Hvor mange måleforskere trengs for å kalibrere en LED-lyspære? For forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) i USA er dette tallet halvparten av hva det var for noen uker siden. I juni begynte NIST å tilby raskere, mer nøyaktige og arbeidsbesparende kalibreringstjenester for å evaluere lysstyrken til LED-lys og andre solid-state belysningsprodukter. Kunder av denne tjenesten inkluderer LED-lysprodusenter og andre kalibreringslaboratorier. For eksempel kan en kalibrert lampe sørge for at den 60 watt tilsvarende LED-pæren i skrivebordslampen virkelig tilsvarer 60 watt, eller sørge for at piloten i jagerflyet har passende rullebanebelysning.

LED-produsenter må sørge for at lysene de produserer virkelig er like sterke som de er designet. For å oppnå dette, kalibrer disse lampene med et fotometer, som er et verktøy som kan måle lysstyrke ved alle bølgelengder samtidig som det tas hensyn til det menneskelige øyets naturlige følsomhet for forskjellige farger. I flere tiår har NISTs fotometriske laboratorium møtt industrikravene ved å tilby LED-lysstyrke og fotometriske kalibreringstjenester. Denne tjenesten innebærer måling av lysstyrken til kundens LED og andre solid-state lys, samt kalibrering av kundens eget fotometer. Inntil nå har NIST-laboratoriet målt lysstyrken på lyspærene med relativt lav usikkerhet, med en feil mellom 0,5 % og 1,0 %, som kan sammenlignes med vanlige kalibreringstjenester.
Nå, takket være renoveringen av laboratoriet, har NIST-teamet tredoblet disse usikkerhetene til 0,2 % eller lavere. Denne prestasjonen gjør den nye LED-lysstyrken og fotometerkalibreringstjenesten til en av de beste i verden. Forskere har også redusert kalibreringstiden betydelig. I gamle systemer ville det å utføre en kalibrering for kunder ta nesten en hel dag. NIST-forsker Cameron Miller uttalte at mesteparten av arbeidet brukes til å sette opp hver måling, erstatte lyskilder eller detektorer, manuelt sjekke avstanden mellom de to, og deretter rekonfigurere utstyret for neste måling.
Men nå består laboratoriet av to automatiserte utstyrsbord, det ene for lyskilden og det andre for detektoren. Bordet beveger seg på skinnesystemet og plasserer detektoren hvor som helst fra 0 til 5 meter fra lyset. Avstanden kan kontrolleres innenfor 50 deler per million av én meter (mikrometer), som er omtrent halvparten av bredden av menneskehår. Zong og Miller kan programmere tabeller til å bevege seg i forhold til hverandre uten behov for kontinuerlig menneskelig intervensjon. Det pleide å ta en dag, men nå kan det gjennomføres i løpet av få timer. Trenger ikke lenger å erstatte noe utstyr, alt er her og kan brukes når som helst, noe som gir forskerne stor frihet til å gjøre mange ting samtidig fordi det er helt automatisert.
Du kan gå tilbake til kontoret for å gjøre annet arbeid mens det kjører. NIST-forskere spår at kundebasen vil utvide seg ettersom laboratoriet har lagt til flere tilleggsfunksjoner. For eksempel kan den nye enheten kalibrere hyperspektrale kameraer, som måler mye mer lysbølgelengde enn typiske kameraer som vanligvis bare fanger tre til fire farger. Fra medisinsk bildebehandling til å analysere satellittbilder av jorden, blir hyperspektrale kameraer stadig mer populære. Informasjonen fra rombaserte hyperspektrale kameraer om jordens vær og vegetasjon gjør det mulig for forskere å forutsi hungersnød og flom, og kan hjelpe lokalsamfunn med å planlegge nød- og katastrofehjelp. Det nye laboratoriet kan også gjøre det enklere og mer effektivt for forskere å kalibrere smarttelefonskjermer, samt TV- og dataskjermer.

