Koľko vedcov na meranie je potrebných na kalibráciu LED žiarovky? Pre výskumníkov z Národného inštitútu pre štandardy a technológie (NIST) v Spojených štátoch je toto číslo polovičné v porovnaní s pred pár týždňami. V júni NIST začal poskytovať rýchlejšie, presnejšie a prácu šetriace kalibračné služby na vyhodnotenie jasu LED svetiel a iných polovodičových svetelných produktov. Zákazníkmi tejto služby sú výrobcovia LED svietidiel a iné kalibračné laboratóriá. Kalibrovaná lampa môže napríklad zabezpečiť, že 60 wattová ekvivalentná LED žiarovka v stolovej lampe je skutočne ekvivalentná 60 wattom, alebo že pilot v stíhačke má vhodné osvetlenie pristávacej dráhy.

Výrobcovia LED musia zabezpečiť, aby svetlá, ktoré vyrábajú, boli skutočne také jasné, ako sú navrhnuté. Aby ste to dosiahli, kalibrujte tieto lampy pomocou fotometra, čo je nástroj, ktorý dokáže merať jas na všetkých vlnových dĺžkach, pričom zohľadňuje prirodzenú citlivosť ľudského oka na rôzne farby. Fotometrické laboratórium NIST už desaťročia spĺňa požiadavky priemyslu poskytovaním služieb jasu LED a fotometrickej kalibrácie. Táto služba zahŕňa meranie jasu zákazníkovej LED a iných polovodičových svetiel, ako aj kalibráciu vlastného fotometra zákazníka. Laboratórium NIST doteraz meralo jas žiarovky s relatívne nízkou neistotou, s chybou medzi 0,5 % a 1,0 %, čo je porovnateľné s bežnými kalibračnými službami.
Teraz, vďaka renovácii laboratória, tím NIST strojnásobil tieto neistoty na 0,2% alebo menej. Tento úspech robí z novej služby jasu LED a kalibrácie fotometra jednu z najlepších na svete. Vedci tiež výrazne skrátili čas kalibrácie. V starých systémoch by vykonanie kalibrácie pre zákazníkov trvalo takmer celý deň. Výskumník NIST Cameron Miller uviedol, že väčšina práce sa spotrebuje na nastavenie každého merania, výmenu svetelných zdrojov alebo detektorov, manuálnu kontrolu vzdialenosti medzi nimi a následné prekonfigurovanie zariadenia na ďalšie meranie.
Teraz však laboratórium pozostáva z dvoch stolov automatizovaného vybavenia, jedného pre zdroj svetla a druhého pre detektor. Stôl sa pohybuje po dráhovom systéme a umiestni detektor kdekoľvek od 0 do 5 metrov od svetla. Vzdialenosť môže byť kontrolovaná v rozmedzí 50 častíc na milión jedného metra (mikrometer), čo je približne polovica šírky ľudského vlasu. Zong a Miller dokážu naprogramovať tabuľky tak, aby sa vzájomne pohybovali bez potreby nepretržitého ľudského zásahu. Predtým to trvalo jeden deň, ale teraz sa to dá zvládnuť za pár hodín. Už nie je potrebné vymieňať žiadne vybavenie, všetko je tu a môže byť kedykoľvek použité, čo dáva výskumníkom veľkú slobodu robiť veľa vecí súčasne, pretože je to úplne automatizované.
Počas prevádzky sa môžete vrátiť do kancelárie robiť inú prácu. Výskumníci NIST predpovedajú, že zákaznícka základňa sa rozšíri, pretože laboratórium pridalo niekoľko ďalších funkcií. Nové zariadenie môže napríklad kalibrovať hyperspektrálne kamery, ktoré merajú oveľa väčšiu vlnovú dĺžku svetla ako typické kamery, ktoré zvyčajne zachytávajú iba tri až štyri farby. Od lekárskeho zobrazovania až po analýzu satelitných snímok Zeme sú hyperspektrálne kamery čoraz populárnejšie. Informácie poskytované vesmírnymi hyperspektrálnymi kamerami o počasí a vegetácii Zeme umožňujú vedcom predpovedať hladomory a záplavy a môžu pomôcť komunitám pri plánovaní núdzových situácií a pomoci pri katastrofách. Nové laboratórium môže výskumníkom uľahčiť a zefektívniť aj kalibráciu displejov smartfónov, ako aj televíznych a počítačových displejov.

