Wie UV-Sensoren funktionieren: Breitbandradiometer und Spektralradiometer im Vergleich

UV-Strahlung lässt sich nicht sehen, nicht riechen und nicht fühlen – messen lässt sie sich nur mittelbar, über die Wirkung auf einen Detektor. Ob das Ergebnis belastbar ist, entscheidet sich deshalb nicht am Display, sondern an vier Punkten: an der spektralen Empfindlichkeit des Sensors, an seinem Winkelgang, am Streulichtverhalten des Messsystems und an der Rückführbarkeit der Kalibrierung. Dieser Beitrag erklärt den Aufbau der beiden gebräuchlichen Gerätefamilien – Breitbandradiometer und Spektralradiometer – und zeigt, in welchen Situationen welches Verfahren die kleinere Messunsicherheit liefert.

Am Anfang jeder UV-Messung steht die Frage, welche Größe überhaupt bestimmt werden soll. In der industriellen Praxis ist dies fast immer die Bestrahlungsstärke E in W/m², also die auf eine Fläche auftreffende Strahlungsleistung. Die zeitlich integrierte Bestrahlungsstärke ergibt die Bestrahlung H in J/m², umgangssprachlich meist „Dosis“ genannt – die maßgebliche Größe bei der sicheren UV-Desinfektion ebenso wie bei der UV-Härtung. Die Umrechnung zwischen beiden Größen nimmt Ihnen unser Radiometrie-Rechner für UV und Licht ab.

Für eine punktförmige, radial abstrahlende Quelle gilt das quadratische Abstandsgesetz: Verdoppelt man den Messabstand, verteilt sich derselbe Strahlungsfluss auf die vierfache Fläche, die Bestrahlungsstärke sinkt auf ein Viertel.

Dieses Gesetz gilt allerdings nur unter einer Bedingung, die in der Praxis regelmäßig übersehen wird: Die Quelle muss aus Sicht des Sensors punktförmig sein. Als Faustregel hat sich ein Messabstand von r ≥ 10 · d etabliert, wobei d die größte Ausdehnung der strahlenden Fläche ist.

Zwei weitere Randbedingungen sind ebenso wichtig: die Ausrichtung des Sensors zur Quelle und die Frage, welcher Spektralbereich überhaupt bewertet wird. Beide führen direkt zum Aufbau der Messgeräte.

Ein Breitbandradiometer bewertet die einfallende Strahlung mit einer festen, durch die Optik vorgegebenen spektralen Empfindlichkeitsfunktion s(λ) und liefert einen einzigen Zahlenwert. Der Messkopf ist ein Stapel optischer Komponenten, deren Reihenfolge kein Zufall ist.

Optisches Fenster. Meist Quarzglas, weil gewöhnliches Kalk-Natron-Glas unterhalb von etwa 300 nm praktisch undurchlässig ist. Das Fenster schützt die dahinterliegenden Komponenten und dichtet den Messkopf gegen Prozessmedien ab.

Diffusor. Er streut die einfallende Strahlung und erzeugt so den kosinusförmigen Winkelgang. Der Diffusor ist damit kein Zubehör, sondern die Komponente, die überhaupt erst eine flächenbezogene Messgröße definiert.

Filterstapel. Hier entsteht die eigentliche spektrale Bewertung – typischerweise aus einer Kombination von Interferenzfiltern und Farbgläsern. Der Stapel definiert, ob das Gerät UV-A, UV-B, UV-C oder eine anwendungsbezogene Wirkungsfunktion misst.

Detektor. Silizium-Photodioden sind der Standard; für UV-C-Anwendungen kommen zunehmend SiC- oder GaP-Dioden zum Einsatz, die von Haus aus im sichtbaren Bereich unempfindlich sind und damit den Filterstapel entlasten.

Anschließend wandelt ein Transimpedanzverstärker den Photostrom in eine Spannung, ein A/D-Wandler digitalisiert sie. Der große Vorteil dieser Bauart: Ein Photostrom lässt sich über viele Dekaden linear messen. Radiometer erreichen deshalb Dynamikbereiche, die ein Array-Spektrometer nicht erreicht – und sie sind robust, kompakt und vergleichsweise preiswert.

Die ASTM G130-12(2020) unterscheidet nach der Halbwertsbreite Δλ der Empfindlichkeitsfunktion in schmalbandige Radiometer (Δλ ≤ 20 nm), breitbandige (20 nm ≤ Δλ ≤ 70 nm) und weitbandige Geräte (Δλ ≥ 70 nm). Diese Einteilung ist mehr als Terminologie: Je breiter der Spektralbereich, desto stärker hängt der Messwert vom Spektrum der gemessenen Quelle ab.

