Câți oameni de știință sunt necesari pentru a calibra un bec LED? Pentru cercetătorii de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie (NIST) din Statele Unite, acest număr este jumătate din ceea ce era acum câteva săptămâni. În iunie, NIST a început să ofere servicii de calibrare mai rapide, mai precise și care economisesc forța de muncă pentru evaluarea luminozității luminilor LED și a altor produse de iluminat în stare solidă. Printre clienții acestui serviciu se numără producătorii de lumini LED și alte laboratoare de calibrare. De exemplu, o lampă calibrată poate asigura că becul LED echivalent cu 60 de wați din lampa de birou este cu adevărat echivalent cu 60 de wați sau se poate asigura că pilotul din avionul de luptă are iluminare adecvată a pistei.

Producătorii de LED-uri trebuie să se asigure că luminile pe care le produc sunt cu adevărat la fel de luminoase pe cât sunt proiectate. Pentru a realiza acest lucru, calibrați aceste lămpi cu un fotometru, care este un instrument care poate măsura luminozitatea la toate lungimile de undă, ținând cont în același timp de sensibilitatea naturală a ochiului uman la diferite culori. De zeci de ani, laboratorul fotometric al NIST a îndeplinit cerințele industriei prin furnizarea de servicii de calibrare fotometrică și luminozitate LED. Acest serviciu presupune măsurarea luminozității LED-ului clientului și a altor lumini cu stare solidă, precum și calibrarea fotometrului propriu al clientului. Până acum, laboratorul NIST a măsurat luminozitatea becului cu o incertitudine relativ scăzută, cu o eroare între 0,5% și 1,0%, care este comparabilă cu serviciile de calibrare obișnuite.
Acum, datorită renovării laboratorului, echipa NIST a triplat aceste incertitudini la 0,2% sau mai puțin. Această realizare face din noul serviciu de calibrare a luminozității și fotometrului LED unul dintre cele mai bune din lume. De asemenea, oamenii de știință au scurtat semnificativ timpul de calibrare. În sistemele vechi, efectuarea unei calibrări pentru clienți ar dura aproape o zi întreagă. Cercetătorul NIST Cameron Miller a declarat că cea mai mare parte a lucrării este folosită pentru a configura fiecare măsurătoare, a înlocui sursele de lumină sau detectoarele, a verifica manual distanța dintre cele două și apoi a reconfigura echipamentul pentru următoarea măsurătoare.
Dar acum, laboratorul este format din două tabele de echipamente automatizate, unul pentru sursa de lumină și celălalt pentru detector. Masa se deplasează pe sistemul de cale și plasează detectorul oriunde între 0 și 5 metri distanță de lumină. Distanța poate fi controlată în 50 de părți per milion dintr-un metru (micrometru), care este aproximativ jumătate din lățimea părului uman. Zong și Miller pot programa mesele să se miște unul față de celălalt fără a fi nevoie de o intervenție umană continuă. Înainte dura o zi, dar acum poate fi finalizat în câteva ore. Nu mai trebuie să înlocuiți niciun echipament, totul este aici și poate fi folosit în orice moment, oferind cercetătorilor multă libertate de a face multe lucruri în același timp, deoarece este complet automatizat.
Vă puteți întoarce la birou pentru a face alte lucrări în timp ce acesta funcționează. Cercetătorii NIST prevăd că baza de clienți se va extinde pe măsură ce laboratorul a adăugat câteva caracteristici suplimentare. De exemplu, noul dispozitiv poate calibra camere hiperspectrale, care măsoară mult mai multă lungime de undă a luminii decât camerele obișnuite care captează de obicei doar trei până la patru culori. De la imagistica medicală până la analiza imaginilor satelitare ale Pământului, camerele hiperspectrale devin din ce în ce mai populare. Informațiile furnizate de camerele hiperspectrale din spațiu despre vremea și vegetația Pământului le permit oamenilor de știință să prezică foamete și inundații și pot ajuta comunitățile în planificarea ajutorului pentru situații de urgență și dezastre. Noul laborator poate face, de asemenea, mai ușor și mai eficient pentru cercetători calibrarea afișajelor smartphone-urilor, precum și a ecranelor TV și computerelor.

