Breitbandige UV-A und violette LED-Lichtquellen für industrielle und medizinische Anwendungen

Author: 
Assaf Halevy, Efi Rotem, and Simon Rankel

Mit der weiterhin rasanten Geschwindigkeit bei der Entwicklung neuer UV LED-Quellen, steigt auch die Zahl der industriellen Anwendungen, die diese nutzen. UV LEDs werden heute in zahlreichen industriellen Prozessen, medizinischen Anwendungen und zu Desinfektionszwecken verwendet. Die UV-Strahlung effizient zu nutzen, erfordert allerdings hochwertige Messgeräte; insbesondere, da präzise Lichtmessungen in diesem Spektralbereich mit besonderen Herausforderungen verbunden sind. Eine davon ist die präzise Messung der Bestrahlungsstärke, ohne die genaue Wellenlänge des Lichts zu kennen.

Messungen von Bestrahlungsstärke und Dosen
Für die oben beispielhaft aufgeführten Anwendungen werden in der Regel die folgenden Messungen durchgeführt:

  1. Messen der Bestrahlungsstärke
  2. Gleichförmigkeit der Bestrahlung prüfen
  3. Messung der Dosis bei statischen oder bewegten Quellen

 

Messung der Bestrahlungsstärke
Bei dieser Art der Messung geht es in der Regel darum, die Bestrahlungsstärke in einer bestimmten Entfernung von der Quelle zu messen. Der Sensor sollte dazu in der Lage sein, Licht selbst in steilen Winkeln zu erfassen und präzise zu messen. Diese Eigenschaft wird als "kosinuskorrigiert" bezeichnet, da die Bestrahlungsstärke laut Definition der Leistungsdichte multipliziert mit dem Kosinus des Einfallswinkels entspricht. Erzielt wird dies meist mit einem sogenannten PTFW Diffusor als Eingangsoptik des Sensors (siehe Abbildung 1).

Figure 1. Irradiance measurement of light at different angles.
Abbildung 1: Messung der Bestrahlungsstärke in verschiedenen Winkeln

Gleichförmigkeit der Bestrahlung
Hier geht es darum, die Verteilung der Bestrahlungsstärke innerhalb der beleuchteten Fläche zu messen (siehe Abbildung 2). Die durchgängige Bestrahlung mit UV-Licht erfordert eine gleichmäßige Ausleuchtung. Eine ungleichmäßige Beleuchtung kann an einigen Stellen zu einer Überstrahlung führen, während in anderen Bereichen die Strahlung nicht ausreicht.

Figure 2. Irradiance uniformity measurement.
Abbildung 2: Gleichförmigkeit der Bestrahlung messen

Um diese Messungen korrekt durchzuführen, sollte der Sensor eine kleine Apertur haben. Sie gewährleistet das Mapping mit einer guten räumlichen Auflösung. Hier liegt allerdings die Herausforderung: Es gilt, eine kleine Apertur mit nur wenigen Millimetern Durchmesser mit einer guten Kosinuskorrektur zu kombinieren. Sobald die Dicke von Diffussor und Apertur vergleichbar ist mit dem Durchmesser der Apertur, kann es zu einem unerwünschten Schattenwurf kommen.

Figure 3. Dosage measurement.
Abbildung 3: Messung der Dose

Messung der Dosis bei einer bewegten oder statischen Quelle
Um die Dosis zu messen, muss die Bestrahlungsstärke über die Zeit aufsummiert und die gesamte Energiedichte in (J/cm2) gemessen werden. Es handelt sich dabei um die Messung der tatsächlichen Zahl an Photonen, die die Fläche für den Härtungsprozess erreichen. Wird die UV-Quelle beispielsweise im Rahmen eines Härtungsvorgangs bei einem UV- 3D Drucker über eine bestimmte Arbeitsfläche bewegt, oder die zu härtenden Materialien über ein Montageband unter einer statischen UV-Quelle vorbeigeführt, wie das in großen UV-Härtungsanlagen der Fall ist, sollte der Sensor in hoher Frequenz Messungen durchführen und Veränderungen in der Bestrahlungsstärke schnell feststellen (Siehe Abbildung 3). Eine gute Kosinuskorrektur ist auch hier wichtig, da der Sensor aufgrund der Bewegung der Quelle oder des Sensor aus unterschiedlichen Richtungen bestrahlt wird.

LED Wellenlänge – drei Arten der Sensoren
Beim Drucken, Härten oder im 3D-Druck von Polymeren werden LEDs im UV-A-Bereich (meistens zwischen 365 und 395 nm) eingesetzt. Einige Anwendungen nutzen auch violette LEDs im Spektralbereich zwischen 405 und 425 nm. Im Gegensatz zu festen und schmalen UV-Spektrallinien traditioneller Mercury-Lampen bei 254 nm, 365 nm und 405 nm, weisen LEDs eine spektrale Bandbreite von 10-25 nm auf. Ihre Spitzen-Wellenlänge wird mit einer Unsicherheit einiger Nanometer spezifiziert und tendiert dazu, sich bei Erwärmung weiter zu verschieben.

