尹德金，林方盛

（上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院，上海 201203）

前言

紫外輻射是波長(zhǎng)比可見(jiàn)紫色光更短的電磁輻射，波長(zhǎng)在10nm～400nm的范圍。通常按其性質(zhì)的不同，又細(xì)分為以下幾個(gè)波段：真空紫外線（Vacuum UV）波長(zhǎng)范圍10nm～180nm，主要為臭氧產(chǎn)生波段，該波段紫外線在經(jīng)過(guò)大氣層時(shí)都會(huì)被吸收產(chǎn)生臭氧；短波紫外線（UV-C）波長(zhǎng)范圍180nm～280nm，該波段紫外線可用于醫(yī)療防疫，最有代表性的為253.7nm紫外殺菌汞燈；中波紫外線（UV-B）波長(zhǎng)范圍280nm～315nm，此波段為人類皮膚敏感段，可用于日用化妝品測(cè)試、環(huán)境條件模擬等；長(zhǎng)波紫外線（UV-A）波長(zhǎng)范圍315nm～420nm，常用于材料加速老化、樣品耐久性試驗(yàn)和半導(dǎo)體封裝固化等工業(yè)領(lǐng)域。隨著紫外線在材料老化和耐久性試驗(yàn)領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，相應(yīng)的紫外波段測(cè)量設(shè)備（如紫外能量計(jì)、紫外輻照計(jì)、老化試驗(yàn)設(shè)備校準(zhǔn)儀等）也得到了廣泛應(yīng)用。

1 老化試驗(yàn)紫外輻射源的特點(diǎn)及對(duì)定標(biāo)的影響

1.1 老化試驗(yàn)紫外輻射源的特點(diǎn)

目前在材料試驗(yàn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用紫外老化試驗(yàn)機(jī)，其輻射源其輻射半寬通常在50nm左右，在紫外波段峰值波長(zhǎng)有313nm、340nm、351nm或365nm等幾類（如圖1所示）。

圖1 兩種典型的紫外老化試驗(yàn)用光源相對(duì)光譜分布

該類設(shè)備的輻射強(qiáng)度控制通常通過(guò)系統(tǒng)附帶的紫外輻射強(qiáng)度檢測(cè)儀表進(jìn)行監(jiān)測(cè)，許多設(shè)備還具有反饋控制功能，可以動(dòng)態(tài)對(duì)試驗(yàn)機(jī)的輻射強(qiáng)度進(jìn)行控制。因此，該類紫外輻射檢測(cè)儀表的準(zhǔn)確定標(biāo)，是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠的前提。目前該類儀表的標(biāo)定均采取比較法，以標(biāo)準(zhǔn)紫外輻照計(jì)或能量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)器，將待標(biāo)定設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)器在相同紫外輻射照射條件下進(jìn)行比較測(cè)量。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)紫外輻射源的穩(wěn)定性對(duì)定標(biāo)的影響

由于技術(shù)原因，目前常用的提供檢測(cè)所需輸入信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)紫外輻射源如：紫外線燈管、低壓汞燈、高壓汞燈等，其輻射輸出的強(qiáng)度、均勻性、穩(wěn)定性等，都對(duì)測(cè)量結(jié)果具有非常大的影響。然而該類標(biāo)準(zhǔn)光源往往使用頻繁，加之其本身也有老化曲線，實(shí)驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)輻射源的短期和長(zhǎng)期穩(wěn)定性往往不盡如人意（如圖2）。

如圖2數(shù)據(jù)所示，將試驗(yàn)對(duì)象開(kāi)機(jī)預(yù)熱達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)后，該光源僅在10分鐘的監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)，其輸出強(qiáng)度最高值在18.8mW/cm2，最低值在18.4mW/cm2，變化量就達(dá)到了2%，而通常一臺(tái)老化試驗(yàn)監(jiān)測(cè)用紫外檢測(cè)儀表的標(biāo)定用時(shí)往往遠(yuǎn)超出10分鐘，而這期間光源本身的變化量是測(cè)量誤差的一個(gè)重要來(lái)源。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)紫外輻射源的均勻性對(duì)定標(biāo)的影響

