Hvor mange måleforskere skal der til for at kalibrere en LED-pære? For forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) i USA er dette tal halvdelen af, hvad det var for et par uger siden. I juni begyndte NIST at levere hurtigere, mere nøjagtige og arbejdsbesparende kalibreringstjenester til evaluering af lysstyrken af ​​LED-lys og andre solid-state belysningsprodukter. Kunder af denne service omfatter LED-lysproducenter og andre kalibreringslaboratorier. For eksempel kan en kalibreret lampe sikre, at den 60 watt-ækvivalente LED-pære i bordlampen virkelig svarer til 60 watt, eller sikre, at piloten i jagerflyet har passende banebelysning.

LED-producenter skal sikre, at de lys, de fremstiller, virkelig er lige så lyse, som de er designet. For at opnå dette skal du kalibrere disse lamper med et fotometer, som er et værktøj, der kan måle lysstyrke ved alle bølgelængder, mens der tages hensyn til det menneskelige øjes naturlige følsomhed over for forskellige farver. I årtier har NISTs fotometriske laboratorium imødekommet industriens krav ved at levere LED-lysstyrke og fotometriske kalibreringstjenester. Denne service indebærer måling af lysstyrken på kundens LED og andre solid-state lys, samt kalibrering af kundens eget fotometer. Indtil nu har NIST-laboratoriet målt pærens lysstyrke med relativt lav usikkerhed med en fejl på mellem 0,5 % og 1,0 %, hvilket er sammenligneligt med almindelige kalibreringstjenester.
Nu, takket være renoveringen af ​​laboratoriet, har NIST-teamet tredoblet disse usikkerheder til 0,2 % eller lavere. Denne præstation gør den nye LED-lysstyrke og fotometerkalibreringstjeneste til en af ​​de bedste i verden. Forskere har også forkortet kalibreringstiden markant. I gamle systemer ville det tage næsten en hel dag at udføre en kalibrering for kunder. NIST-forsker Cameron Miller udtalte, at det meste af arbejdet bruges til at opsætte hver måling, udskifte lyskilder eller detektorer, manuelt kontrollere afstanden mellem de to og derefter rekonfigurere udstyret til næste måling.
Men nu består laboratoriet af to automatiserede udstyrsborde, det ene til lyskilden og det andet til detektoren. Bordet bevæger sig på skinnesystemet og placerer detektoren overalt fra 0 til 5 meter væk fra lyset. Afstanden kan kontrolleres inden for 50 ppm af en meter (mikrometer), hvilket er cirka halvdelen af ​​bredden af ​​menneskehår. Zong og Miller kan programmere tabeller til at bevæge sig i forhold til hinanden uden behov for kontinuerlig menneskelig indgriben. Det plejede at tage en dag, men nu kan det gennemføres inden for et par timer. Behøver ikke længere at udskifte noget udstyr, alt er her og kan bruges til enhver tid, hvilket giver forskerne stor frihed til at gøre mange ting på samme tid, fordi det er fuldstændig automatiseret.
Du kan vende tilbage til kontoret for at udføre andet arbejde, mens det kører. NIST-forskere forudser, at kundebasen vil udvide sig, efterhånden som laboratoriet har tilføjet flere yderligere funktioner. For eksempel kan den nye enhed kalibrere hyperspektrale kameraer, som måler meget mere lysbølgelængde end typiske kameraer, der typisk kun fanger tre til fire farver. Fra medicinsk billeddannelse til analyse af satellitbilleder af Jorden bliver hyperspektrale kameraer stadig mere populære. Oplysningerne fra rumbaserede hyperspektrale kameraer om Jordens vejr og vegetation gør det muligt for forskere at forudsige hungersnød og oversvømmelser og kan hjælpe samfund med at planlægge nødhjælp og katastrofehjælp. Det nye laboratorium kan også gøre det nemmere og mere effektivt for forskere at kalibrere smartphone-skærme samt tv- og computerskærme.

