Kuinka monta mittaustutkijaa tarvitaan LED-lampun kalibrointiin? Yhdysvaltain National Institute of Standards and Technologyn (NIST) tutkijoille tämä luku on puolet muutaman viikon takaisesta. Kesäkuussa NIST on alkanut tarjota nopeampia, tarkempia ja työvoimaa säästäviä kalibrointipalveluita LED-valojen ja muiden puolijohdevalaistustuotteiden kirkkauden arvioimiseksi. Palvelun asiakkaita ovat LED-valojen valmistajat ja muut kalibrointilaboratoriot. Kalibroitu lamppu voi esimerkiksi varmistaa, että pöytälampun 60 wattia vastaava LED-polttimo vastaa todella 60 wattia, tai varmistaa, että hävittäjäkoneen ohjaajalla on asianmukainen kiitotien valaistus.

LED-valmistajien on varmistettava, että heidän valmistamansa valot ovat todella yhtä kirkkaita kuin ne on suunniteltu. Tämän saavuttamiseksi kalibroi nämä lamput fotometrillä, joka on työkalu, joka voi mitata kirkkautta kaikilla aallonpituuksilla ottaen huomioon ihmissilmän luonnollisen herkkyyden eri väreille. NISTin fotometrinen laboratorio on vuosikymmeniä täyttänyt alan vaatimukset tarjoamalla LED-kirkkaus- ja fotometrisiä kalibrointipalveluita. Palvelu sisältää asiakkaan LED- ja muiden puolijohdevalojen kirkkauden mittaamisen sekä asiakkaan oman fotometrin kalibroinnin. Tähän asti NIST-laboratorio on mittannut lampun kirkkautta suhteellisen pienellä epävarmuudella, 0,5–1,0 prosentin virheellä, mikä on verrattavissa yleisiin kalibrointipalveluihin.
Nyt laboratorion remontin ansiosta NIST-tiimi on kolminkertaistanut nämä epävarmuudet 0,2 prosenttiin tai alle. Tämä saavutus tekee uudesta LED-kirkkaus- ja fotometrien kalibrointipalvelusta yhden maailman parhaista. Tutkijat ovat myös lyhentäneet kalibrointiaikaa merkittävästi. Vanhoissa järjestelmissä kalibroinnin suorittaminen asiakkaille kestäisi lähes koko päivän. NIST-tutkija Cameron Miller totesi, että suurin osa työstä käytetään kunkin mittauksen asettamiseen, valonlähteiden tai ilmaisimien vaihtamiseen, manuaalisen etäisyyden tarkistamiseen näiden kahden välillä ja laitteiden uudelleenkonfigurointiin seuraavaa mittausta varten.
Mutta nyt laboratorio koostuu kahdesta automatisoidusta laitetaulukosta, joista toinen on valonlähteelle ja toinen ilmaisimelle. Pöytä liikkuu telajärjestelmässä ja sijoittaa ilmaisimen minne tahansa 0-5 metrin päähän valosta. Etäisyyttä voidaan säätää 50 miljoonasosan sisällä metristä (mikrometri), joka on noin puolet ihmisen hiusten leveydestä. Zong ja Miller voivat ohjelmoida taulukot liikkumaan suhteessa toisiinsa ilman jatkuvaa ihmisen väliintuloa. Aikaisemmin se kesti päivän, mutta nyt se voidaan suorittaa muutamassa tunnissa. Mitään laitteita ei enää tarvitse vaihtaa, kaikki on täällä ja sitä voidaan käyttää milloin tahansa, mikä antaa tutkijoille paljon vapautta tehdä monia asioita samanaikaisesti, koska se on täysin automatisoitu.
Voit palata toimistoon tekemään muita töitä sen ollessa käynnissä. NIST-tutkijat ennustavat, että asiakaskunta laajenee, kun laboratorio on lisännyt useita lisäominaisuuksia. Uusi laite voi esimerkiksi kalibroida hyperspektrikameroita, jotka mittaavat paljon enemmän valon aallonpituutta kuin tyypilliset kamerat, jotka tyypillisesti sieppaavat vain kolmesta neljään väriä. Hyperspektrikamerat ovat yhä suositumpia lääketieteellisestä kuvantamisesta maapallon satelliittikuvien analysointiin. Avaruudessa sijaitsevien hyperspektrikameroiden antamat tiedot maapallon säästä ja kasvillisuudesta antavat tutkijoille mahdollisuuden ennustaa nälänhätää ja tulvia ja auttaa yhteisöjä suunnittelemaan hätäapua ja katastrofiapua. Uusi laboratorio voi myös tehdä tutkijoille helpompaa ja tehokkaampaa älypuhelimien näyttöjen sekä TV- ja tietokonenäyttöjen kalibrointia.

