Koliko znanstvenika za mjerenje je potrebno za kalibraciju LED žarulje? Za istraživače s Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST) u Sjedinjenim Državama, ovaj broj je upola manji od onoga od prije nekoliko tjedana. U lipnju je NIST počeo pružati brže, preciznije i štedljive usluge kalibracije za procjenu svjetline LED svjetala i drugih rasvjetnih proizvoda u čvrstom stanju. Korisnici ove usluge su proizvođači LED rasvjete i drugi kalibracijski laboratoriji. Na primjer, kalibrirana svjetiljka može osigurati da je LED žarulja ekvivalentna 60 W u stolnoj lampi doista jednaka snazi ​​od 60 W ili osigurati da pilot u borbenom avionu ima odgovarajuće osvjetljenje piste.

Proizvođači LED dioda moraju osigurati da su svjetla koja proizvode uistinu onoliko svijetla koliko su i dizajnirana. Da biste to postigli, kalibrirajte ove svjetiljke fotometrom, koji je alat koji može mjeriti svjetlinu na svim valnim duljinama uzimajući u obzir prirodnu osjetljivost ljudskog oka na različite boje. Desetljećima fotometrijski laboratorij NIST-a ispunjava zahtjeve industrije pružajući usluge svjetline LED dioda i fotometrijske kalibracije. Ova usluga uključuje mjerenje svjetline kupčevih LED i drugih poluprovodničkih svjetala, kao i kalibraciju vlastitog fotometra kupca. Do sada je laboratorij NIST mjerio svjetlinu žarulje s relativno malom nesigurnošću, s pogreškom između 0,5% i 1,0%, što je usporedivo s uobičajenim uslugama kalibracije.
Sada, zahvaljujući renoviranju laboratorija, NIST tim je utrostručio te nesigurnosti na 0,2% ili niže. Ovo postignuće čini novu uslugu svjetline LED dioda i kalibracije fotometra jednom od najboljih na svijetu. Znanstvenici su također znatno skratili vrijeme kalibracije. U starim sustavima izvođenje kalibracije za korisnike trajalo bi gotovo cijeli dan. Istraživač NIST-a Cameron Miller izjavio je da se većina posla koristi za postavljanje svakog mjerenja, zamjenu izvora svjetlosti ili detektora, ručnu provjeru udaljenosti između njih i zatim rekonfiguraciju opreme za sljedeće mjerenje.
Ali sada se laboratorij sastoji od dva stola s automatiziranom opremom, jednog za izvor svjetlosti, a drugog za detektor. Stol se pomiče po sustavu tračnica i postavlja detektor bilo gdje od 0 do 5 metara od svjetla. Udaljenost se može kontrolirati unutar 50 dijelova na milijun od jednog metra (mikrometra), što je otprilike pola širine ljudske kose. Zong i Miller mogu programirati stolove da se pomiču jedan u odnosu na drugi bez potrebe za stalnom ljudskom intervencijom. Prije je trajao jedan dan, a sada se može završiti u roku od nekoliko sati. Više ne treba mijenjati nikakvu opremu, sve je tu i može se koristiti u bilo kojem trenutku, dajući istraživačima veliku slobodu da rade mnogo stvari u isto vrijeme jer je potpuno automatizirano.
Možete se vratiti u ured kako biste obavili drugi posao dok radi. Istraživači NIST-a predviđaju da će se baza korisnika proširiti jer je laboratorij dodao nekoliko dodatnih značajki. Na primjer, novi uređaj može kalibrirati hiperspektralne kamere, koje mjere mnogo veću valnu duljinu svjetlosti od tipičnih kamera koje obično hvataju samo tri do četiri boje. Od medicinskog snimanja do analize satelitskih slika Zemlje, hiperspektralne kamere postaju sve popularnije. Informacije koje pružaju svemirske hiperspektralne kamere o vremenu i vegetaciji na Zemlji omogućuju znanstvenicima predviđanje gladi i poplava te mogu pomoći zajednicama u planiranju pomoći u hitnim slučajevima i katastrofama. Novi laboratorij također može istraživačima olakšati i učiniti učinkovitijim kalibraciju zaslona pametnih telefona, kao i TV i računalnih zaslona.