Ein Spektralradiometer zerlegt die Strahlung in ihre spektralen Anteile und misst die spektrale Bestrahlungsstärke E(λ) in W/(m²·nm). Aus diesem Spektrum lässt sich anschließend jeder beliebige Spektralbereich oder jede Wirkungsfunktion rechnerisch ableiten – genau darin liegt die Universalität dieser Geräteklasse.

Der Strahlengang beginnt wie beim Radiometer mit einer Eingangsoptik, meist einem Diffusor als Kosinusempfänger. Ein Lichtwellenleiter führt die Strahlung zum Eintrittsspalt. Ein Kollimatorspiegel formt daraus ein paralleles Bündel, das auf ein optisches Gitter trifft. Das Gitter beugt die Strahlung wellenlängenabhängig, ein Fokussierspiegel bildet das entstandene Spektrum auf eine Detektorzeile ab – CCD oder CMOS.

So elegant das Prinzip ist, so unnachgiebig ist seine physikalische Schwachstelle. Ein Gitter erzeugt nicht nur die gewünschte erste Beugungsordnung, sondern auch höhere Ordnungen, die aus dem Strahlengang herausgeführt werden müssen. Dazu kommt Streuung an Spiegeln, Fassungen und Gehäuseflächen. Beides führt dazu, dass an der Stelle einer kurzen Wellenlänge Signalanteile langwelliger Strahlung landen.

Ein Breitbandradiometer misst nie „die UV-A-Strahlung". Es bildet ein gewichtetes Integral über das Produkt aus Quellspektrum und Empfindlichkeitsfunktion. Solange das Spektrum der Messquelle dem der Kalibrierlampe gleicht, ist das unproblematisch. Weicht es ab, entsteht der spektrale Mismatch-Fehler.

Besonders kritisch wird es, wenn die Emission des Prüflings auf einer Flanke der Empfindlichkeitskurve liegt. Dann schlagen Fertigungstoleranzen des Filters unmittelbar auf den Messwert durch. Das ist keine theoretische Sorge: Für einen UV-B-Kantenfilter vom Typ WG320 darf die 50-%-Kante herstellerseitig zwischen etwa 314 nm und 326 nm liegen. Je nachdem, welches Exemplar verbaut ist, ergeben sich für dieselbe Quelle Abweichungen, die von wenigen Zehntelprozent bis in den einstelligen Prozentbereich reichen können – ohne dass das Gerät „defekt" wäre.

Die CIE 220:2016 „Characterization and Calibration Methods of UV Radiometers" (erarbeitet vom CIE-Komitee TC 2-47) beschreibt hierfür ein systematisches Vorgehen. Der Bericht überträgt die aus der Photometrie bekannten Qualitätskennzahlen der ISO/CIE 19476:2014 auf UV-Radiometer – unter anderem f1' für den spektralen Mismatch, f2 für den Winkelgang, f3 für die Linearität sowie Kennzahlen für Ermüdung, Temperatur- und Feuchteeinfluss. Weil UV-Radiometer anders als Beleuchtungsstärkemessgeräte nicht auf eine einzige Referenzlichtart ausgelegt sind, definiert CIE 220:2016 gleich drei Referenzspektren und ergänzt im Anhang zehn reale Quellspektren – von der Niederdruck- und Mitteldruck-Quecksilberlampe über Xenon- und HMI-Strahler bis zum Sonnenspektrum.

Praktische Konsequenz: Wer die spektrale Empfindlichkeit seines Radiometers und das Spektrum seiner Quelle kennt, kann den Mismatch-Faktor berechnen und als Korrekturfaktor anwenden. Das setzt allerdings voraus, dass der Hersteller die individuell gemessene relative spektrale Empfindlichkeit und das Spektrum der Kalibrierlampe im Kalibrierschein ausweist.

Bei der Messung im UV-C tritt eine Schwierigkeit auf, die auf den ersten Blick paradox wirkt: Das Problem ist nicht das UV, sondern alles andere. Eine Quecksilber-Mitteldrucklampe strahlt im Sichtbaren und im nahen Infrarot um Größenordnungen mehr Leistung ab als im UV-C-Spektralbereich. Streut nur ein Bruchteil dieser Leistung im Gerät auf den Kanal bei 254 nm, entsteht dort ein scheinbares Signal, das den echten Messwert übersteigen kann. Wie stark dieses Missverhältnis bei einer konkreten Lampe ausfällt, zeigt der Spektraldatenbank-Explorer.

