Spektrale Fehlanpassung bei UV-Sensoren

Als spektrale Fehlanpassung (spectral mismatch) bezeichnet man die Differenz zwischen der tatsächlichen spektralen Empfindlichkeit eines UV-Sensors und der idealen, rechteckigen Bewertungsfunktion. Sie entsteht bei allen gefilterten Sensoren, weil optische Filter keine idealen Sperr- und Durchlassbereiche haben. Folge: Ein auf eine bestimmte Lampe kalibrierter Sensor zeigt an einer Quelle mit anderem Spektrum systematisch abweichende Werte.

Im Gegensatz zu Beleuchtungsstärkemessgeräten sind UV-Sensoren für verschiedene Spektren und unterschiedliche spektrale Bereiche konstruiert. Damit ein 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 sind hier nicht dargestellt. Den vollständigen Aufbau vom optischen Fenster bis zum A/D-Wandler beschreibt der Beitrag Aufbau und Fehlerquellen von UV-Sensoren.

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 Ursachen 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.

Was das für die laufende Überwachung in einer Fertigungslinie bedeutet – Abtastrate, Sensorband und Schnittstelle –, behandelt die Marktseite UV-Technik für Automatisierung und Prozessintegration.

Wie wird spektrale Fehlanpassung berechnet?
Über den Fehlanpassungsfaktor F. Er setzt ins Verhältnis, was die ideale Bewertungsfunktion an der Messquelle ergäbe, zu dem, was der reale Sensor dort anzeigt – jeweils normiert auf die Kalibrierquelle:
F = [∫E_mess(λ)·s_ideal(λ)dλ / ∫E_mess(λ)·s_real(λ)dλ] · [∫E_kal(λ)·s_real(λ)dλ / ∫E_kal(λ)·s_ideal(λ)dλ]
Benötigt werden also vier Größen: die spektrale Bestrahlungsstärke der Kalibrier- und der Messquelle sowie die reale und die ideale spektrale Empfindlichkeit des Sensors. Der Anzeigewert wird mit F multipliziert. Weil die Abweichung systematisch und reproduzierbar ist, lässt sie sich als fester Korrekturfaktor im Kalibrierschein hinterlegen oder im Radiometer als Kalibrierbereich abspeichern.

Wie groß wird der Fehler in der Praxis?
Das hängt davon ab, wie weit Kalibrier- und Messquelle spektral auseinanderliegen. Innerhalb einer Sensorkennlinie sind es oft einige Prozent: Bei einem Sensor, dessen relative Empfindlichkeit bei 400 nm 1,0 und bei 425 nm 0,9 beträgt, zeigt die 425-nm-LED rund 10 % zu wenig an. Wird ein mit einer Breitbandlampe kalibrierter Sensor dagegen an einer schmalbandigen UV-LED eingesetzt, kann der Anzeigewert um mehrere zehn Prozent vom tatsächlichen Wirkungswert abweichen. Die Abweichung ist reproduzierbar und damit systematisch – sie lässt sich korrigieren, aber nicht durch Wiederholmessungen wegmitteln.

Wie lässt sich die Fehlanpassung korrigieren?
Auf drei Wegen. Erstens durch quellenabhängige Kalibrierung: Der Sensor wird auf die tatsächlich eingesetzte Lampe oder LED kalibriert. Zweitens rechnerisch – moderne Radiometer speichern den Kalibrierfaktor im Sensor, der passende Bereich wird am Gerät gewählt; für ältere oder fremde Systeme lässt sich ein Korrekturfaktor bestimmen und im Kalibrierzertifikat ausweisen. Drittens durch ein Spektralradiometer, das das vollständige Spektrum erfasst und damit prinzipiell frei von spektraler Fehlanpassung ist. Bei einer einzigen zu messenden Quelle trägt die Korrektur sehr gut; bei vielen unterschiedlichen Quellen ist das Spektralradiometer der sichere Weg.

Warum sagt eine Kalibrierung auf 253,7 nm nichts über die spektrale Empfindlichkeit?
Weil sie nur einen einzigen Betriebspunkt belegt. In der Desinfektion dient häufig eine Quecksilber-Niederdrucklampe als Kalibrierquelle, kalibriert wird auf einen Spektralbereich von etwa 200 bis 280 nm oder 240 bis 290 nm. Genutzt wird davon in der Praxis fast ausschließlich die 253,7-nm-Linie. Das Ergebnis ist ein Kalibrierwert für genau diese Bedingung – über den Verlauf der spektralen Empfindlichkeit des Detektors sagt er nichts, und auf andere Quellen im selben Spektralbereich ist er nicht übertragbar. Die CIE 220:2016 empfiehlt deshalb, die Kalibrierquelle so weit wie möglich an die Anwendungsquelle anzugleichen.