Der erste Graph in Abbildung 4 zeigt die Spektren von drei unterschiedlichen spektralen Bandbreiten (a). Die zweite Abbildung zeigt drei verschiedene LED-Quellen mit der gleichen spektralen Breite aber unterschiedlichen Spitzen-Wellenlängen (b). Der dritte Graph zeigt die Spektren von drei unterschiedlichen LED-Quellen mit jeweils spezifischer Spitzen-Wellenlänge und unterschiedlichen spektraler Bandbreite (c).

 

Figure 4. Different LED spectra to be measured with irradiance sensor
Abbildung 4: Unterschiedliche LED Spektren, die mit einem Bestrahlungsstärke-Sensor gemessen werden sollen

Figure 5. Typical spectral response of a sensor
Abbildung 5: Typische spektrale Empfindlichkeit eines Sensors

 

  • Sensor ohne Kalibration der spektralen Empfindlichkeit
  • Sensor mit Kalibration der spektralen Empfindlichkeit
  • Sensor mit homogener spektraler Empfindlichkeit

Ein Sensor ohne Kalibration der spektralen
Empfindlichkeit nutzt einen Breitbandfilter für UVA (315-400 nm), UV-B (280-315 nm) oder UV-C (200- 280 nm). Die Empfindlichkeit variiert deutlich mit dem Spektralbereich des Sensors. Der Anwender hat dennoch keine Möglichkeit, zu erkennen, welche Wellenlänge gemessen wird. Im obigen Beispiel wird eine LED mit einer Spitze bei 365 nm ein 10-fach höheres Messergebnis generieren als eine LED mit gleicher Leistung bei 395 nm (siehe Abbildung 5).

Ein Sensor mit einer kalibrierten spektralen
Empfindlichkeit bietet dem Anwender die Möglichkeit, eine LED-Wellenlänge einzugeben, so dass die Messung entsprechend darauf abgestimmt wird.

Figure 6. Ophir's PD300RM-UVA sensor
Abbildung 6: Ophir's PD300RM-UVA Sensor

Während es sich dabei gegenüber der vorherigen Methode schon um eine deutliche Verbesserung handelt, bleibt es bei einigen signifikanten Einschränkungen: Wie schon erwähnt, ist die Wellenlänge selbst nicht exakt bekannt, oder sie verändert sich, so dass es immer noch zu Messungenauigkeiten in einer Größenordnung von 15% kommen kann. Darüber hinaus erlaubt keine der beiden Messoptionen die gleichzeitige Messung mehrerer LEDs mit unterschiedlichen Wellenlängen.

Berücksichtigt man diese Überlegungen, bietet eine Sensor mit homogener spektraler Empfindlichkeit in Hinblick auf die Messung der Bestrahlungsstärke unabhängig von der LED-Wellenlänge, deren Bandbreite und der Kombination mehrere LEDs die beste Wahl.

MKS Instruments entwickelte einen neuen Sensor, der diese Anforderungen erfüllt. Der Ophir PD300RMUVA Sensor misst Bestrahlungsstärke und Dosis und kombiniert eine homogene spektrale Empfindlichkeit mit einer kleinen Apertur und eine Kosinuskorrektur (siehe Abbildung 6).

 

Der PD300RM-UVA löst alle vorher aufgezeigten Messprobleme und adressiert gleichzeitig die Unsicherheit, die UV LED Licht mit bringt, durch verschiedene Funktionen:

  • Homogene spektrale Empfindlichkeit im Bereich von 350-450 nm durch einen optischen Filter
  • Kleine Apertur von nur 2,75 mm
  • Kosinuskorrektur durch einen PTFE-Diffusor
  • Messung von Bestrahlungsstärke und Dosis mit einer Rate von 500 Hz
  • UV-resistentes Kabel
  • Klar eloxierte Oberfläche, um die Wärmeabsorption zu minimieren

 

Der PD300RM-UVA Sensor ist kompatibel mit den Anzeigeräten Starlite und Starbright von Ophir sowie der Juno+ PC-Schnittstelle. Eine COMObjektbibliothek erlaubt die Integration in automatisierte Umgebungen mittels C, C#, LabView usw.

 

Schlussfolgerung
Aktuell werden zahlreiche neue Anwendungen für UVLED- Quellen entwickelt. Die schnelle und zuverlässige Messung von LED-Quellen - ganz unabhängig davon, ob die genaue Bandbreite des Lichts bekannt ist – hat maßgeblichen Einfluss darauf. Mit dem neuen Sensor zur Messung der Bestrahlungsstärke ermöglicht es Ophir den Anwendern die Lichtquellen zu messen, ohne Details zu deren Spektren zu kennen. Zusätzlich lassen sich verschiedene Lichtquellen beispielsweise bei LEDs mit unterschiedlichen Spitzen-Wellenlängen und Bandbreiten gleichzeitig messen. Kombiniert mit den geringen Abmessungen, dem UV-resistenten Design und der NIST-rückführbaren Kalibration erfüllt der Sensor alle Anforderungen an reproduzierbare Messungen von Bestrahlungsstärke und Dosis in industriellen und medizinischen Anwendungen. Der Sensor wurde speziell für den Spektralbereich zwischen 350 und 450 nm entwickelt und lässt sich mit verschiedenen Anzeigegeräten von Ophir kombinieren. Die homogene spektrale Empfindlichkeit des Sensors bietet deutliche Vorteile sowohl in der Entwicklung, der automatisierten Fertigung, zur Kalibration und zur Wartung beim Kunden.

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