Točna udaljenost
Kako bi kalibrirali kupčev fotometar, znanstvenici s NIST-a koriste širokopojasne izvore svjetlosti za osvjetljavanje detektora, koji su u biti bijelo svjetlo s više valnih duljina (boja), a njegova je svjetlina vrlo jasna jer se mjerenja vrše pomoću NIST standardnih fotometara. Za razliku od lasera, ova vrsta bijele svjetlosti je nekoherentna, što znači da sve svjetlosti različitih valnih duljina nisu međusobno sinkronizirane. U idealnom scenariju, za najpreciznije mjerenje, istraživači će koristiti podesive lasere za generiranje svjetlosti s kontroliranim valnim duljinama, tako da samo jedna valna duljina svjetlosti bude ozračena na detektoru u jednom trenutku. Korištenje podesivih lasera povećava omjer signala i šuma u mjerenju.
Međutim, u prošlosti se podesivi laseri nisu mogli koristiti za kalibraciju fotometara jer su laseri s jednom valnom duljinom sami sebe interferirali na način da su signalu dodavali različite količine šuma ovisno o korištenoj valnoj duljini. Kao dio poboljšanja laboratorija, Zong je stvorio prilagođeni dizajn fotometra koji smanjuje ovu buku na zanemarivu razinu. To omogućuje prvi put korištenje podesivih lasera za kalibraciju fotometara s malim nesigurnostima. Dodatna prednost novog dizajna je to što rasvjetnu opremu čini lakšim za čišćenje, budući da je izvanredni otvor sada zaštićen iza zatvorenog staklenog prozora. Mjerenje intenziteta zahtijeva točno poznavanje udaljenosti detektora od izvora svjetlosti.
Do sada, poput većine drugih fotometrijskih laboratorija, NIST laboratorij još nema visoko preciznu metodu za mjerenje ove udaljenosti. To je djelomično zato što je otvor detektora, kroz koji se prikuplja svjetlost, previše suptilan da bi ga mjerni uređaj dotakao. Uobičajeno rješenje je da istraživači prvo izmjere osvijetljenost izvora svjetlosti i osvijetle površinu određenim područjem. Zatim upotrijebite ove informacije za određivanje tih udaljenosti pomoću zakona obrnutog kvadrata, koji opisuje kako se intenzitet izvora svjetlosti eksponencijalno smanjuje s povećanjem udaljenosti. Ovo mjerenje u dva koraka nije lako provesti i unosi dodatnu nesigurnost. S novim sustavom, tim sada može napustiti metodu inverznog kvadrata i izravno odrediti udaljenost.
Ova metoda koristi kameru temeljenu na mikroskopu, s mikroskopom koji se nalazi na postolju izvora svjetla i fokusira se na oznake položaja na postolju detektora. Drugi mikroskop nalazi se na radnom stolu detektora i fokusira se na oznake položaja na radnom stolu izvora svjetlosti. Odredite udaljenost podešavanjem otvora detektora i položaja izvora svjetlosti prema fokusu njihovih mikroskopa. Mikroskopi su vrlo osjetljivi na defokusiranje i mogu prepoznati čak i nekoliko mikrometara. Novo mjerenje udaljenosti također omogućuje istraživačima mjerenje "pravog intenziteta" LED dioda, što je zaseban broj koji pokazuje da količina svjetlosti koju emitiraju LED diode ne ovisi o udaljenosti.
Uz ove nove značajke, znanstvenici NIST-a dodali su i neke instrumente, poput uređaja koji se zove goniometar koji može rotirati LED svjetla kako bi izmjerio koliko se svjetla emitira pod različitim kutovima. U nadolazećim mjesecima, Miller i Zong se nadaju koristiti spektrofotometar za novu uslugu: mjerenje ultraljubičastog (UV) izlaza LED dioda. Potencijalne upotrebe LED-a za generiranje ultraljubičastih zraka uključuju zračenje hrane kako bi joj se produžio rok trajanja, kao i dezinfekciju vode i medicinske opreme. Tradicionalno, komercijalno zračenje koristi ultraljubičasto svjetlo koje emitiraju žarulje sa živinom parom.