Die Größenordnungen unterscheiden sich dramatisch: Ein Doppelmonochromator erreicht ein relatives Streulicht von etwa 10⁻⁷ bis 10⁻⁹, ein Array-Spektrometer liegt bei 10⁻³ bis 10⁻⁵, ein Mikro-Array-Spektrometer nur bei 10⁻¹ bis 10⁻².

Ein Doppelmonochromator führt die Strahlung zweimal über ein Gitter und unterdrückt Streulicht dadurch um mehrere Dekaden stärker als ein einstufiges System. Der Preis dafür sind Baugröße, Messzeit und Kosten – weshalb er im Labor als Referenzinstrument, nicht aber im Feld eingesetzt wird.

Verschärft wird die Lage durch die IR-Empfindlichkeit siliziumbasierter Detektorzeilen: Sie sind gerade dort besonders empfindlich, wo die störende Strahlung am stärksten ist. Ohne geeignete Ordnungsfilter und ohne dokumentierte Streulichtkorrektur sind UV-C-Messungen mit kompakten Array-Spektrometern mit erheblichen, oft unbekannten Unsicherheiten behaftet.

Bestrahlungsstärke ist definiert als Strahlungsleistung pro Fläche – gemessen auf einer ebenen Fläche. Trifft Strahlung schräg auf, verteilt sich derselbe Fluss auf eine größere Fläche; das Signal muss folglich mit cos θ abnehmen. Ein realer Empfänger tut das nur näherungsweise: Bei großen Einfallswinkeln kommt es zu Reflexionen an den Grenzflächen.

Die Kennzahl f2 beschreibt die mittlere Abweichung vom idealen Kosinusverlauf. Sie ist überall dort entscheidend, wo nicht senkrecht bestrahlt wird: in UV-Desinfektionsreaktoren, in Bestrahlungskammern mit reflektierenden Wänden, bei der Bahnware-Härtung. In einer Kammer mit hochreflektierenden Wänden kann der diffuse Anteil den direkten übersteigen – ein Sensor mit schlechtem Winkelgang unterschätzt dann systematisch.

Praktisch erkennt man die Qualität der Kosinusbewertung oft schon an der Bauform: an der Größe und Diffusität der Eintrittsoptik und daran, wie weit sie über die Gehäusekante hinausragt.

Die in der UV-Technik verwendeten Quellen unterscheiden sich in ihrer spektralen Bestrahlungsstärke um mehr als sieben Dekaden – von der Deuteriumlampe als Kalibriernormal bis zur 6-kW-Quecksilberlampe in der Härtungsanlage.

Ein volldigitales Radiometer deckt diesen Bereich über die Photostrommessung und Messbereichsumschaltung ab. Ein Array-Spektrometer ist durch den Full-Well-Speicher seiner Pixel und die Ausleserauschgrenze begrenzt; es arbeitet über Integrationszeitanpassung, was zu Lasten der Messzeit geht und an beiden Enden des Bereichs an Grenzen stößt.

Die vorangegangenen Abschnitte haben beide Geräteklassen einzeln betrachtet. Die folgende Übersicht stellt sie Kriterium für Kriterium gegenüber. Sie ist bewusst keine Rangliste: Bei nahezu jedem Punkt liegt der Vorteil auf der einen oder der anderen Seite, und die Stärken der einen Bauart sind genau die Schwächen der anderen.

Die Tabelle lässt sich in zwei Blöcken lesen: Die oberen Zeilen betreffen das Messprinzip und seine systematischen Grenzen, die unteren den Aufwand im laufenden Betrieb. Auffällig ist die Symmetrie – dort, wo die eine Bauart ihre Hauptfehlerquelle hat, ist die andere prinzipbedingt unauffällig. Genau deshalb lässt sich die Wahl selten am Datenblatt allein treffen: Sie folgt aus der Messaufgabe und vor allem aus der Frage, ob das Spektrum der Quelle bekannt ist und konstant bleibt. Abschnitt 7 fasst diese Kriterien zu einer Entscheidungshilfe zusammen.

Ein Messwert ohne Rückführung ist eine Zahl ohne Bezugssystem. Die metrologische Kette reicht vom nationalen Metrologieinstitut bis zum Gerät in der Fertigung – und auf jeder Stufe wächst die Messunsicherheit.

An der Spitze steht das nationale Metrologieinstitut – in Deutschland die PTB, in den USA das NIST –, das die Einheit realisiert. Darunter folgt das nach ISO/IEC 17025 akkreditierte Kalibrierlabor, das mit eigenen Normalen arbeitet und dessen Kompetenz durch eine Akkreditierungsstelle regelmäßig begutachtet wird. Prüflaboratorien messen nach festgelegter Vorschrift. Eine Werkskalibrierung kann durchaus rückführbar sein, ist aber nicht durch eine unabhängige Begutachtung abgesichert. Ganz unten steht die nicht rückgeführte Kalibrierung: Sie liefert reproduzierbare Zahlen, aber keine belastbare Messunsicherheit.

