紫外線感測器之光譜不匹配

光譜不匹配是指紫外線感測器的實際光譜響應度與理想矩形加權函數之間的差異。此現象出現在每一個具濾光片的感測器上，因為光學濾光片並無理想的阻隔頻帶與通過頻帶。因此，針對某一特定燈源校正的感測器，在光譜不同的光源上會系統性地顯示出偏差的讀值。

與照度計不同，紫外線感測器是針對不同光譜與不同光譜範圍所設計的。為確保紫外線感測器具有所需的光譜靈敏度，會使用製造商專用的光學濾光片來調整其光譜靈敏度。

下圖說明了 紫外線感測器或輻射計的結構，此類裝置通常用於量測紫外線輻射。該感測器由多個光學濾光片與一個光二極體組成。其他電子元件，例如放大與類比轉數位轉換部分，則未於此處顯示。

理想情況下，感測靈敏度曲線應對應一個恆定的矩形加權函數。然而，實務上會出現偏差 - 即所謂的光譜失配。這描述了感測器實際靈敏度與理想加權函數之間的差異。 

造成此現象的原因對所有濾光型紫外線感測器而言皆屬典型，因為所使用的光學濾光片並不具備理想的截止與通過範圍，也沒有「無限」陡峭的濾光邊緣。光二極體同樣顯示出典型的光譜靈敏度。 

光譜靈敏度的影響

光譜靈敏度是每個紫外線感測器的特有裝置屬性。同類型的感測器會顯示相似的特性，但不同的感測器——依製造商、型號及波長範圍而異——則會有顯著差異。
紫外線感測器的測量值高度取決於光源的發射光譜。針對特定光源（例如水銀燈或 UV LED）校正的感測器，在使用不同光源時可能出現顯著偏差。
 

光譜不匹配的結果是與光源相關的測量不確定性。例如，若感測器使用寬頻燈校正，但實際搭配窄頻 UV LED 使用，顯示值與實際有效值之間的偏差可能達到數十個百分比。這些偏差具有可重現性，因此屬於系統性偏差。

光譜不匹配範例

某紫外線感測器具有實際加權函數（灰色），而理想曲線（黑色）則代表均勻響應。

對於 400 nm 的 LED，相對靈敏度為 1.0。
對於 425 nm 的 LED，相對靈敏度降至 0.9。

因此顯示值約小 10 %。現代量測裝置，例如 RMD 輻射計，只要正確選擇對應的燈型（例如 400 nm 或 425 nm），便能在內部補償此效應。

減少光譜失配的方法

1. 光源相依校正
在 Opsytec，紫外線感測器是針對特定應用所使用的實際燈管或 LED 進行校正。實驗室備有多種工業用紫外線光源，以便將校正精確調整至所需的光譜範圍。

2. 數學校正
使用現代輻射計時，校正係數可直接儲存於感測器中。只需在量測裝置上選擇適當的校正範圍－例如 UVA LED 為 365 nm，藍光 LED 為 450 nm。對於較舊或外部系統，Opsytec 可確定一項校正係數，並記載於校正證書中。

3. 使用光譜輻射計
光譜輻射計可擷取完整光譜；因濾光曲線所造成的失配問題得以消除，而雜散光與波長校正仍為不確定性來源。透過波長特定校正，任何偏差皆可經計算予以修正。UVpad 與 UVpad E 型號特別適合行動應用。

對精確紫外線量測的重要性

因此，了解並修正失配是可靠紫外線量測的先決條件，尤其是在使用窄頻或光譜可變光源（如紫外線 LED 系統）的應用中。應要求，Opsytec 可針對實際使用的光源進行校正。

若僅需量測單一紫外線燈管，則光譜失配可獲得很好的修正；只需指明燈管或應用即可。

例如，低壓水銀燈常被用作消毒用偵測器的校正光源。校正通常在 200–280 nm 或 240–290 nm 的光譜範圍內進行。

儘管此有效光譜涵蓋相當廣的波長範圍，但實務上通常僅使用水銀燈的 253.7 nm 譜線，來針對此單一光譜線確定紫外線輻射計的靈敏度。

因此，此校正的結果提供的是特定操作條件下的校正值，但並未提供該偵測器光譜靈敏度的相關資訊。

若您需要量測多種不同的紫外線燈管與紫外線 LED，我們建議使用光譜輻射計。
 

供有興趣的讀者參考：

校正標準與規範

光譜失配已於國際標準中加以說明，特別是 CIE 220:2016－紫外線輻射計之特性描述與校正方法。
建議將校正光源盡可能貼近應用中實際使用的光源。

對於使用多種紫外線燈管或紫外線 LED 的應用，Opsytec 建議使用光譜輻射計，以完整擷取並評估發射光譜。
 

這對生產線上的連續監測意味著什麼－包括取樣率、感測器頻段與介面－皆於應用頁面用於自動化與製程整合的紫外線技術中有詳細說明。

如何計算光譜失配？
透過失配因子 F 進行計算。它將理想響應函數在所測光源上應得的數值，與感測器在該處實際指示的數值相關聯——兩者皆以校正光源進行歸一化：
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]
需要四個量：校正光源與所測光源的光譜輻照度，以及感測器的實際與理想光譜響應度。讀值會乘上 F。由於此偏差具有系統性且可重現，因此可在校正證書中以固定校正係數表示，或作為校正範圍儲存於輻射計中。

實際上誤差有多大？
這取決於校正光源與所測光源在光譜上的差異程度。在同一感測器響應曲線範圍內，誤差通常僅為百分之幾：例如某感測器在 400 nm 的相對響應度為 1.0，在 425 nm 為 0.9，則該 425 nm LED 的讀值會低約 10 %。然而，若將以寬頻燈校正的感測器用於窄頻紫外線 LED，讀值與真實加權值之間的偏差可達數十個百分點。此偏差是可重現的，因此屬於系統性誤差——可加以校正，但無法透過重複測量來平均消除。

如何校正光譜失配？
有三種方式。第一，採用光源專用校正：以實際使用的燈或 LED 對感測器進行校正。第二，透過運算方式——現代輻射計會將校正係數儲存於感測器中，並在儀器上選擇對應的量測範圍；對於較舊或第三方系統，則可求出校正係數並記載於校正證書中。第三，使用光譜輻射計，因其擷取完整光譜，原則上不受光譜失配影響。若僅須量測單一光源，校正方式效果極佳；若須量測多種不同光源，則光譜輻射計是安全的做法。

為何在 253.7 nm 進行的校正無法說明光譜響應度？
因為它僅確立單一操作點。在消毒應用中，低壓水銀燈常作為校正光源，校正基準通常參照約 200 至 280 nm 或 240 至 290 nm 的光譜範圍，但實務上幾乎僅使用其中的 253.7 nm 譜線。其結果僅是針對該特定條件的校正值——並無法說明偵測器光譜響應度的曲線形狀，也不能轉用於相同光譜範圍內的其他光源。因此 CIE 220:2016 建議應盡可能使校正光源與應用光源相符。