Oikea etäisyys
Asiakkaan fotometrin kalibroimiseksi NIST:n tutkijat käyttävät laajakaistaisia ​​valonlähteitä valaisemaan ilmaisimia, jotka ovat pääasiassa valkoista valoa, jolla on useita aallonpituuksia (värejä), ja sen kirkkaus on erittäin selkeä, koska mittaukset tehdään NIST-standardin fotometreillä. Toisin kuin laserit, tämän tyyppinen valkoinen valo on epäkoherenttia, mikä tarkoittaa, että kaikki eri aallonpituuksilla olevat valot eivät ole synkronoituja keskenään. Ihanteellisessa skenaariossa, tarkimman mittauksen saavuttamiseksi, tutkijat käyttävät viritettävää laseria tuottamaan valoa säädettävillä aallonpituuksilla, jotta tunnistimeen säteilytetään vain yksi aallonpituus valoa kerrallaan. Viritettävän laserin käyttö lisää mittauksen signaali-kohinasuhdetta.
Aiemmin säädettäviä lasereita ei kuitenkaan voitu käyttää fotometrien kalibrointiin, koska yhden aallonpituuden laserit häiritsivät itseään tavalla, joka lisäsi signaaliin erilaisia ​​​​määriä kohinaa käytetyn aallonpituuden perusteella. Osana laboratorion parantamista Zong on luonut mukautetun fotometrisuunnittelun, joka vähentää tämän melun mitättömälle tasolle. Tämä mahdollistaa virittävien lasereiden käytön ensimmäistä kertaa fotometrien kalibroinnissa pienillä epävarmuuksilla. Uuden muotoilun lisäetu on, että se helpottaa valaistuslaitteiden puhdistamista, sillä hieno aukko on nyt suojattu suljetun lasi-ikkunan takana. Voimakkuuden mittaus edellyttää tarkkaa tietoa siitä, kuinka kaukana ilmaisin on valonlähteestä.
Toistaiseksi, kuten useimmat muut fotometrialaboratoriot, NIST-laboratoriolla ei vielä ole erittäin tarkkaa menetelmää tämän etäisyyden mittaamiseen. Tämä johtuu osittain siitä, että ilmaisimen aukko, jonka läpi valo kerätään, on liian hienovarainen mittalaitteen kosketettavaksi. Yleinen ratkaisu on, että tutkijat mittaavat ensin valonlähteen valaistusvoimakkuuden ja valaisevat pinnan tietyllä alueella. Seuraavaksi käytä näitä tietoja näiden etäisyyksien määrittämiseen käyttämällä käänteistä neliölakia, joka kuvaa kuinka valonlähteen intensiteetti pienenee eksponentiaalisesti etäisyyden kasvaessa. Tätä kaksivaiheista mittausta ei ole helppo toteuttaa ja se lisää epävarmuutta. Uuden järjestelmän avulla tiimi voi nyt luopua käänteisen neliön menetelmästä ja määrittää etäisyyden suoraan.
Tässä menetelmässä käytetään mikroskooppipohjaista kameraa, jossa mikroskooppi istuu valonlähdetasolla ja keskittyy ilmaisintason asentomerkkeihin. Toinen mikroskooppi sijaitsee ilmaisimen työpöydällä ja keskittyy valonlähteen työpöydän asentomerkkeihin. Määritä etäisyys säätämällä ilmaisimen aukkoa ja valonlähteen asentoa vastaavien mikroskooppien tarkkuuteen. Mikroskoopit ovat erittäin herkkiä defocusille ja voivat tunnistaa jopa muutaman mikrometrin etäisyydeltä. Uuden etäisyysmittauksen avulla tutkijat voivat myös mitata LEDien "todellista intensiteettiä", joka on erillinen luku, joka osoittaa, että LEDien lähettämän valon määrä on etäisyydestä riippumaton.
Näiden uusien ominaisuuksien lisäksi NIST-tutkijat ovat lisänneet myös joitain instrumentteja, kuten goniometriksi kutsutun laitteen, joka voi kiertää LED-valoja mittaamaan, kuinka paljon valoa säteilee eri kulmissa. Tulevina kuukausina Miller ja Zong toivovat voivansa käyttää spektrofotometriä uuteen palveluun: LEDien ultraviolettisäteilyn (UV) mittaamiseen. LEDin mahdollisia käyttötarkoituksia ultraviolettisäteiden tuottamiseen ovat elintarvikkeiden säteilytys sen säilyvyyden pidentämiseksi sekä veden ja lääketieteellisten laitteiden desinfiointi. Perinteisesti kaupallisessa säteilytyksessä käytetään elohopeahöyrylamppujen lähettämää ultraviolettivaloa.