Der übliche Weg beginnt bei einem Spektralnormal – einer FEL-Lampe mit 1000 W für den UV-A- und sichtbaren Bereich, einer Deuteriumlampe für den kurzwelligen Bereich. Mit diesem Normal wird ein Spektralradiometer kalibriert (ASTM G138-12(2020)e1). Das kalibrierte Spektralradiometer vermisst anschließend eine produktionsnahe UV-Lampe – also eine Quelle, die dem späteren Messobjekt spektral möglichst ähnlich ist. Gegen diese Lampe wird das Referenzradiometer kalibriert (ASTM G130-12(2020)), von dem aus die Kalibrierung schließlich auf die Feldgeräte übertragen wird (ASTM E824-26).

Der Kunstgriff steckt im dritten Schritt: Indem eine produktionsnahe Lampe als Transferquelle dient, wird das Radiometer unter denselben spektralen Bedingungen kalibriert, unter denen es später messen soll. Der spektrale Mismatch – die Hauptfehlerquelle des Breitbandradiometers – wird damit weitgehend eliminiert. Genau das ist der Grund, warum ein sauber kalibriertes Breitbandradiometer für einen bekannten Lampentyp ein Spektralradiometer in der Genauigkeit übertreffen kann.

Zur Kalibrierung selbst kommen zwei Lampenfamilien zum Einsatz: Linienstrahler, etwa Quecksilber-Niederdrucklampen, für die Wellenlängenkalibrierung, und Kontinuumstrahler – Deuteriumlampen und Halogen-Glühlampen – für die spektrale Empfindlichkeitskalibrierung. Bei Halogenlampen ist besondere Sorgfalt geboten, weil ihr starker langwelliger Anteil im Gerät gestreut wird und ohne Korrektur genau jenen Streulichtfehler erzeugt, den man messen will.

Die CIE 250:2022 „Spectroradiometric Measurement of Optical Radiation Sources" (CIE TC 2-80) ist der aktuelle Referenztext für spektroradiometrische Messungen im Bereich von 200 nm bis 2500 nm. Sie ersetzt die fast vierzig Jahre alte CIE 063-1984 und gibt einen detaillierten Überblick über die physikalischen Effekte, die bei der Abschätzung der Messunsicherheit zu berücksichtigen sind.

In der Praxis zeigt sich dabei ein charakteristischer Verlauf: Die kleinste erreichbare Messunsicherheit ist im kurzwelligen UV am größten und nimmt zu längeren Wellenlängen hin ab. Typische Werte akkreditierter Kalibrierungen liegen bei etwa 6 % im Bereich um 200–230 nm, bei rund 3,5 % im UV-B und UV-A und bei knapp unter 3 % im sichtbaren Bereich (jeweils erweiterte Messunsicherheit, k = 2). Die Ursachen für diesen Verlauf sind physikalisch: geringere Strahldichte der Normale, stärkere Streulichteinflüsse und die höhere Empfindlichkeit optischer Materialien gegenüber Alterung und Verschmutzung.

Ein Breitbandradiometer ist die richtige Wahl, wenn:

• der Lampentyp bekannt ist und konstant bleibt
• kontinuierlich oder prozessbegleitend gemessen werden soll
• große Dynamik oder kurze Ansprechzeiten gefordert sind
• der Sensor rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist
• mehrere Messstellen ausgerüstet werden sollen

Umgekehrt lohnt sich der höhere Aufwand einer spektralen Messung immer dann, wenn die Quelle selbst zur Unbekannten wird.

Ein Spektralradiometer ist die richtige Wahl, wenn:

• der Lampentyp wechselt oder unbekannt ist
• Wirkungsfunktionen bewertet werden müssen – etwa nach DIN EN 62471 oder für die UV-Desinfektion
• die Alterung einer Lampe spektral verfolgt werden soll
• Radiometer kalibriert oder verifiziert werden sollen
• ein spektraler Nachweis dokumentiert werden muss

In vielen Anlagen ist die Kombination die beste Lösung: Das Spektralradiometer dient der periodischen Verifikation und der Charakterisierung des Lampenspektrums, die Breitbandradiometer übernehmen die laufende Prozessüberwachung. Das verbindet den spektralen Nachweis mit der Robustheit und Wirtschaftlichkeit der Filterradiometrie.

