UVC-LED用照度計
国立研究開発法人産業技術総合研究所との共同開発

受光器
受光面

ＵＶ-ＬＥＤ用紫外放射照度計

裏面

UVC-LED用照度計の紹介
１．紫外放射照度計の紹介
2．UVC(殺菌線)の用途
３．放射照度計に求められる特性とUVC-LED
４．開発したUV-LED用紫外放射照度計の特性
5．UV-LED用紫外放射照度計での測定評価
6．UV-LED用紫外放射照度計の耐久性
7．低圧水銀ランプの殺菌線 253.7 nmの測定
8．まとめ1

１．紫外放射照度計の紹介
紫外放射照度計は露光量の管理に用いる、放射照度を直読みできる現場用測定器

UV-351シリーズ
紫外線光量計UV-LED-CS01
UVA-LED用紫外線照度計

UV-M03A
紫外線照度計・光量計

UV-M10-P/Sシリーズ
紫外線光量計UV-LED-CS01CUVC-LED用紫外線照度計

UV-M08
紫外線照度計・光量計

2

１．紫外放射照度計の紹介機種

測定対象光源・波長

分光応答度 測定放射照度レベル
FWHM

UV-25

水銀ランプ 254 nm 輝線

ベル型
5 nm

0.001～50 mW/cm2

UV-35

水銀ランプ 365 nm 輝線

ベル型
45 nm

0.001～50 mW/cm2

UV-42

水銀ランプ 436 nm 輝線

ベル型
60 nm

0.001～50 mW/cm2

UV-LED-CS01

UV-LED中心波長345 nm ~ 435 nm

矩形
150 nm

0.1 mW/cm2～20 W/cm2

UV-LED-CS01CUV-LED中心波長254 nm ~ 295 nm

矩形
70 nm

0.001～200 mW/cm2

UV-LEDの測定を目的とした紫外放射照度計を新たにラインナップに追加
測定対象光源が水銀ランプからUV-LEDになったことで仕様が大きく異なる3

１．紫外放射照度計の紹介
水銀ランプ用紫外放射照度計の値付け
用途：水銀ランプの特定の輝線を測定する。
UV-SD25-M10

1.0

UV-SD35-M10

UV-SD42-M10

0.90.8相対感度0.70.60.50.40.30.20.1

校正波長＝365 nｍ

校正波長＝254 nm

校正波長＝ 436 nm

0.0230240250260270280290300

310320330340350360370

380390400410420430440450460470

480490500

波長[nm]

値付け：水銀ランプの輝線を用いて行う

産業技術総合研究所
JCSS登録事業者

分光放射照度標準電球
標準水銀ランプ
紫外放射照度計
近年は紫外線光源としてUV-LEDが台頭

4

2．UVC(殺菌線)の用途
UVCによる殺菌のメカニズム

UVCの照射により菌やウイルスの遺伝子が損傷し、複製が出来なくなる
UVC• すべてのウイルスや菌類に対して有効。
• 薬剤耐性菌を作らない。

5

3．放射照度計に求められる特性とUVC-LED
UVC-LEDの測定に最適な放射照度計のためのアプローチ
測定対象(目的)に合わせて総合的に最適化することが重要

放射照度計のフィールド計測に影響する4つの要素①スペクトルミスマッチ誤差
光源の分光分布、受光器の分光応答度②校正方法

トレーサビリティ、校正条件③フィールド計測における光の入射特性
光源の配光分布、受光器の斜入射特性④応答の直線性

放射照度レベル、受光器の応答直線性63．放射照度計に求められる特性とUVC-LED
校正とフィールド計測の測定条件の違いとワーストケース
校正

フィールド計測

放射照度計の特性(多くのケース)
水銀ランプ輝線

・任意の分光分布
UV-LED
ワーストケース例

・分光応答度ベル型(水銀ランプ用)②フィールド計測における光の入射特性・測定距離大(ファーフィールド)・水平光鉛直入射・放射照度分布良

・測定距離小(ニアフィールド)・斜入射光多・放射照度分布悪・斜入射特性・受光面積
・受光面感度均一性③応答の直線性・低レベル

・低レベル～高レベル ・応答直線性①スペクトルミス
マッチ誤差・校正光源の分光分布(放射照度レベル)(μW/cm2 ~ 数mW/cm2)(μW/cm2 ~ 数W/cm2)

他の量目(電圧、長さ等)にくらべ、校正条件とフィールドでの測定条件が大きく異なる

特に放射照度計の理想特性との差が、測定条件の違いを顕在化させる→フィールドでの高精度計測は放射照度計の特性が重要
7

①スペクトルミスマッチ誤差
紫外線光源の特徴により放射照度計に対する要求仕様が異なる
低圧水銀ランプ

UV-LED

光源の特徴：

光源の特徴：

・広い領域に輝線が点在
・輝線中心波長は一定

・FWHM = 10 nm程度の分光分布
・分光分布不定(メーカー、ロット等)

