Hur många mätforskare behövs för att kalibrera en LED-lampa? För forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) i USA är detta antal hälften av vad det var för några veckor sedan. I juni har NIST börjat tillhandahålla snabbare, mer exakta och arbetsbesparande kalibreringstjänster för att utvärdera ljusstyrkan hos LED-lampor och andra solid-state belysningsprodukter. Kunder av denna tjänst inkluderar LED-ljustillverkare och andra kalibreringslaboratorier. Till exempel kan en kalibrerad lampa se till att den 60 watts ekvivalenta LED-lampan i skrivbordslampan verkligen motsvarar 60 watt, eller se till att piloten i stridsflygplanet har lämplig banbelysning.

LED-tillverkare måste se till att lamporna de tillverkar verkligen är lika ljusa som de är designade. För att uppnå detta, kalibrera dessa lampor med en fotometer, som är ett verktyg som kan mäta ljusstyrka på alla våglängder samtidigt som man tar hänsyn till det mänskliga ögats naturliga känslighet för olika färger. I decennier har NISTs fotometriska laboratorium uppfyllt industrins krav genom att tillhandahålla LED-ljusstyrka och fotometriska kalibreringstjänster. Denna tjänst innebär att mäta ljusstyrkan på kundens LED och andra halvledarljus, samt kalibrera kundens egen fotometer. Fram till nu har NIST-laboratoriet mätt lampans ljusstyrka med relativt låg osäkerhet, med ett fel mellan 0,5 % och 1,0 %, vilket är jämförbart med vanliga kalibreringstjänster.
Nu, tack vare renoveringen av laboratoriet, har NIST-teamet tredubblat dessa osäkerheter till 0,2 % eller lägre. Denna prestation gör den nya LED-ljusstyrkan och fotometerkalibreringstjänsten till en av de bästa i världen. Forskare har också avsevärt förkortat kalibreringstiden. I gamla system skulle det ta nästan en hel dag att utföra en kalibrering för kunder. NIST-forskaren Cameron Miller uppgav att det mesta av arbetet används för att ställa in varje mätning, byta ut ljuskällor eller detektorer, manuellt kontrollera avståndet mellan de två och sedan konfigurera om utrustningen för nästa mätning.
Men nu består laboratoriet av två automatiserade utrustningsbord, ett för ljuskällan och det andra för detektorn. Bordet rör sig på spårsystemet och placerar detektorn var som helst från 0 till 5 meter från ljuset. Avståndet kan kontrolleras inom 50 miljondelar av en meter (mikrometer), vilket är ungefär halva bredden på människohår. Zong och Miller kan programmera tabeller att röra sig i förhållande till varandra utan behov av kontinuerlig mänsklig inblandning. Tidigare tog det en dag, men nu kan det slutföras inom några timmar. Behöver inte längre byta ut någon utrustning, allt finns här och kan användas när som helst, vilket ger forskarna stor frihet att göra många saker samtidigt eftersom det är helt automatiserat.
Du kan återvända till kontoret för att utföra annat arbete medan det är igång. NIST-forskare förutspår att kundbasen kommer att utökas eftersom laboratoriet har lagt till flera ytterligare funktioner. Till exempel kan den nya enheten kalibrera hyperspektrala kameror, som mäter mycket mer ljusvåglängd än vanliga kameror som vanligtvis bara fångar tre till fyra färger. Från medicinsk bildbehandling till att analysera satellitbilder av jorden, hyperspektrala kameror blir allt populärare. Informationen från rymdbaserade hyperspektrala kameror om jordens väder och växtlighet gör det möjligt för forskare att förutsäga hungersnöd och översvämningar, och kan hjälpa samhällen att planera nöd- och katastrofhjälp. Det nya laboratoriet kan också göra det enklare och mer effektivt för forskare att kalibrera smartphone-skärmar, samt TV- och datorskärmar.

Rätt avstånd
För att kalibrera kundens fotometer använder forskare vid NIST bredbandsljuskällor för att belysa detektorer, som i huvudsak är vitt ljus med flera våglängder (färger), och dess ljusstyrka är mycket tydlig eftersom mätningar görs med NIST-standardfotometrar. Till skillnad från lasrar är denna typ av vitt ljus inkoherent, vilket gör att allt ljus med olika våglängder inte synkroniseras med varandra. I ett idealiskt scenario, för den mest exakta mätningen, kommer forskare att använda avstämbara lasrar för att generera ljus med kontrollerbara våglängder, så att endast en våglängd av ljus bestrålas på detektorn åt gången. Användningen av avstämbara lasrar ökar signal-brusförhållandet för mätningen.
Men tidigare kunde avstämbara lasrar inte användas för att kalibrera fotometrar eftersom envåglängdslasrar störde sig själva på ett sätt som lade till olika mängder brus till signalen baserat på den använda våglängden. Som en del av laboratorieförbättringar har Zong skapat en anpassad fotometerdesign som reducerar detta brus till en försumbar nivå. Detta gör det möjligt att för första gången använda avstämbara lasrar för att kalibrera fotometrar med små osäkerheter. Den ytterligare fördelen med den nya designen är att den gör belysningsutrustningen lättare att rengöra, eftersom den utsökta öppningen nu är skyddad bakom det förseglade glasfönstret. Intensitetsmätning kräver noggrann kunskap om hur långt detektorn är från ljuskällan.
Tills nu, liksom de flesta andra fotometrilaboratorier, har NIST-laboratoriet ännu inte en högprecisionsmetod för att mäta detta avstånd. Detta beror delvis på att detektorns öppning, genom vilken ljus samlas in, är för subtil för att vidröras av mätanordningen. En vanlig lösning är att forskare först mäter ljuskällans belysningsstyrka och belyser en yta med en viss yta. Använd sedan denna information för att bestämma dessa avstånd med hjälp av den omvända kvadratlagen, som beskriver hur intensiteten hos en ljuskälla minskar exponentiellt med ökande avstånd. Denna tvåstegsmätning är inte lätt att implementera och introducerar ytterligare osäkerhet. Med det nya systemet kan teamet nu överge den omvända kvadratmetoden och direkt bestämma avståndet.
Denna metod använder en mikroskopbaserad kamera, med ett mikroskop som sitter på ljuskällsbordet och fokuserar på positionsmarkörerna på detektorbordet. Det andra mikroskopet är placerat på detektorarbetsbänken och fokuserar på positionsmarkörerna på ljuskällans arbetsbänk. Bestäm avståndet genom att justera detektorns öppning och ljuskällans position till fokus för deras respektive mikroskop. Mikroskop är mycket känsliga för oskärpa och kan känna igen till och med några mikrometer bort. Den nya avståndsmätningen gör det också möjligt för forskare att mäta den "sanna intensiteten" hos lysdioder, vilket är ett separat nummer som indikerar att mängden ljus som sänds ut av lysdioder är oberoende av avståndet.
Utöver dessa nya funktioner har NIST-forskare också lagt till några instrument, till exempel en enhet som kallas en goniometer som kan rotera LED-ljus för att mäta hur mycket ljus som emitteras i olika vinklar. Under de kommande månaderna hoppas Miller och Zong kunna använda en spektrofotometer för en ny tjänst: mätning av den ultravioletta (UV) effekten av lysdioder. Den potentiella användningen av LED för att generera ultravioletta strålar inkluderar bestrålning av mat för att förlänga dess hållbarhet, samt desinficering av vatten och medicinsk utrustning. Traditionellt använder kommersiell bestrålning det ultravioletta ljuset som sänds ut av kvicksilverånglampor.