Was ist der Unterschied zwischen einem Breitbandradiometer und einem Spektralradiometer?
Ein Breitbandradiometer bewertet die einfallende Strahlung mit einer festen, durch seine Filter vorgegebenen spektralen Empfindlichkeit und liefert einen einzigen Zahlenwert. Ein Spektralradiometer zerlegt die Strahlung und misst die Bestrahlungsstärke Wellenlänge für Wellenlänge – jeder Spektralbereich und jede Wirkungsfunktion lässt sich daraus nachträglich berechnen.

Welches Gerät misst genauer?
Das hängt von der Quelle ab. Bei einem bekannten, konstanten Lampentyp ist ein gegen eine produktionsnahe Lampe kalibriertes Breitbandradiometer meist genauer, weil der spektrale Mismatch dabei weitgehend entfällt und Dynamikbereich wie Streulichtverhalten überlegen sind. Bei unbekannten oder wechselnden Quellen ist das Spektralradiometer genauer, weil es prinzipbedingt keinen Mismatch-Fehler kennt.

Warum ist eine UV-C-Messung besonders heikel?
Weil die meisten UV-Quellen im Sichtbaren und im Infraroten um Größenordnungen mehr Leistung abstrahlen als im UV-C – und siliziumbasierte Detektoren genau dort am empfindlichsten sind. Streulicht im Gerät kann deshalb ein scheinbares UV-C-Signal erzeugen, das größer ist als das echte.

Was ist der spektrale Mismatch?
Der Fehler, der entsteht, wenn sich das Spektrum der gemessenen Quelle vom Spektrum der Lampe unterscheidet, mit der das Gerät kalibriert wurde. Die CIE 220:2016 beschreibt, wie er sich quantifizieren und als Korrekturfaktor anwenden lässt.

In welchem Abstand zur Lampe sollte gemessen werden?
Weit genug, dass sich die Quelle aus Sicht des Sensors wie eine Punktquelle verhält – als Faustregel mindestens das Zehnfache ihrer größten Ausdehnung. Messungen aus geringerem Abstand bleiben gültige Messwerte, dürfen aber nicht über das quadratische Abstandsgesetz auf andere Abstände umgerechnet werden.

Warum ist der Kalibrierschein so wichtig?
Weil er die Kalibrierquelle, die spektrale Empfindlichkeit und die Messunsicherheit ausweist. Ohne diese drei Angaben lässt sich ein Messwert weder mit einem Grenzwert noch mit einem anderen Gerät oder einer früheren Messung vergleichen.

Wie verändert die Temperatur die Bestrahlungsstärke?
Die Temperatur wirkt auf beiden Seiten der Messung: Photodiode und Filter eines Sensors sind temperaturabhängig, im UVC stärker als im UVA, und Quecksilberstrahler wie UV-LEDs ändern mit der Betriebstemperatur sowohl Strahlungsleistung als auch Peakwellenlänge. Reproduzierbare Werte entstehen deshalb nur bei definierter Betriebstemperatur und in einem festgelegten, dokumentierten Abstand.

Die Frage „Radiometer oder Spektralradiometer?" hat keine allgemeingültige Antwort – wohl aber eine klare Systematik. Beide Bauarten haben genau eine dominierende Fehlerquelle, und diese Fehlerquellen sind komplementär: Das Breitbandradiometer kämpft mit dem spektralen Mismatch, das Spektralradiometer mit dem Streulicht. Wer weiß, welche Quelle er misst, kann den Mismatch durch eine geeignete Kalibrierung nahezu ausschalten – und erhält ein Gerät, das robust, schnell, dynamisch und preiswert ist. Wer es nicht weiß, braucht die spektrale Information und muss dafür Streulicht, Dynamik und Aufwand in Kauf nehmen.

Entscheidend ist in beiden Fällen die Rückführbarkeit. Ein Kalibrierschein aus einem akkreditierten Labor, der die spektrale Empfindlichkeit, die Kalibrierquelle und die Messunsicherheit ausweist, ist keine Formalie – er ist die Voraussetzung dafür, dass eine Zahl auf dem Display überhaupt eine Aussage über die Realität trifft.

Welcher Sensor zu welcher Messaufgabe passt, fasst unsere Übersicht zur Auswahl von UV-Sensoren zusammen; wie oft nachkalibriert werden sollte, steht beim Kalibrierintervall für UV-Messgeräte.

Wie aus dem Messwert eine Prozessfreigabe wird, behandelt die Marktseite Automatisierung und Prozessintegration; ein Beispiel für die Wahl des Sensorbands bei 172 nm und 222 nm gibt Elektronik- und Halbleiterfertigung.