用于工艺设计和控制的中压灯和紫外LED的紫外测量

辐射计测量的通常是特定波段上某一点的辐照度（通常为w/cm²）。探测器、滤波器、结构和操作原理的差异导致不同的窄带辐射计在测量宽带源时会给出不同的结果。许多辐射计可以通过电子方式对一系列内部定时辐照度测量值求和来计算曝光。

曝光测量仪测量特定波段上的表面累积能量（瓦特-秒/平方厘米或焦耳/平方厘米），分为电子和化学类。这是唯一包含时间、记录曝光的测量方式，因而很常用。

光谱辐射计是非常窄带的仪器，本质上是响应光谱辐照度，并且具有高度波长特异性，一些分辨率可高达0.5纳米。这些仪器（实际上是微型单色仪）在评估所选波长带中的辐照度方面很有优势。

辐射变色测量仪是贴在测试表面上的标签或薄膜，通过改变颜色或改变光密度来响应总时间累计能量。根据探测器的化学性质的不同，改变可以是永久的，也可以是暂时的。这些光致变色探测器可以响应一系列紫外波长，具体取决于其涂层的化学成分。

不管是电弧中压灯还是微波中压灯，非常常见的布局是将管状灯设置在半椭圆形反射器中。典型的反射器和辐照度图如图1和图2所示。

动态辐照计，可穿过辐照度区域并易于测量和报告辐照度的峰值——电子“采样-保持”类型的电路可以报告在单灯（或多灯）下通过时观察到的峰值辐照度， 很多还可以报告辐照度曲线和总曝光量。它们响应的波长范围由其内部滤波器和检测器的光谱响应率决定。

尽管峰值辐照度是曝光的一个非常重要的组成部分，但辐照度曲线更为重要。这是因为曝光曲线的不同区域对固化效果和固化深度会有不同的影响。辐照度和峰值辐照度可分为以下几类：

极低：1 至 100 mW/cm²

低：100 mW/cm² 至 1 W/cm²

高：1 W/cm² 至 10 W/cm²

极高：超过 10 W/cm²

无需在灯下以不同的速度反复运行实验室辐射计来评估任何给定灯和配置条件时的曝光情况。推荐的曝光测量的实验室方法是选择一个速度vo（速度误差微小），记录多个测量值，Eo和速度 - 然后计算其他速度vx时的能量Ex。

由于Ex·vx = Eo·vo，则Ex = Eo·vo / vx

要计算在任意速度下的能量，只需将无误差曝光测量乘以其速度，并除以所需速度。

高“强度”或辐照度峰值能对许多UV固化材料的固化深度产生有益影响。根据Bouger-Lambert定律，待固化薄膜内任何深度的有效辐照度或光子通量率，遵循表面辐照度与薄膜光谱吸收率（在任意特定波长）之间的确定关系：[3]

光学厚度也可以通过薄膜“顶部”的光通量与“底部”的光通量之比来描述。“光学厚度”对附着力效果的影响非常明显。

中压汞灯的优点在于其宽光谱分布，以及能改变在不同UV光谱区域中的光谱输出能力。这使我们能从一系列对具有不同作用光谱的光引发剂中进行选择，以对更长或更短的波长起反应，从而影响长波的深度固化和短波的表面固化。

两种类型的中压汞灯的光谱分布如图3所示。

来自不同制造商的辐射计报告的UV数据可能是不同的，这是因为不同仪器具有不同的响应度或波长灵敏度。此外，尽管大多数仪器具有漫射器以给出余弦响应，但是不同仪器的空间灵敏度（接受角度）也不同。实际上，许多用户也只喜欢比较来自相同类型的仪器数据。

有几种仪器可用于进行辐照度和曝光测量，在划分光谱和特定范围下（例如在整个UV区域的UVC，UVB，UVA和UVV波段），许多仪器能同时测量两个指标。图4显示了来自不同制造商的若干波段辐射计的研究结果，并说明了它们可能具有不同的光谱范围，所有这些都是准确且经过校准的，只是涵盖的范围不同。

在难以或不可能使体积庞大的辐射计或曝光计通过紫外曝光区的情况下，辐射变色薄膜是非常有用的辐射测量的扩展工具。

推荐方法涉及当辐射变色薄膜改变颜色或光密度时，与其所选择的辐射计的紫外线照射的相关性。该方法主要研究曝光的定量值与光密度定量值的相关性。[4](不推荐使用彩色图表或预先打印的曝光数据，因为相关性不特定于灯型或辐射计，并且可能无效。)

变色反射膜[5]更适合用反射色彩密度计[6]。所得到的相关曲线仅适用于特定的曝光条件，如灯的光谱、辐射计模型及其波长带。产生相关性的更简单的实验室方法之一是将辐射变色薄膜置于辐射计/曝光仪上并同时曝光。

