計，在已知燈型的情況下，準確度可優於光譜輻射計的原因。

校正本身使用兩類燈：線光源，例如低壓水銀燈，用於波長校正；連續光源——氘燈與鎢絲鹵素燈——用於光譜響應校正。鹵素燈需要特別注意，因為其強烈的長波輸出會在儀器內部產生散射，若未經修正，恰好會產生正是所要量測的散射光誤差。

這對量測不確定度意味著：校正證書不僅提供一個係數，還定義了該係數所適用的光源與幾何配置。量測條件偏離這些條件越多，校正對整體不確定度的貢獻就越大。校正的詳細運作方式，請參閱紫外線校正程序。

CIE 250:2022「光學輻射源之光譜輻射計量測」（CIE TC 2-80）是目前波長範圍自 200 nm 至 2500 nm 光譜輻射計量測的現行參考文獻。它取代了近四十年歷史的 CIE 063-1984，並詳細說明了估算量測不確定度時應考量之物理效應。

實務上會出現一種特徵型態：最小可達成之量測不確定度在短波紫外線範圍最大，並隨波長增加而遞減。經認證校正之典型數值約為：於 200 至 230 nm 附近範圍約 6 %，於 UV-B 及 UV-A 範圍約 3.5 %，於可見光範圍則略低於 3 %（擴充量測不確定度，k = 2）。造成此型態之原因為物理性質：標準器輻射亮度較低、雜散光效應較強，以及光學材料對老化與污染之敏感度較高。

兩種設計各自僅有一個主要誤差來源，且二者互為補充：寬頻輻射計為光譜不匹配，光譜輻射計則為雜散光。感測器的選擇即依此而定：

• 若燈源類型已知且保持不變，經適當校正的寬頻輻射計可提供較小的量測不確定度──並具有更寬的動態範圍、較短的響應時間與較高的耐用性。
• 若光源會變化、未知，或必須評估作用光譜，則無法避開光譜量測。
• 在許多裝置中，組合使用是最佳解決方案：以較長間隔進行光譜驗證，並以寬頻量測進行連續製程監控。

逐項標準的完整並列比較，請參閱 選擇寬頻輻射計或光譜輻射計。

為什麼 UV-C 量測需要特別注意？
因為大多數紫外線光源在可見光與紅外線範圍內發出的功率，遠高於 UV-C 範圍幾個數量級——而矽基感測器恰好在該範圍內最為敏銳。因此儀器內部的雜散光可能產生比實際值更大的表面 UV-C 訊號。

什麼是光譜失配（spectral mismatch）？
當受測光源的光譜與用於校正儀器的燈管光譜不同時，就會產生此誤差。CIE 220:2016 說明了如何量化此誤差，以及如何將其作為校正係數應用。

應在距離燈管多遠處進行量測？
距離應足夠遠，使光源在感測器看來如同點光源——一般經驗法則為至少為其最大尺寸的十倍。在較短距離下量測所得的數值仍屬有效讀數，但不得使用平方反比定律換算至其他距離。

為什麼校正證書如此重要？
因為證書上記載了校正光源、光譜響應度以及量測不確定度。若缺少這三項資訊，讀數便無法與限值、其他儀器或先前的量測結果進行比較。

溫度如何影響輻照度？
溫度會在量測的兩端同時產生影響：感測器的光電二極體與濾光片皆具溫度依存性，且在 UVC 範圍的影響比 UVA 更為明顯；而水銀燈管與紫外線 LED 的輻射功率與峰值波長也會隨操作溫度而改變。因此，若要獲得可重現的數值，必須維持明確的操作溫度並採用固定且有記錄的量測距離。

六個問題可決定紫外線讀值是否可靠：

• 光譜響應度是否與光源的發射及預期的加權函數相符？
• 所量測的是定向輻射還是空間分布輻射，其角度響應是否適合？
• 讀值是否穩妥落在量測範圍與動態範圍之內？
• 次要波長或雜散光是否會使結果失真？
• 校正是否參照了足夠相似的光源與幾何配置？
• 量測不確定度是否小到足以符合製程限值？

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