標(biāo)準(zhǔn)紫外輻射光源的面均勻性等也存在差異和變化，圖3即為一張2π空間輻射的紫外輻射源光斑的照片。從照片中可以肉眼觀測(cè)到，光斑中心較四周更加明亮。

圖2 一種紫外輻射源穩(wěn)定性數(shù)據(jù)

對(duì)圖3光斑使用圖像分析軟件進(jìn)行分析，可以從側(cè)面反映出輻射源發(fā)光的穩(wěn)定性，分析結(jié)果如圖4。從中可以看到，光斑中心區(qū)域強(qiáng)度明顯高于周?chē)鷧^(qū)域，因此如果紫外輻照儀表的探測(cè)器面積大小不一，標(biāo)定過(guò)程必然會(huì)受到光斑輻射強(qiáng)度不均勻性的影響，帶來(lái)顯著測(cè)量誤差。

而目前市面上常見(jiàn)的紫外輻照儀表的探測(cè)器直徑從0.5毫米到幾十毫米不等，我們同時(shí)使用標(biāo)準(zhǔn)紫外輻射照度計(jì)對(duì)光斑在20mm直徑內(nèi)的均勻性進(jìn)行了直接測(cè)量，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了分析，測(cè)量數(shù)據(jù)和分析結(jié)果如圖5。

圖3 一臺(tái)紫外輻射源的光斑照片

圖4 對(duì)圖3 中紫外輻射源光斑分析數(shù)據(jù)

圖5 本實(shí)驗(yàn)室紫外輻射源均勻性數(shù)據(jù)及分析結(jié)果

在光斑中心直徑20mm范圍內(nèi)，均勻性為±5.5%。從圖5中可以看到，光斑呈現(xiàn)明顯的高斯型。采用高斯函數(shù)：

對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行擬合，得到擬合結(jié)果如表1。

2 對(duì)改進(jìn)紫外輻射標(biāo)準(zhǔn)光源性能指標(biāo)的探討

通過(guò)以上分析，可以看到目前所用的標(biāo)準(zhǔn)紫外輻射源在均勻性和穩(wěn)定性上，都存在改進(jìn)的空間。由于該類光源同時(shí)還需要滿足發(fā)光強(qiáng)度、光譜匹配等技術(shù)要求，單獨(dú)從工藝入手來(lái)提高其穩(wěn)定性和均勻性等指標(biāo)是非常困難的。那么有沒(méi)有辦法通過(guò)其他途徑來(lái)提高這兩項(xiàng)指標(biāo)呢？在可見(jiàn)光波段所采用的一些技術(shù)方案可以提供一些借鑒。

隨著近年來(lái)新型光電器件如CCD、CMOS、IRFPA等在光電成像、探測(cè)領(lǐng)域的大量應(yīng)用[1]，用于定標(biāo)該類設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)輻射源的穩(wěn)定性、均勻性對(duì)于定標(biāo)系統(tǒng)至關(guān)重要。在這類測(cè)試應(yīng)用中，往往采用積分球提供一個(gè)均勻的輻照照明。在某些情況下，這類測(cè)試可以根據(jù)積分球理論在積分球開(kāi)口處評(píng)價(jià)輻射照明的強(qiáng)度和均勻性。

積分球作為一個(gè)均勻漫射擴(kuò)散光源用于輻射度量和測(cè)試已有幾十年歷史，過(guò)去的研究充分討論了不同幾何條件和不同遮擋條件對(duì)積分球內(nèi)壁照度均勻性的影響[2]。而在積分球開(kāi)口處進(jìn)行的光學(xué)測(cè)試則表明理論計(jì)算給出的球面照度分布與實(shí)際測(cè)量結(jié)果也具有很好的一致性。積分球輻射源是一種非常優(yōu)異的定標(biāo)光源, 其輸出的輻射面均勻性和穩(wěn)定性是普通光源無(wú)法比擬的（見(jiàn)圖6）。