Riktig avstand
For å kalibrere kundens fotometer, bruker forskere ved NIST bredbåndslyskilder for å belyse detektorer, som i hovedsak er hvitt lys med flere bølgelengder (farger), og lysstyrken er veldig tydelig fordi målinger er gjort ved hjelp av NIST standard fotometre. I motsetning til lasere er denne typen hvitt lys usammenhengende, noe som betyr at alt lys med forskjellige bølgelengder ikke er synkronisert med hverandre. I et ideelt scenario, for den mest nøyaktige målingen, vil forskere bruke avstembare lasere til å generere lys med kontrollerbare bølgelengder, slik at bare én bølgelengde av lys blir bestrålt på detektoren om gangen. Bruken av avstembare lasere øker signal-til-støy-forholdet til målingen.
Tidligere kunne imidlertid ikke avstembare lasere brukes til å kalibrere fotometre fordi lasere med enkelt bølgelengde forstyrret seg selv på en måte som ga forskjellige mengder støy til signalet basert på bølgelengden som ble brukt. Som en del av laboratorieforbedringer har Zong laget et tilpasset fotometerdesign som reduserer denne støyen til et ubetydelig nivå. Dette gjør det mulig å bruke avstembare lasere for første gang for å kalibrere fotometre med små usikkerheter. Den ekstra fordelen med det nye designet er at det gjør lysutstyret lettere å rengjøre, siden den utsøkte blenderåpningen nå er beskyttet bak det forseglede glassvinduet. Intensitetsmåling krever nøyaktig kunnskap om hvor langt detektoren er fra lyskilden.
Til nå, som de fleste andre fotometrilaboratorier, har NIST-laboratoriet ennå ikke en høypresisjonsmetode for å måle denne avstanden. Dette er delvis fordi blenderåpningen til detektoren, som lys samles gjennom, er for subtil til å bli berørt av måleapparatet. En vanlig løsning er at forskere først måler lyskildens belysningsstyrke og belyser en overflate med et visst areal. Deretter bruker du denne informasjonen til å bestemme disse avstandene ved å bruke den omvendte kvadratloven, som beskriver hvordan intensiteten til en lyskilde avtar eksponentielt med økende avstand. Denne to-trinns målingen er ikke lett å implementere og introduserer ytterligere usikkerhet. Med det nye systemet kan teamet nå forlate den omvendte kvadratmetoden og bestemme avstanden direkte.
Denne metoden bruker et mikroskopbasert kamera, med et mikroskop som sitter på lyskildescenen og fokuserer på posisjonsmarkørene på detektorscenen. Det andre mikroskopet er plassert på detektorarbeidsbenken og fokuserer på posisjonsmarkørene på lyskildearbeidsbenken. Bestem avstanden ved å justere blenderåpningen til detektoren og posisjonen til lyskilden til fokuset til deres respektive mikroskoper. Mikroskoper er svært følsomme for defokusering, og kan gjenkjenne selv noen få mikrometer unna. Den nye avstandsmålingen gjør det også mulig for forskere å måle den "sanne intensiteten" til lysdioder, som er et eget tall som indikerer at mengden lys som sendes ut av lysdioder er uavhengig av avstand.
I tillegg til disse nye funksjonene, har NIST-forskere også lagt til noen instrumenter, for eksempel en enhet kalt et goniometer som kan rotere LED-lys for å måle hvor mye lys som sendes ut i forskjellige vinkler. I løpet av de kommende månedene håper Miller og Zong å bruke et spektrofotometer for en ny tjeneste: måling av ultrafiolett (UV) utgang fra lysdioder. Den potensielle bruken av LED for å generere ultrafiolette stråler inkluderer bestråling av mat for å forlenge holdbarheten, samt desinfisering av vann og medisinsk utstyr. Tradisjonelt bruker kommersiell bestråling det ultrafiolette lyset som sendes ut av kvikksølvdamplamper.