Správna vzdialenosť
Na kalibráciu fotometra zákazníka používajú vedci z NIST širokopásmové svetelné zdroje na osvetlenie detektorov, ktoré sú v podstate biele svetlo s viacerými vlnovými dĺžkami (farbami) a jeho jas je veľmi jasný, pretože merania sa vykonávajú pomocou štandardných fotometrov NIST. Na rozdiel od laserov je tento typ bieleho svetla nekoherentný, čo znamená, že všetko svetlo rôznych vlnových dĺžok nie je navzájom synchronizované. V ideálnom scenári, pre čo najpresnejšie meranie, budú výskumníci používať laditeľné lasery na generovanie svetla s ovládateľnými vlnovými dĺžkami, takže na detektor je ožarovaná vždy len jedna vlnová dĺžka svetla. Použitie laditeľných laserov zvyšuje pomer signálu k šumu merania.
V minulosti sa však laditeľné lasery nedali použiť na kalibráciu fotometrov, pretože lasery s jednou vlnovou dĺžkou sa navzájom rušili spôsobom, ktorý pridával rôzne množstvá šumu do signálu na základe použitej vlnovej dĺžky. V rámci zlepšenia laboratória Zong vytvoril prispôsobený dizajn fotometra, ktorý tento hluk znižuje na zanedbateľnú úroveň. To umožňuje prvýkrát použiť laditeľné lasery na kalibráciu fotometrov s malými neistotami. Ďalšou výhodou nového dizajnu je, že uľahčuje čistenie osvetľovacieho zariadenia, pretože vynikajúci otvor je teraz chránený za utesneným skleneným oknom. Meranie intenzity vyžaduje presné znalosti o tom, ako ďaleko je detektor od svetelného zdroja.
Laboratórium NIST doteraz, podobne ako väčšina iných fotometrických laboratórií, zatiaľ nemá vysoko presnú metódu na meranie tejto vzdialenosti. Čiastočne je to preto, že otvor detektora, cez ktorý sa zbiera svetlo, je príliš jemný na to, aby sa ho meracie zariadenie dotklo. Bežným riešením je, že výskumníci najprv zmerajú osvetlenosť svetelného zdroja a osvetlia povrch s určitou plochou. Potom použite tieto informácie na určenie týchto vzdialeností pomocou zákona o inverznej štvorci, ktorý popisuje, ako intenzita svetelného zdroja exponenciálne klesá s rastúcou vzdialenosťou. Toto dvojstupňové meranie nie je jednoduché implementovať a prináša ďalšiu neistotu. S novým systémom môže tím teraz opustiť metódu inverznej štvorce a priamo určiť vzdialenosť.
Táto metóda využíva kameru založenú na mikroskope, pričom mikroskop je umiestnený na stolíku svetelného zdroja a zameriava sa na pozičné značky na stolíku detektora. Druhý mikroskop je umiestnený na pracovnom stole detektora a zameriava sa na pozičné značky na pracovnom stole svetelného zdroja. Určte vzdialenosť nastavením clony detektora a polohy svetelného zdroja podľa ohniska ich príslušných mikroskopov. Mikroskopy sú veľmi citlivé na rozostrenie a dokážu rozoznať aj niekoľko mikrometrov. Nové meranie vzdialenosti tiež umožňuje výskumníkom merať „skutočnú intenzitu“ LED diód, čo je samostatné číslo označujúce, že množstvo svetla vyžarovaného LED diódami je nezávislé od vzdialenosti.
Okrem týchto nových funkcií vedci NIST pridali aj niektoré nástroje, ako napríklad zariadenie nazývané goniometer, ktoré dokáže otáčať LED svetlá a merať, koľko svetla sa vyžaruje v rôznych uhloch. Miller a Zong dúfajú, že v nadchádzajúcich mesiacoch použijú spektrofotometer pre novú službu: meranie ultrafialového (UV) výstupu LED diód. Potenciálne využitie LED na generovanie ultrafialových lúčov zahŕňa ožarovanie potravín na predĺženie ich skladovateľnosti, ako aj dezinfekciu vody a lekárskeho vybavenia. Tradične komerčné ožarovanie využíva ultrafialové svetlo vyžarované ortuťovými výbojkami.