Скільки вчених потрібно для калібрування світлодіодної лампочки? Для дослідників з Національного інституту стандартів і технологій (NIST) у Сполучених Штатах це число вдвічі менше, ніж було кілька тижнів тому. У червні NIST почав надавати швидші, точніші та трудомісткі послуги калібрування для оцінки яскравості світлодіодних ліхтарів та інших твердотільних освітлювальних приладів. Клієнтами цієї послуги є виробники світлодіодних ламп та інші калібрувальні лабораторії. Наприклад, відкалібрована лампа може гарантувати, що 60-ватна світлодіодна лампа в настільній лампі справді еквівалентна потужності 60 Вт, або гарантувати, що пілот у винищувачі має відповідне освітлення злітно-посадкової смуги.

Виробники світлодіодів повинні переконатися, що світло, яке вони виробляють, дійсно настільки яскраве, як і задумано. Щоб досягти цього, відкалібруйте ці лампи за допомогою фотометра, який є інструментом, який може вимірювати яскравість на всіх довжинах хвиль, враховуючи при цьому природну чутливість людського ока до різних кольорів. Протягом десятиліть фотометрична лабораторія NIST задовольняла потреби галузі, надаючи послуги з яскравості світлодіодів і фотометричного калібрування. Ця послуга передбачає вимірювання яскравості світлодіодів та інших твердотільних ламп клієнта, а також калібрування власного фотометра клієнта. Досі лабораторія NIST вимірювала яскравість лампочки з відносно низькою похибкою, з похибкою від 0,5% до 1,0%, що можна порівняти з стандартними службами калібрування.
Тепер, завдяки реконструкції лабораторії, команда NIST потроїла ці невизначеності до 0,2% або нижче. Це досягнення робить нову послугу калібрування яскравості світлодіодів і фотометрів однією з найкращих у світі. Також вчені значно скоротили час калібрування. У старих системах виконання калібрування для клієнтів займало майже цілий день. Дослідник NIST Камерон Міллер заявив, що більша частина роботи використовується для налаштування кожного вимірювання, заміни джерел світла чи детекторів, ручної перевірки відстані між ними, а потім переналаштування обладнання для наступного вимірювання.
Але тепер лабораторія складається з двох столів автоматизованого обладнання, один для джерела світла, а інший для детектора. Стіл рухається по системі треків і розміщує детектор на відстані від 0 до 5 метрів від світла. Відстань можна контролювати в межах 50 частин на мільйон одного метра (мікрометра), що становить приблизно половину ширини людського волосся. Зонг і Міллер можуть запрограмувати переміщення столів відносно один одного без постійного втручання людини. Раніше це займало день, а тепер можна виконати за кілька годин. Більше не потрібно замінювати будь-яке обладнання, все тут і ним можна користуватися в будь-який час, що дає дослідникам багато свободи робити багато речей одночасно, оскільки це повністю автоматизовано.
Ви можете повернутися до офісу, щоб виконати іншу роботу, поки він працює. Дослідники NIST прогнозують, що клієнтська база розшириться, оскільки лабораторія додасть кілька додаткових функцій. Наприклад, новий пристрій може калібрувати гіперспектральні камери, які вимірюють набагато більшу довжину хвилі світла, ніж звичайні камери, які зазвичай захоплюють лише три-чотири кольори. Від медичних зображень до аналізу супутникових зображень Землі, гіперспектральні камери стають все більш популярними. Інформація, надана космічними гіперспектральними камерами про погоду та рослинність Землі, дає змогу вченим передбачити голод і повені, а також може допомогти громадам у плануванні допомоги в надзвичайних ситуаціях і стихійних лихах. Нова лабораторія також може полегшити та зробити ефективнішим для дослідників калібрування дисплеїв смартфонів, а також дисплеїв телевізорів і комп’ютерів.

Правильна відстань
Щоб відкалібрувати фотометр замовника, вчені з NIST використовують широкосмугові джерела світла для освітлення детекторів, які, по суті, є білим світлом із кількома довжинами хвиль (кольорами), і його яскравість дуже чітка, оскільки вимірювання виконуються за допомогою стандартних фотометрів NIST. На відміну від лазерів, цей тип білого світла є некогерентним, що означає, що все світло різних довжин хвиль не синхронізовано один з одним. В ідеальному сценарії для найточнішого вимірювання дослідники використовуватимуть регульовані лазери для генерації світла з контрольованою довжиною хвилі, щоб на детектор одночасно потрапляло світло лише однієї довжини хвилі. Використання регульованих лазерів збільшує відношення сигнал/шум вимірювання.
Однак у минулому регульовані лазери не можна було використовувати для калібрування фотометрів, оскільки лазери з однією довжиною хвилі заважали собі таким чином, що додавали різну кількість шуму до сигналу залежно від використовуваної довжини хвилі. У рамках удосконалення лабораторії Zong створив індивідуальний дизайн фотометра, який зменшує цей шум до незначного рівня. Це робить можливим вперше використовувати регульовані лазери для калібрування фотометрів з невеликими похибками. Додаткова перевага нового дизайну полягає в тому, що він полегшує очищення освітлювального обладнання, оскільки вишуканий отвір тепер захищений за герметичним скляним вікном. Вимірювання інтенсивності вимагає точного знання того, на якій відстані детектор знаходиться від джерела світла.
Поки що, як і більшість інших фотометричних лабораторій, лабораторія NIST ще не має високоточного методу для вимірювання цієї відстані. Частково це пояснюється тим, що отвір детектора, через який збирається світло, занадто тонкий, щоб до нього торкався вимірювальний пристрій. Загальне рішення полягає в тому, щоб дослідники спочатку виміряли освітленість джерела світла та висвітлили поверхню з певною площею. Потім використовуйте цю інформацію, щоб визначити ці відстані за допомогою закону обернених квадратів, який описує, як інтенсивність джерела світла експоненціально зменшується зі збільшенням відстані. Це двоетапне вимірювання непросто реалізувати та вносить додаткову невизначеність. Завдяки новій системі команда тепер може відмовитися від методу зворотних квадратів і безпосередньо визначати відстань.
У цьому методі використовується камера на основі мікроскопа, при цьому мікроскоп знаходиться на столику джерела світла та фокусується на маркерах положення на столику детектора. Другий мікроскоп розташований на робочому столі детектора та фокусується на маркерах положення на робочому столі джерела світла. Визначте відстань, відрегулювавши апертуру детектора та положення джерела світла відповідно до фокусу відповідних мікроскопів. Мікроскопи дуже чутливі до розфокусування й можуть розпізнавати навіть на відстані кількох мікрометрів. Нове вимірювання відстані також дозволяє дослідникам вимірювати «справжню інтенсивність» світлодіодів, яка є окремим числом, яке вказує на те, що кількість світла, випромінюваного світлодіодами, не залежить від відстані.
На додаток до цих нових функцій вчені NIST також додали деякі інструменти, такі як пристрій під назвою гоніометр, який може обертати світлодіодні ліхтарі, щоб виміряти, скільки світла випромінюється під різними кутами. У найближчі місяці Міллер і Зонг сподіваються використовувати спектрофотометр для нової послуги: вимірювання ультрафіолетового (УФ) випромінювання світлодіодів. Потенційне використання світлодіодів для генерування ультрафіолетових променів включає опромінення їжі для продовження терміну її зберігання, а також дезінфекцію води та медичного обладнання. Традиційно для комерційного опромінення використовується ультрафіолетове світло, що випромінюється ртутними лампами.