Korrekt afstand
For at kalibrere kundens fotometer bruger forskere hos NIST bredbåndslyskilder til at belyse detektorer, som i det væsentlige er hvidt lys med flere bølgelængder (farver), og dets lysstyrke er meget tydelig, fordi målinger er foretaget ved hjælp af NIST-standardfotometre. I modsætning til lasere er denne type hvidt lys usammenhængende, hvilket betyder, at alt lys med forskellige bølgelængder ikke er synkroniseret med hinanden. I et ideelt scenarie, for den mest nøjagtige måling, vil forskere bruge afstembare lasere til at generere lys med kontrollerbare bølgelængder, så kun én bølgelængde af lys bestråles på detektoren ad gangen. Brugen af ​​afstembare lasere øger signal-til-støj-forholdet for målingen.
Men tidligere kunne indstillelige lasere ikke bruges til at kalibrere fotometre, fordi enkeltbølgelængdelasere interfererede med sig selv på en måde, der tilføjede forskellige mængder støj til signalet baseret på den anvendte bølgelængde. Som en del af laboratorieforbedringer har Zong skabt et tilpasset fotometerdesign, der reducerer denne støj til et ubetydeligt niveau. Dette gør det muligt for første gang at bruge tunbare lasere til at kalibrere fotometre med små usikkerheder. Den ekstra fordel ved det nye design er, at det gør belysningsudstyret nemmere at rengøre, da den udsøgte blænde nu er beskyttet bag det forseglede glasvindue. Intensitetsmåling kræver nøjagtig viden om, hvor langt detektoren er fra lyskilden.
Indtil nu, som de fleste andre fotometrilaboratorier, har NIST-laboratoriet endnu ikke en højpræcisionsmetode til at måle denne afstand. Dette skyldes blandt andet, at detektorens åbning, som lyset opsamles igennem, er for subtil til at blive berørt af måleapparatet. En almindelig løsning er, at forskere først måler lyskildens belysningsstyrke og belyser en overflade med et bestemt areal. Brug derefter denne information til at bestemme disse afstande ved hjælp af den omvendte kvadratlov, som beskriver, hvordan intensiteten af ​​en lyskilde aftager eksponentielt med stigende afstand. Denne to-trins måling er ikke let at implementere og introducerer yderligere usikkerhed. Med det nye system kan teamet nu opgive den omvendte kvadratmetode og direkte bestemme afstanden.
Denne metode bruger et mikroskopbaseret kamera, hvor et mikroskop sidder på lyskildebordet og fokuserer på positionsmarkørerne på detektorbordet. Det andet mikroskop er placeret på detektorarbejdsbordet og fokuserer på positionsmarkørerne på lyskildearbejdsbordet. Bestem afstanden ved at justere detektorens blænde og lyskildens position til fokus på deres respektive mikroskoper. Mikroskoper er meget følsomme over for defokusering og kan genkende selv et par mikrometer væk. Den nye afstandsmåling gør det også muligt for forskere at måle den "sande intensitet" af lysdioder, som er et separat tal, der indikerer, at mængden af ​​lys, der udsendes af lysdioder, er uafhængig af afstanden.
Ud over disse nye funktioner har NIST-forskere også tilføjet nogle instrumenter, såsom en enhed kaldet et goniometer, der kan rotere LED-lys for at måle, hvor meget lys der udsendes i forskellige vinkler. I de kommende måneder håber Miller og Zong at bruge et spektrofotometer til en ny tjeneste: måling af ultraviolet (UV) output fra LED'er. De potentielle anvendelser af LED til at generere ultraviolette stråler omfatter bestråling af fødevarer for at forlænge dets holdbarhed samt desinficering af vand og medicinsk udstyr. Traditionelt bruger kommerciel bestråling det ultraviolette lys, der udsendes af kviksølvdamplamper.