Spektrale Fehlanpassung bei UV-Sensoren

Im Gegensatz zu Beleuchtungsstärke-Messgeräten sind UV-Sensoren für verschiedene Spektren und unterschiedliche spektrale Bereiche konstruiert. Damit eine UV-Sensor eine gewünschte spektrale Empfindlichkeit aufweist, werden herstellerspezifische  optische Filter verwendet um die spektrale Empfindlichkeit anzupassen. 

Das nachfolgende Bild verdeutlicht den Aufbau eines UV-Sensors bzw. eines Radiometers, wie er typischerweise zur Messung ultravioletter Strahlung eingesetzt wird. Der Sensor besteht aus mehreren optischen Filtern und einer Photodiode. Die weiteren elektrischen Komponenten, die Verstärkung und analog-digital-Wandlung machen sind hier nicht dargestellt.

Im Idealfall entspricht die Empfindlichkeitskurve einer konstanten, rechteckigen Bewertungsfunktion. In der Praxis kommt es jedoch zu Abweichungen – der sogenannten spektralen Fehlanpassung (spectral mismatch). Sie beschreibt die Differenz zwischen der tatsächlichen Empfindlichkeit des Sensors und der idealen Bewertungsfunktion. 

Die Ursache hierfür sind typisch für alle gefilterten UV-Sensoren, da die verwendeten optischen Filter keine idealen Sperr- und Durchlassbereiche und keine „unendlich“ steilen Filterflanken besitzen. Auch Photodioden zeigen eine typische, spektrale Empfindlichkeit. 

Einfluss der spektralen Empfindlichkeit

Die spektrale Empfindlichkeit ist eine charakteristische Geräteeigenschaft jedes UV-Sensors. Während Sensoren desselben Typs ähnliche Kennlinien zeigen, unterscheiden sich verschiedene Sensoren – je nach Hersteller, Typ und Spektralbereich – deutlich.
Der Messwert eines UV-Sensors hängt stark vom Emissionsspektrum der Lichtquelle ab. Ein auf eine bestimmte Quelle kalibrierter Sensor (z. B. Quecksilberdampflampe oder UV-LED) kann bei einer anderen Quelle deutliche Abweichungen zeigen.

Die Folge der spektralen Fehlanpassung ist eine quellenabhängige Messunsicherheit. Wird ein Sensor beispielsweise mit einer Breitbandlampe kalibriert, aber an einer schmalbandigen UV-LED eingesetzt, kann der Anzeigewert um mehrere zehn Prozent vom tatsächlichen Wirkungswert abweichen. Diese Abweichungen sind reproduzierbar und somit systematischer Natur.

Beispiel einer spektralen Fehlanpassung

Ein UV-Sensor besitzt eine reale Bewertungsfunktion (grau), während die ideale Kurve (schwarz) ein gleichmäßiges Ansprechverhalten beschreibt.

Bei einer 400 nm-LED beträgt die relative Empfindlichkeit 1,0.
Bei einer 425 nm-LED sinkt die relative Empfindlichkeit auf 0,9.

Der Anzeigewert ist also um rund 10 % kleiner. Moderne Messgeräte wie das RMD Radiometer kompensieren diesen Effekt intern, sofern der jeweilige Lampentyp (z. B. 400 nm oder 425 nm) korrekt ausgewählt wird.

Methoden zur Reduzierung der spektralen Fehlanpassung

1. Quellenabhängige Kalibrierung
UV-Sensoren werden bei Opsytec anwendungsspezifisch auf die tatsächlich eingesetzte Lampe oder LED kalibriert. Im Labor stehen hierzu zahlreiche industrielle UV-Quellen bereit, um die Kalibrierung exakt auf den gewünschten Spektralbereich abzustimmen.

2. Mathematische Korrektur
Bei modernen Radiometern kann der Kalibrierfaktor direkt im Sensor gespeichert werden. Der passende Kalibrierbereich – z. B. 365 nm für UVA-LEDs oder 450 nm für blaue LEDs – wird einfach am Messgerät ausgewählt. Für ältere oder externe Systeme kann Opsytec einen Korrekturfaktor bestimmen, der im Kalibrierzertifikat angegeben wird.

3. Einsatz von Spektralradiometern
Spektralradiometer erfassen das vollständige Spektrum und sind frei von spektraler Fehlanpassung. Durch die wellenlängenspezifische Kalibrierung wird jede Abweichung rechnerisch korrigiert. Für den mobilen Einsatz eignen sich insbesondere die Modelle UVpad und UVpad E.

Bedeutung für präzise UV-Messungen

Eine Kenntnis und Korrektur der Fehlanpassung ist daher Voraussetzung für verlässliche UV-Messungen, insbesondere in Anwendungen mit schmalbandigen oder spektral variablen Quellen wie UV-LED-Systemen. Hierfür stehen uns im Labor die Quellen oder Ihnen die UV-Sensoren und Spektralradiometer zur Verfügung.

Wichtig ist zu wissen, dass bei nur einer zu messenden UV-Lampe sich die spektrale Anpassung sehr gut korrigieren lässt. Teilen Sie uns hierzu einfach die zu messende Lampe oder die Anwendung mit.

Häufig dient beispielsweise eine Quecksilber-Niederdrucklampe als Kalibrierquelle für Detektoren, die in der Desinfektion verwendet werden. Dabei erfolgt die Kalibrierung z.B. auf den Spektralbereich 200-280 nm oder 240-290 nm. 

 Obwohl dieses Wirkungsspektrum einen breiten Wellenlängenbereich umfasst, wird in der Praxis meist ausschließlich die 253,7-nm-Linie der Quecksilberlampe genutzt, um die Empfindlichkeit des UV-Radiometers für diese einzelne spektrale Linie zu bestimmen.

Das Ergebnis dieser Kalibrierung liefert somit einen Kalibrierwert für eine spezifische Betriebsbedingung, ohne jedoch Informationen über die spektrale Empfindlichkeit des Detektors bereitzustellen.

Wollen sie viele unterschiedliche UV-Lampen und UV-LEDs messen, so empfehlen wir Ihnen ein Spektralradiometer.

Für den interessierten Leser:

Kalibrierstandards und Normen

Die spektrale Fehlanpassung ist in internationalen Normen beschrieben, insbesondere in CIE 220:2016 – Characterization and Calibration Methods of UV Radiometers.
Die Empfehlung lautet, die Kalibrierquelle so weit wie möglich an die tatsächliche Lichtquelle der Anwendung anzugleichen.

Für Anwendungen mit mehreren UV-Lampen oder UV-LEDs empfiehlt Opsytec den Einsatz eines Spektralradiometers zur vollständigen Erfassung und Bewertung des Emissionsspektrums.