放射照度計への要求仕様：

放射照度計への要求仕様：

特定の輝線を選択測定

UV-LEDの帯域を一様に測定

8

①スペクトルミスマッチ誤差
水銀ランプ用紫外放射照度計でUV-LEDを測定すべきでない
スペクトルミスマッチの例
低圧水銀ランプ254 nm輝線用紫外放射照度計で280 nm UV-LEDを測定

UV-LEDの放射を分光的に取得できない
・UV-LEDの分光分布に比べ分光応答度の幅が狭い → 放射を取得できない・校正した波長、分光分布と異なる 指示値の定義が無効化
フィールドではスペクトルミスマッチ補正は非現実的
9

①スペクトルミスマッチ誤差実現した放射照度計

280 nm ± 10 nm± 3 %の応答差

分光応答度測定

240 nm ~ 300 nm の範囲で平坦な分光応答度を実現した
280 nmUV-LEDの分光分布の約90 %が存在する280 nm ± 10 nmで± 3 %の応答差
280 nmUV-LEDを測定した場合、分光応答度の平坦さの影響は1 %以下(後述)10

②校正方法トレーサビリティ体系図
分光応答度(NMIJ)
U = 1.7 %分光応答度(ORC特二)

長さ(外部校正機関B)

分光応答度(WS)

光学式寸法測定器

U = 2.5 %

U=1%

Si-PD

Φ1アパーチャ

校正用放射照度標準器
分光単色光源

U= 4%

UV-LED用紫外放射照度計

供給の安定性や校正不確かさを考慮し、分光応答度標準を用いた校正・目盛付け11

②校正方法UV-LED用紫外放射照度計の課題
平坦な分光応答度が理想だが、実現は難しいためUV-LEDの中心波長毎に同様の分光分布で応答度が校正される必要がある

完全に平坦な分光応答度が実現出来ない例(試作品)

完全に平坦でない分光応答度 ＋ 不適切な校正光源(中心波長異、分光分布異)校正光源-被測定光源間でスペクトルミスマッチ誤差が発生
結果：ユーザーが精度良く測定できない
スペクトルミスマッチ誤差低減の為、校正光源に最適なものを用いなければならない

12

②校正方法波長可変光源の説明
・Xe150Wを照明として25 cmダブルモノクロメータで分光・均一光学系を用いて均一な照度面を生成(均一面サイズ □10 mm)

10→オーバーフィルで行う放射照度応答度の測定に最適化

照度面

10

波長可変光源構造概略図
分光計器製 SM-25DD低迷光ハイパーモノライト
・キセノンランプ集光光学系
・ゼロ分散ダブルモノクロメータ
・ホモジナイザによる均一光学系

13

②校正方法波長可変光源の分光分布
UV-LEDの分光分布とFWHM、中心波長を一致するよう最適化

UV-LEDの分光分布の疑似したスリット関数のプロファイル

10 nm

FWHM=10nm 任意の波長に設定可能
スリット関数は高圧水銀ランプ365 nm輝線群、HeNeレーザーを用いて測定

14

②校正方法波長可変光源の分光分布
254 nm + 255 nm から 295 nmまで5 nmステップで校正

受光器
受光面

裏面

各校正波長における校正光源の分光分布を模式

ユーザは測定するUV-LEDの中心波長を選択し校正結果に基づいた最適感度(校正係数)を呼び出す

校正光源と測定対象光源の分光分布(中心波長)が近似しフィールドでのスペクトルミスマッチエラーの最小化を実現
15

③フィールド計測における光の入射特性
フィールド計測における光の入射特性(斜入射特性)
受光面に対して鉛直に入射する光への感度と、斜入射する光への感度の違い
斜入射

UV-LED光源

斜入射フィールドでは斜入射の寄与が大
受光器

コサインカーブ
カバー率 92 ％cos

コサインカーブ
カバー率 48 ％http://www.quark-tec.com/principle/開発品

既存
低圧水銀ランプ用受光器
斜入射特性は寄与が大きい60 °以内でコサインカーブに従い92 ％の取得率を実現
既存の水銀ランプ用紫外放射照度計に比べて大幅に改善 高精度化

16

④応答の直線性
校正の結果をフィールド計測に拡張するためには応答の直線性が重要

校正の放射照度レベル

フィールドの放射照度レベル(不定)※減衰法をアレンジした手法で測定

校正光源は放射照度レベルは低、フィールドでの測定対象光源は一般に高応答の直線性評価方法を開発し、測定上限(200 mW/cm2)まで直線性を維持している17ことを確認した

④応答の直線性

校正の放射照度レベル

フィールドの放射照度レベル※減衰法をアレンジした手法で測定
エラーバーは不確かさ

放射照度への応答は校正の放射照度レベルから100 mW/cm^2まで直線性を維持している。
18

４．UV-LED用紫外放射照度計での測定評価
分光応答度(NMIJ)
長さ(外部校正機関A)