图5和图6显示了中压汞灯灯和所用仪器类型的典型相关性集合。

对于UV固化，UV-LED遵循与中压汞灯相同的曝光“规则”，但具有特征差异。首先，光谱分布非常有限。用于构造LED阵列的单个芯片（“管芯”）几乎呈单色，却是基于波长，功率输出和电压这三个参数进行选择（“捆绑”）。这样可以实现阵列构建，每个阵列具有不同的中心线波长，通常为365nm，385nm，395nm和405nm。每瓦峰值辐照度通常在395纳米组 - 其他辐照度明显低于此值。几乎呈单色，这些阵列中的每一个可能具有大约10-20nm的波长范围，以及“超高”类别中的辐照度。

通常，适合于中压汞灯测量波段的辐射计不适用于UV-LED测量。这就产生了对更适合这一范围的滤光片-探测器辐射计的需求，它恰好介于UVA和UVV的传统名称之间。为了区别于现有名称， RadTech北美测量小组提议将这个波段（最初由EIT[7]进行商业推广）被命名为“UVA2”或简称为“UVA2”。图7显示了UVA2与通常应用于MP灯的其他波段的关系。图8说明的是与响应UVA2波段的辐射计相比，使用为UVA和UVV波长段设计的辐射计测量385nm UV-LED和395nm UV-LED的测量结果和产生的误差。

图9中的辐射计响应曲线提取自制造商的信息中。垂直标记（红色）覆盖典型LED灯的各种中心线波长，如图所示分别为365nm，385nm，395nm和405nm。

一些辐射计具有波长选择功能 - “校正”显示的读数以使响应曲线和100％之间的差异变得很小。这种“校正”的目的可以在图9中看到，其中中心线波长落在100％相对响应点的一侧或另一侧。通常，当中心线波长接近峰值响应时，这些误差非常小，并且对绝对精度几乎没有影响。

描述UV-LED灯的方式因制造商而异。UV-LED是相对较新的UV固化方式，目前对其工艺设计重要特征的相关的描述还未形成一致性。长度或宽度的重要性在于，在动态过程中根据工艺流程中光源的朝向，会对曝光产生决定性的效果。由于距灯面不同距离处的辐照度降低有着不同的模式，如图10所示，这是灯的“规格”混淆的主要原因。

重要的“维度”涉及前三个关键过程变量：

(1) 在工作距离处，灯面中心的静态峰值辐照度，

(2) 窗口的表面尺寸，宽度和长度，单位为mm

(3) 阵列的中心线波长。

为了更好地说明和介绍，我们将使用更具体的描述和缩写：

(a) 距灯面10毫米（或指定距离）的全功率峰值辐照度；

(b) 灯表面在平行于仪器或工作表面行程的方向上的宽度；

(c) 中心线波长。

因此，描述特定灯管，例如“15W /cm²44mm-395nm”。

工作表面的曝光模式对UV-LED灯的实际应用，与对中压汞灯一样重要。由于构成灯的多芯片阵列的构造，UV-LED 的“照明”（借用来自可见光的术语）区域通常更平坦和均匀。与通常将峰值辐照度“聚焦”在灯前几英寸处的中压汞灯不同，UV-LED阵列的辐照度从灯面（窗口）向工作表面逐渐降低。因此，目前UV-LED的主要常见应用是近场和平面应用，可以充分利用灯面附近的高辐照度。

图10和图11显示了使用两个不同辐射计测量两种不同尺寸的灯的辐照度与距离的关系，这些测量是在辐照区域的中心进行的。图10中的UV-LED灯是风冷的4W /cm²-13mm-395nm灯。图11中的灯是水冷的15W /cm²44mm-395nm灯。用NobleProbe [8]和UVA2辐射计收集数据，由制造商[7]修改以实现30W / cm²的动态范围。曲线不仅说明了峰值辐照度比较，而且由于灯的表面积不同，作为距离函数的“下降”速率也不同。（认为辐射能以距离的平方反比下降的说法是完全错误的。）

这种灯的结构给传统的辐射测量和剂量测量带来了一些问题。用于测量中压汞灯的辐射计有一定厚度，大约为¼英寸-½英寸，这就出现了一个问题——要在什么地方以及如何用它们测量灯输出。（在中压汞灯辐射测量中，答案很简单——将辐射计放置在需要测量的表面上进行一致性测量，并且注意“距离”是从灯面到辐射计放置的表面距离。）对于UV-LED来说，记录从灯面（窗口）到辐射计顶面（扩散器所在的位置）的距离已经成为一种惯例。

