Ilu naukowców zajmujących się pomiarami potrzeba do skalibrowania żarówki LED? Dla badaczy z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) w Stanach Zjednoczonych liczba ta jest o połowę niższa niż kilka tygodni temu. W czerwcu NIST rozpoczął świadczenie szybszych, dokładniejszych i oszczędzających pracę usług kalibracyjnych do oceny jasności diod LED i innych półprzewodnikowych produktów oświetleniowych. Klientami tej usługi są producenci oświetlenia LED i inne laboratoria kalibracyjne. Na przykład skalibrowana lampa może zapewnić, że żarówka LED o mocy 60 W w lampce biurkowej będzie rzeczywiście odpowiadać 60 W, lub zapewnić pilotowi myśliwca odpowiednie oświetlenie pasa startowego.

Producenci diod LED muszą mieć pewność, że produkowane przez nich światła są naprawdę tak jasne, jak zostały zaprojektowane. Aby to osiągnąć, należy skalibrować te lampy za pomocą fotometru, czyli narzędzia, które może mierzyć jasność na wszystkich długościach fal, uwzględniając przy tym naturalną wrażliwość ludzkiego oka na różne kolory. Od dziesięcioleci laboratorium fotometryczne NIST spełnia wymagania branży, świadcząc usługi w zakresie jasności diod LED i kalibracji fotometrycznej. Usługa ta polega na pomiarze jasności diod LED i innych lamp półprzewodnikowych Klienta, a także kalibracji własnego fotometru Klienta. Do tej pory laboratorium NIST mierzyło jasność żarówki ze stosunkowo niską niepewnością, z błędem od 0,5% do 1,0%, co jest porównywalne z głównymi usługami kalibracyjnymi.
Teraz, dzięki renowacji laboratorium, zespół NIST potroił te niepewności do 0,2% lub mniej. To osiągnięcie sprawia, że ​​nowa usługa kalibracji jasności diod LED i fotometru jest jedną z najlepszych na świecie. Naukowcy znacznie skrócili także czas kalibracji. W starych systemach wykonanie kalibracji dla klientów zajmowało prawie cały dzień. Badacz NIST, Cameron Miller, stwierdził, że większość pracy polega na skonfigurowaniu każdego pomiaru, wymianie źródeł światła lub detektorów, ręcznym sprawdzeniu odległości między nimi, a następnie ponownej konfiguracji sprzętu do następnego pomiaru.
Ale obecnie laboratorium składa się z dwóch zautomatyzowanych stołów sprzętowych, jednego dla źródła światła, a drugiego dla detektora. Stół porusza się po systemie szynowym i umieszcza detektor w dowolnej odległości od 0 do 5 metrów od światła. Odległość można kontrolować w zakresie 50 części na milion jednego metra (mikrometra), co stanowi w przybliżeniu połowę szerokości ludzkiego włosa. Zong i Miller mogą zaprogramować stoły tak, aby poruszały się względem siebie bez konieczności ciągłej interwencji człowieka. Kiedyś zajmowało to jeden dzień, teraz można to zrobić w ciągu kilku godzin. Nie trzeba już wymieniać żadnego sprzętu, wszystko jest na miejscu i można z niego skorzystać w dowolnym momencie, dając badaczom dużą swobodę robienia wielu rzeczy jednocześnie, ponieważ jest to w pełni zautomatyzowane.
Możesz wrócić do biura, aby wykonać inną pracę, gdy jest ono uruchomione. Badacze NIST przewidują, że baza klientów powiększy się, gdy laboratorium doda kilka dodatkowych funkcji. Na przykład nowe urządzenie może kalibrować kamery hiperspektralne, które mierzą znacznie większą długość fali światła niż typowe kamery, które zazwyczaj rejestrują tylko trzy do czterech kolorów. Od obrazowania medycznego po analizę zdjęć satelitarnych Ziemi, kamery hiperspektralne stają się coraz bardziej popularne. Informacje dostarczane przez umieszczone w przestrzeni kosmicznej kamery hiperspektralne na temat pogody i roślinności na Ziemi umożliwiają naukowcom przewidywanie klęsk głodu i powodzi, a także mogą pomóc społecznościom w planowaniu działań ratowniczych i pomocy w przypadku klęsk żywiołowych. Nowe laboratorium może również ułatwić naukowcom kalibrację wyświetlaczy smartfonów, a także wyświetlaczy telewizorów i komputerów.