Distanța corectă
Pentru a calibra fotometrul clientului, oamenii de știință de la NIST folosesc surse de lumină în bandă largă pentru a ilumina detectoarele, care sunt în esență lumină albă cu lungimi de undă (culori) multiple, iar luminozitatea sa este foarte clară deoarece măsurătorile sunt făcute folosind fotometre standard NIST. Spre deosebire de lasere, acest tip de lumină albă este incoerentă, ceea ce înseamnă că toată lumina de diferite lungimi de undă nu este sincronizată între ele. Într-un scenariu ideal, pentru cea mai precisă măsurătoare, cercetătorii vor folosi lasere reglabile pentru a genera lumină cu lungimi de undă controlabile, astfel încât doar o lungime de undă a luminii să fie iradiată pe detector la un moment dat. Utilizarea laserelor reglabile crește raportul semnal-zgomot al măsurării.
Cu toate acestea, în trecut, laserele reglabile nu puteau fi utilizate pentru calibrarea fotometrelor, deoarece laserele cu o singură lungime de undă interferau cu ei înșiși într-un mod care adăugau cantități diferite de zgomot semnalului în funcție de lungimea de undă utilizată. Ca parte a îmbunătățirii laboratorului, Zong a creat un design fotometru personalizat care reduce acest zgomot la un nivel neglijabil. Acest lucru face posibilă utilizarea laserelor reglabile pentru prima dată pentru a calibra fotometrele cu mici incertitudini. Avantajul suplimentar al noului design este că face echipamentul de iluminat mai ușor de curățat, deoarece deschiderea rafinată este acum protejată în spatele ferestrei de sticlă etanșă. Măsurarea intensității necesită cunoașterea exactă a distanței detectorului de sursa de lumină.
Până acum, la fel ca majoritatea laboratoarelor de fotometrie, laboratorul NIST nu are încă o metodă de înaltă precizie pentru măsurarea acestei distanțe. Acest lucru se datorează parțial deoarece deschiderea detectorului, prin care este colectată lumina, este prea subtilă pentru a fi atinsă de dispozitivul de măsurare. O soluție comună este ca cercetătorii să măsoare mai întâi iluminarea sursei de lumină și să ilumineze o suprafață cu o anumită zonă. Apoi, utilizați aceste informații pentru a determina aceste distanțe folosind legea inversului pătratului, care descrie modul în care intensitatea unei surse de lumină scade exponențial odată cu creșterea distanței. Această măsurătoare în doi pași nu este ușor de implementat și introduce incertitudine suplimentară. Cu noul sistem, echipa poate abandona acum metoda inversului pătratului și poate determina direct distanța.
Această metodă utilizează o cameră bazată pe microscop, cu un microscop așezat pe scena sursei de lumină și concentrându-se pe marcatorii de poziție de pe scena detectorului. Al doilea microscop este situat pe bancul de lucru cu detector și se concentrează pe marcatorii de poziție de pe bancul de lucru cu sursa de lumină. Determinați distanța ajustând deschiderea detectorului și poziția sursei de lumină la focalizarea microscoapelor respective. Microscoapele sunt foarte sensibile la defocalizare și pot recunoaște chiar și la câțiva micrometri distanță. Noua măsurare a distanței le permite, de asemenea, cercetătorilor să măsoare „intensitatea adevărată” a LED-urilor, care este un număr separat care indică faptul că cantitatea de lumină emisă de LED-uri este independentă de distanță.
Pe lângă aceste noi caracteristici, oamenii de știință NIST au adăugat și câteva instrumente, cum ar fi un dispozitiv numit goniometru care poate roti luminile LED pentru a măsura cât de multă lumină este emisă în diferite unghiuri. În lunile următoare, Miller și Zong speră să folosească un spectrofotometru pentru un nou serviciu: măsurarea ieșirii ultraviolete (UV) a LED-urilor. Potențialele utilizări ale LED-urilor pentru generarea de raze ultraviolete includ iradierea alimentelor pentru a prelungi durata de valabilitate a acestora, precum și dezinfectarea apei și a echipamentelor medicale. În mod tradițional, iradierea comercială folosește lumina ultravioletă emisă de lămpile cu vapori de mercur.