長さ(外部校正機関B)

U = 1.7 %分光応答度(ORC特二)

光学式寸法測定器

分光応答度(WS)U = 0.1 %Φ6アパーチャU = 2.5 %U = 2.5 %

Si-PD

Si-PD

評価用放射照度標準器

U=1%

Φ1アパーチャ

校正用放射照度標準器
分光単色光源

相対分光分布U= 4%

UV-LED用放射照度計
U=3%

U = 4%

280 nm UV-LED
評価用測光系

放射照度計校正システム

UV-LEDを比較測定することで「放射照度計校正システム」の妥当性を確認

19

5．UV-LED用紫外放射照度計での測定評価評価に用いた受光器
評価用放射照度標準器
放射照度導出式

Si-PD

精密アパーチャ
分光応答度、アパーチャ開口面積は校正済
この受光器で光源の放射照度を値付け

𝑃=𝐼pd ∙ ‫𝑃 ׬‬led_re (𝜆) 𝑑𝜆
𝐴・ ‫𝑃 ׬‬led_re (𝜆) ・𝑆(𝜆)𝑑𝜆𝑃：放射照度
𝐴：アパーチャ開口面積
𝐼𝑝𝑑 ：PD電流
𝑃led_re ：LED分光分布
𝑆(𝜆)：PD分光応答度
20

5．UV-LED用紫外放射照度計での測定評価
評価結果
280 nmUV-LED

評価用放射照度標準器
200 mm

温調

放射照度計受光器

測定距離

評価用放射照度標準器
測定値

放射照度計
測定値

差

200 mm41.3 μW/cm2

41.4 μW/cm2

0.2 %

評価用放射照度標準器と放射照度計の指示値は1 %以内で一致
21

5．UV-LED用紫外放射照度計での測定評価
測定条件の違いと放射照度計の特性
校正

計測

放射照度計の特性(多くのケース)

UV-LEDの模擬光源

・任意の分光分布
UV-LED・分光応答度
矩形型分布 良②フィールド計測における光の入射特性・測定距離大(ファーフィールド)・水平光鉛直入射・放射照度分布良

・測定距離小(ニアフィールド)・斜入射光多・放射照度分布悪・斜入射特性 良・受光面積・受光面感度均一性③応答の直線性・低レベル

・低レベル～高レベル ・応答直線性 良①スペクトルミス
マッチ誤差・校正光源の分光分布(放射照度レベル)(μW/cm2 ~ 数mW/cm2)(μW/cm2 ~ 数W/cm2)

放射照度計の特性が理想特性と近いため、測定条件の違い顕在化しにくい→フィールドでの高精度な測定が可能
22

6. UV-LED用紫外放射照度計の耐久性
UV照射での耐久性
280 nm 200 mW/cm2で照射を行い、受光器の応答度の変化を調べた

29,000 Jの照射で -1 %の感度変化

測定上限の200 mW/cm2の照射を行った結果
およそ1 %の感度変化であり、十分にフィールドでの測定に耐えうる
23

7.低圧水銀ランプの殺菌線 253.7 nmの測定

低圧水銀ランプ254 nm輝線を高精度に測定可能※分光応答度の範囲内に253.7 nm輝線以外の発光少、分光応答度が平坦

低圧水銀ランプ測定結果
弊社製低圧水銀ランプ 測定距離 1m

水銀ランプ用紫外放射照度計
UV-LED用紫外放射照度計

72.3 μW/cm2
71.0 μW/cm2

1.5 %以内の差

247.低圧水銀ランプの殺菌線 253.7 nmの測定

低圧水銀ランプ253.7 nm輝線を高精度に測定可能※分光応答度の範囲内に253.7 nm輝線以外の発光少、分光応答度が平坦

放射照度計では比較が難しい低圧水銀ランプとUV-LEDの放射照度比較が可能
同一の受光器を用いて測定できることで、影響の大きい測定側の幾何条件を固定できるVS

高精度な低圧水銀ランプとUVC-LEDの高精度な比較測定が可能

25

8．まとめ①フィールドでのUVC-LED放射照度測定に最適な紫外放射照度計の開発に成功した・スペクトルミスマッチ誤差の低減
・フィールド計測における光の入射特性の影響の軽減
・直線性の確保・校正方法の最適化②低圧水銀ランプ253.7 nm輝線の測定を高精度に行うことができた
測定器の変更なく低圧水銀ランプとUVC-LEDの比較測定を高精度に行うことが可能③紫外放射照度計のフィールドでの高精度な測定には・・・・測定器メーカによる測定器の性能改善、使用方法の注意喚起
・校正機関による校正方法の提供
測定対象の特性・ユーザの使用方法の理解
使用方法
ユーザ

相互関係

測定器の特性メーカ

校正方法
校正機関

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