LED阵列基本上是一组点光源，其呈现出的辐射模式可描述为准朗伯源，辐射能量随距离的增大而减小。使用大型光学（透镜或反射器）来“聚焦”这种能量是不切实际的，因为事实上所有的光线都是从表面发散的。每个LED的前向区域中的单个“微透镜”可以将大部分能量重新引导到前向方向。这减少了曝光面积并增加了辐照度。图12说明了微光学的功能，图13显示了辐照度在微光学在离灯面距离及辐照度中的微光学部件的优势。

如图14所示，使用几个不同的辐射计测量近场中的峰值辐照度可以产生不同的结果。在此示例中，LED灯是(1)水冷15W/cm 44mm_395nm灯(参见图10)和(2)水冷15W/cm 44_mm_385nm灯；辐射计是UViCure Plus®II [7]、NobleProbe® [8]和ILT 400[9]。

与剂量计相比，辐照度探针往往是扁平且相对更薄的。它们通常不包含测量和计算动态曝光量的电子装置，而是“绑”在读出仪器上。利用相对较小的孔径和扩散器，它们可以很好地进行校准。

虽然将工艺设计数据建立在校准过的探针而不是动态曝光仪上的这种方法有点繁琐，但是很精确。通过沿着相关路径以精确间隔的距离进行简单的辐照度连续测量，可以得到精确的辐照度剖面图。

如果位置增量是精确的，则可以针对任何速度计算有效曝光。

在图15的示例中，灯是15W/cm1_44mm_385nm，探针是NobleProbe® [8]。水平位置增量是0.1英寸。(面积单位是瓦特/cm²-英寸，因此要转换为曝光，对于任何选择的速度，乘以秒/英寸。)这种灯的总曝光，20fm时在2mm距离下为6.1J/cm²，在0.5英寸距离下为4.8J/cm²。

曝光量与速度之比，在对数-对数比例尺上绘制是一条直线，使得通过单个参考测量来计算曝光量变得容易。参考测量可以在误差超小的速度下进行，并且可以针对难以测量的速度计算曝光。

UV-LED的辐射变色剂量测定方法与中压汞灯相同（参见第5页）。如前面所讨论的，薄膜被暴露于特定条件，并且与暴露于相同条件的曝光计相关。薄膜剂量测量的潜在优点是薄膜可以放置在工作表面上，并且不需要重新定位灯来进行测量。这对于UV-LED测量很重要，因为灯通常放置在非常接近表面的地方。

辐射变色膜与所选择的曝光计的实验室相关性确实需要重新定位灯管并运行一组增量速度曝光，如图17a、b和c所示。这些膜显示出对UV曝光的可重复响应。

图17b和c显示UVA₂曝光计的相关性，[7]（在UVA₂有特别校准的30W / cm²的带宽范围）。 薄膜是SGL市售薄膜。[10] 灯都是水冷的15W /cm²44mm385nm和395nm灯。
在这些实验中使用了两个辐射变色膜。不同之处在于光致变色涂层的预期光谱响应。由Spectra Group Limited Inc.[10]公司制造了一个市售的和一个实验的薄膜。影响薄膜响应性的因素与光致变色化学和涂层中显色剂的浓度有关。

用于LED的实验膜被设计成具有更高的灵敏度，可能使其更适用于低曝光LED应用，并且在365-405nm范围内更灵敏。

图18中的薄膜暴露在中功率、风冷、4W/cm 13mm_395nm灯下，并与相同曝光下的标准商业薄膜进行比较。同样，这种相关性与UVA2积分辐射计有关。薄膜表现出一些特别的波长灵敏度，但假设被测试灯的中心波长是确定的，这应该不是问题。

对于UV固化应用，用于表征UV-LED和中压汞基灯输出的关键曝光变量是相同的。这些参数可用于系统设计和紫外光源的特性描述。确定UV-LED可固化材料更佳曝光量的能力，以及描述所选UV-LED光源的输出可以减少本来可能会出现的试验和误差，并简化灯管的选择过程。对于给定的灯管类型和配置，可以计算在一定速度范围内的曝光量，这对系统设计很有帮助。

UV固化技术尚未对UV-LED光源使用一套一致的描述符集，而是依赖于产品名称和目录编号。本文针对UV-LEDS提出了一组简洁的描述符，这些描述符通常与工艺设计和灯管有用的信息有关。它们是：

(1) 灯中心的辐照度级，包括：

(a) 到传感器的距离

(b) 传感器的识别

(2) 至少一个窗口尺寸——沿着行进路径，

(3) 中心线波长，单位为nm。

由于在UV-LED生产设备中使用仪器型辐射计和曝光计非常困难，本文描述的使用辐射变色膜的方法可以解答在线“传输辐射计”的可行性问题。