表1 對(duì)本實(shí)驗(yàn)室紫外輻射源均勻性數(shù)據(jù)擬合結(jié)果

圖6 積分球輻射源原理示意圖

積分球理論[3]的基本要點(diǎn)是：如果一個(gè)光源放在一內(nèi)壁均勻漫反射的空心球內(nèi)，則球表面任何部分的輻照度相同，并正比于光源輻射的總通量：

其中F為求內(nèi)總光通量，r為球半徑，ρ為球壁反射率，E為反射引起的球壁輻照度。

在(2)式的推導(dǎo)中，假設(shè)了球?yàn)橥暾?，即無(wú)開(kāi)口、球內(nèi)無(wú)任何物體的空心球，這在實(shí)際中是不可能的。為此，考慮到這一影響修正后，在球內(nèi)光源不直接照射球壁單一開(kāi)口的條件下，該開(kāi)口處的輻照度為[4]：

其中f是所有開(kāi)口面積與球面積之比，E是出口處的輻照度。(3)式表明，參數(shù)ρ、f一定時(shí)，只要在球內(nèi)引入輻射源，在球開(kāi)口處即可得到適當(dāng)強(qiáng)度的漫輻射，用作儀器的定標(biāo)[5]。

基于上述理論，我們自主設(shè)計(jì)了一套應(yīng)用于紫外波段測(cè)量的積分球光源系統(tǒng)，整套系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖7。

該系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)輻射源的穩(wěn)定性，同時(shí)還可以通過(guò)運(yùn)算對(duì)光源自身的波段進(jìn)行補(bǔ)償。在積分球上安裝UV波段探測(cè)器進(jìn)行監(jiān)測(cè), 用于記錄定標(biāo)過(guò)程中UV點(diǎn)光源輸入強(qiáng)度波動(dòng)引起的輻射度變化，通過(guò)對(duì)積分球內(nèi)輻射強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，按照公式：

圖7 積分球輻射源設(shè)計(jì)圖

計(jì)算輻射穩(wěn)定性。每次測(cè)量時(shí)，對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的光源輻射強(qiáng)度相對(duì)平均值進(jìn)行歸一化，可以對(duì)測(cè)試過(guò)程中輻射源的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，也可以修正輻射源穩(wěn)定性帶來(lái)的影響。同時(shí)，根據(jù)積分球理論的計(jì)算結(jié)果，在出光口處可以形成均勻的照明體，從而改善標(biāo)準(zhǔn)紫外輻射源光斑的均勻性。目前，紫外波段高反射率涂層技術(shù)已經(jīng)非常成熟，該方案的關(guān)鍵在于選取合適直徑的積分球，從而在出光口輻射強(qiáng)度和均勻性指標(biāo)上取得最優(yōu)。

3 結(jié)論

老化試驗(yàn)機(jī)配套檢測(cè)設(shè)備的定標(biāo)直接影響到試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)用于定標(biāo)該類設(shè)備的紫外輻射源的穩(wěn)定性和均勻性進(jìn)行了研究。在同時(shí)需滿足發(fā)光強(qiáng)度及光譜匹配等條件下，從工藝上提高該類標(biāo)準(zhǔn)紫外輻射源的性能指標(biāo)是非常困難的，本文探討了一種參照可見(jiàn)光波段光源的做法，充分利用了積分球結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一套優(yōu)化紫外輻射源性能指標(biāo)的可行性方案。

[1]K. Shiokawa, Integrating-sphere calibration of all-sky cameras for nightglow measurements, SPIE, 2000: 1025-1028.

[2]周勝利. 積分球在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用于空間遙感器的輻射定標(biāo)[J].航天返回與遙感,1998,19（1）：29-34.

[3]I.W.T.Walsh;”P(pán)hotometry”, (London, Constable and Co.,1958),258.

[4]D.G.Goebel; Appl.Opt.,1967, 6, No.4(Jan), 125～128.

[5]金中海等,紫外至近紅外積分球輻射定標(biāo)系統(tǒng)[J].光學(xué)學(xué)報(bào),1989 Vol. 9 No. 6, 556-560.

[6]徐秋云等,外部導(dǎo)入激光的積分球輻射源的研制[J].光學(xué)精密工程，2009 Vol.17，738-744.