Prawidłowa odległość
Aby skalibrować fotometr klienta, Naukowcy z NIST wykorzystują szerokopasmowe źródła światła do oświetlania detektorów, które zasadniczo składają się z białego światła o wielu długościach fal (kolorach), a jego jasność jest bardzo wyraźna, ponieważ pomiary są wykonywane przy użyciu standardowych fotometrów NIST. W przeciwieństwie do laserów ten rodzaj białego światła jest niespójny, co oznacza, że ​​światło o różnych długościach fal nie jest ze sobą zsynchronizowane. W idealnym scenariuszu, aby uzyskać najdokładniejszy pomiar, badacze wykorzystają przestrajalne lasery do generowania światła o kontrolowanych długościach fal, tak aby detektor naświetlał tylko jedną długość fali światła na raz. Zastosowanie przestrajalnych laserów zwiększa stosunek sygnału do szumu pomiaru.
Jednak w przeszłości do kalibracji fotometrów nie można było używać przestrajalnych laserów, ponieważ lasery o pojedynczej długości fali interferowały ze sobą w sposób powodujący dodawanie do sygnału różnej ilości szumu w zależności od użytej długości fali. W ramach udoskonalania laboratorium Zong stworzył dostosowany projekt fotometru, który redukuje ten szum do znikomego poziomu. Umożliwia to po raz pierwszy zastosowanie przestrajalnych laserów do kalibracji fotometrów z małymi niepewnościami. Dodatkową zaletą nowego projektu jest to, że ułatwia czyszczenie sprzętu oświetleniowego, ponieważ znakomita apertura jest teraz chroniona za uszczelnioną szklaną szybą. Pomiar natężenia wymaga dokładnej wiedzy o odległości detektora od źródła światła.
Jak dotąd, podobnie jak większość innych laboratoriów fotometrycznych, laboratorium NIST nie dysponuje jeszcze wysoce precyzyjną metodą pomiaru tej odległości. Dzieje się tak częściowo dlatego, że apertura detektora, przez którą zbiera się światło, jest zbyt subtelna, aby mogła zostać dotknięta przez urządzenie pomiarowe. Powszechnym rozwiązaniem jest, aby badacze najpierw zmierzyli natężenie oświetlenia źródła światła i oświetlili powierzchnię określonym obszarem. Następnie użyj tych informacji, aby określić te odległości, korzystając z prawa odwrotności kwadratów, które opisuje, jak intensywność źródła światła maleje wykładniczo wraz ze wzrostem odległości. Ten dwuetapowy pomiar nie jest łatwy do wdrożenia i wprowadza dodatkową niepewność. Dzięki nowemu systemowi zespół może teraz porzucić metodę odwrotnych kwadratów i bezpośrednio określić odległość.
Metoda ta wykorzystuje kamerę opartą na mikroskopie, z mikroskopem umieszczonym na stoliku źródła światła i skupiającym się na znacznikach pozycji na stoliku detektora. Drugi mikroskop znajduje się na stole detektora i skupia uwagę na znacznikach pozycji na stole warsztatowym źródła światła. Określ odległość, dostosowując aperturę detektora i położenie źródła światła do ogniska odpowiednich mikroskopów. Mikroskopy są bardzo wrażliwe na rozogniskowanie i potrafią rozpoznać obiekt nawet z odległości kilku mikrometrów. Nowy pomiar odległości umożliwia także badaczom zmierzenie „prawdziwego natężenia” diod LED, czyli osobnej liczby wskazującej, że ilość światła emitowanego przez diody LED jest niezależna od odległości.
Oprócz tych nowych funkcji naukowcy z NIST dodali także pewne instrumenty, takie jak urządzenie zwane goniometrem, które może obracać światła LED, aby zmierzyć ilość światła emitowanego pod różnymi kątami. Miller i Zong mają nadzieję, że w nadchodzących miesiącach wykorzystają spektrofotometr do nowej usługi: pomiaru emisji ultrafioletu (UV) diod LED. Potencjalne zastosowania diod LED do generowania promieni ultrafioletowych obejmują napromienianie żywności w celu przedłużenia jej trwałości, a także dezynfekcję wody i sprzętu medycznego. Tradycyjnie w napromieniowaniu komercyjnym wykorzystuje się światło ultrafioletowe emitowane przez lampy rtęciowe.