红外LED辐射照度量值溯源方法研究

红外波段的划分在不同应用领域有多种说法, 通常, 红外辐射可分为3个波段:IR-A (780nm~1400nm) , IR-B (1400nm~3000nm) , IR-C (3000nm~1mm) 。其中IR-A由于其能量较大, 穿透深度大, 对人体尤其是皮肤及眼睛的影响较大, 甚至会引起白内障以及皮肤灼伤。目前, 红外遥控器与红外监控设备大量地出现在日常生活中, 每家每户使用的电视机遥控器以及空调遥控器的发射器绝大多数是中心波长为940nm的LED光源, 公共场所使用的监控器, 例如超市、公交车、道路等监控器的补光光源绝大多数是中心波长为850nm的LED光源。另外, 红外辐射也被大量用于保健和美容。由于过量的红外辐射会带来负面影响, 国际照明委员会 (CIE) 与国际非电离辐射防护委员会 (ICNIRP) 等组织专门制定了相应的标准, 对红外辐射强度的安全范围给出了明确的规定。例如, 为了避免过强的红外辐射对眼睛产生热损伤, 对于波长范围在 (780~3000) nm的红外辐射, 规定了当照射时间小于1000s时, 辐射最大值不能超过下述公式定义的限值:

当照射时间大于1000s时, 限值为

式中:Eλ———光谱辐射照度, W·m-2·nm-1;Δλ———波长间隔, nm;t———持续时间, s。此外, 大功率红外LED的研究已成为热点, 红外线在工业上的应用也需要对其强度进行准确测量。对红外LED的辐射强度进行测量, 相关的理论方法得到科研人员的关注。

为了测量红外线的强度, 各种型号的红外辐照计得到了广泛应用。然而, 由于并没有专门的校准装置, 之前的校准光源使用标准溴钨灯, 和测试光源的光谱有很大差距, 这就带来了较大的校准误差, 校准不确定度大于5%。针对这个问题, 我们研制了专门用于校准红外辐照计的光源, 自制了标准红外辐射照度计, 并将量值直接溯源至高温黑体, 对量值溯源过程进行了不确定度评定, 大幅降低了测量不确定度。下面以中心波长为850nm与940nm的红外辐照计为例进行分析, 其他波段的量值溯源方法与此类似。

图1 中心波长为850nm的LED光源光谱分布

图2 中心波长为940nm的LED光源光谱分布

用于红外辐照计校准的光源需要具备良好的均匀性、稳定性。采用多颗红外LED组成面阵光源, 制成了专门用于校准红外辐照计的红外LED光源。图1所示为中心波长为850nm的LED光源归一化的光谱分布。

图2所示为中心波长为940nm的LED光源归一的光谱分布。

校准装置中的另一个核心仪器是红外辐照计, 我们对应不同波段各自制作了一台标准红外辐射照度计。其中, 探测器采用硅探测器, 针对不同波段使用对应波段的滤光片, 探头表面加入漫射器进行匀光。

图3为红外辐照计校准的量值溯源图。首先, 利用光谱辐射照度国家基准标定标准灯, 光谱辐射照度国家基准溯源至高温黑体BB3500。

标准灯对光谱辐射计进行定标, 光谱辐射计由积分球、双光栅单色仪、硅探测器组成。将标准灯取下, 换为红外LED光源在标准灯的相同位置, 光谱辐射计对LED光源进行测量, 测得其光谱辐射照度, 对光谱辐射照度进行积分, 得到积分辐射照度。然后将标准红外辐射照度计放置在积分球的入口处, 观察其示数, 将示数调整至之前算得的积分辐射照度。至此, 红外辐照计的量值溯源过程完毕。图中水准仪的作用是确定光源和探测器的位置。

图3 量值溯源图

校准装置和量值溯源方法建立以后, 评价这套校准装置和方法的工具便是不确定度分析。合成标准不确定度包括红外辐照计的重复性、LED光源的稳定性、标准灯的不确定度以及其他因素的不确定度, 例如波长准确性、杂散辐射、系统非线性等。

表1 红外辐照计重复性

表1为中心波长为850nm与940nm的红外辐照计的重复性。测试方法是, 当LED光源稳定时, 连续快速记录辐照计的10个显示值。测量的辐射照度平均值:

用多次重复测量引起的相对标准不确定度u1来表示其重复性:

对于中心波长为850nm的辐照计, u1=0.24%;对于中心波长为940nm的辐照计, u1=0.51%。

表2为LED光源的稳定性, 稳定性u2可以用最大值减去最小值, 除以平均值得到:

表2 LED光源稳定性

表3 合成标准不确定度

对于中心波长为850nm的LED, u2=1.43%;对于中心波长为940nm的LED, u2=1.50%。

标准灯的不确定度由光谱辐射照度国家基准不确定度评定得到, 在上一轮的CCPR K1.a国际比对中, 取得了国际等效性。波长为850nm时标准灯不确定度u3=0.65%;波长为940nm时标准灯不确定度u3=0.73%, 如表3所示。

对于其他不确定度分量, 可以得到u4=1.42%, 这里不再详细说明计算过程。

合成标准不确定度的计算公式如下:

对于中心波长为850nm的红外辐照计, 合成标准不确定度ut=2.13%;对于中心波长为940nm的红外辐照计, 合成标准不确定度ut=2.25%。

通过研制校准用中心波长为850nm与940nm的LED光源, 并且自制了标准红外辐射照度计, 将其溯源至高温黑体, 降低了测量不确定度。目前校准装置中存在的问题有以下两点:由于没有进行温度控制, 红外LED的稳定性还有待提高, 接下来要加入温控功能, 提高光源稳定性;红外LED光源的强度目前还不够大, 可以通过增加LED阵列数目以及更换大功率LED芯片解决。