Πόσοι επιστήμονες μέτρησης χρειάζονται για τη βαθμονόμηση ενός λαμπτήρα LED; Για τους ερευνητές του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) στις Ηνωμένες Πολιτείες, ο αριθμός αυτός είναι ο μισός από αυτόν που ήταν πριν από μερικές εβδομάδες. Τον Ιούνιο, η NIST άρχισε να παρέχει ταχύτερες, ακριβέστερες και εξοικονομούμενες υπηρεσίες βαθμονόμησης για την αξιολόγηση της φωτεινότητας των φώτων LED και άλλων προϊόντων φωτισμού στερεάς κατάστασης. Στους πελάτες αυτής της υπηρεσίας περιλαμβάνονται κατασκευαστές φωτιστικών LED και άλλα εργαστήρια βαθμονόμησης. Για παράδειγμα, ένας βαθμονομημένος λαμπτήρας μπορεί να διασφαλίσει ότι ο λαμπτήρας LED ισοδύναμου 60 watt στη λυχνία γραφείου είναι πραγματικά ισοδύναμος με 60 watt ή να διασφαλίσει ότι ο πιλότος στο μαχητικό αεροσκάφος έχει κατάλληλο φωτισμό διαδρόμου.

Οι κατασκευαστές LED πρέπει να διασφαλίσουν ότι τα φώτα που κατασκευάζουν είναι πραγματικά τόσο φωτεινά όσο είναι σχεδιασμένα. Για να το πετύχετε, βαθμονομήστε αυτούς τους λαμπτήρες με ένα φωτόμετρο, το οποίο είναι ένα εργαλείο που μπορεί να μετρήσει τη φωτεινότητα σε όλα τα μήκη κύματος, λαμβάνοντας υπόψη τη φυσική ευαισθησία του ανθρώπινου ματιού σε διαφορετικά χρώματα. Για δεκαετίες, το φωτομετρικό εργαστήριο της NIST ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις της βιομηχανίας παρέχοντας υπηρεσίες φωτεινότητας LED και φωτομετρικής βαθμονόμησης. Αυτή η υπηρεσία περιλαμβάνει τη μέτρηση της φωτεινότητας των LED του πελάτη και άλλων φώτων στερεάς κατάστασης, καθώς και τη βαθμονόμηση του φωτόμετρου του ίδιου του πελάτη. Μέχρι τώρα, το εργαστήριο NIST μετρούσε τη φωτεινότητα του λαμπτήρα με σχετικά χαμηλή αβεβαιότητα, με σφάλμα μεταξύ 0,5% και 1,0%, το οποίο είναι συγκρίσιμο με τις κύριες υπηρεσίες βαθμονόμησης.
Τώρα, χάρη στην ανακαίνιση του εργαστηρίου, η ομάδα NIST έχει τριπλασιάσει αυτές τις αβεβαιότητες στο 0,2% ή χαμηλότερα. Αυτό το επίτευγμα καθιστά τη νέα υπηρεσία βαθμονόμησης φωτεινότητας και φωτομέτρου LED μία από τις καλύτερες στον κόσμο. Οι επιστήμονες έχουν επίσης συντομεύσει σημαντικά τον χρόνο βαθμονόμησης. Σε παλιά συστήματα, η εκτέλεση μιας βαθμονόμησης για τους πελάτες θα διαρκούσε σχεδόν μια ολόκληρη μέρα. Ο ερευνητής του NIST Cameron Miller δήλωσε ότι το μεγαλύτερο μέρος της εργασίας χρησιμοποιείται για τη ρύθμιση κάθε μέτρησης, την αντικατάσταση πηγών φωτός ή ανιχνευτών, τον χειροκίνητο έλεγχο της απόστασης μεταξύ των δύο και στη συνέχεια την επαναδιαμόρφωση του εξοπλισμού για την επόμενη μέτρηση.
Αλλά τώρα, το εργαστήριο αποτελείται από δύο αυτοματοποιημένους πίνακες εξοπλισμού, έναν για την πηγή φωτός και τον άλλο για τον ανιχνευτή. Το τραπέζι κινείται στο σύστημα τροχιάς και τοποθετεί τον ανιχνευτή οπουδήποτε από 0 έως 5 μέτρα μακριά από το φως. Η απόσταση μπορεί να ελεγχθεί εντός 50 μερών ανά εκατομμύριο του ενός μέτρου (μικρόμετρο), που είναι περίπου το μισό του πλάτους της ανθρώπινης τρίχας. Οι Zong και Miller μπορούν να προγραμματίσουν τα τραπέζια να μετακινούνται μεταξύ τους χωρίς την ανάγκη συνεχούς ανθρώπινης παρέμβασης. Παλιότερα χρειαζόταν μια μέρα, αλλά τώρα μπορεί να ολοκληρωθεί μέσα σε λίγες ώρες. Δεν χρειάζεται πλέον να αντικαταστήσετε κανέναν εξοπλισμό, τα πάντα είναι εδώ και μπορούν να χρησιμοποιηθούν ανά πάσα στιγμή, δίνοντας στους ερευνητές μεγάλη ελευθερία να κάνουν πολλά πράγματα ταυτόχρονα επειδή είναι πλήρως αυτοματοποιημένο.
Μπορείτε να επιστρέψετε στο γραφείο για να κάνετε άλλες εργασίες ενώ λειτουργεί. Οι ερευνητές του NIST προβλέπουν ότι η πελατειακή βάση θα επεκταθεί καθώς το εργαστήριο έχει προσθέσει πολλά πρόσθετα χαρακτηριστικά. Για παράδειγμα, η νέα συσκευή μπορεί να βαθμονομήσει υπερφασματικές κάμερες, οι οποίες μετρούν πολύ περισσότερο μήκος κύματος φωτός από τις τυπικές κάμερες που συνήθως καταγράφουν μόνο τρία έως τέσσερα χρώματα. Από την ιατρική απεικόνιση μέχρι την ανάλυση δορυφορικών εικόνων της Γης, οι υπερφασματικές κάμερες γίνονται όλο και πιο δημοφιλείς. Οι πληροφορίες που παρέχονται από διαστημικές υπερφασματικές κάμερες σχετικά με τον καιρό και τη βλάστηση της Γης δίνουν τη δυνατότητα στους επιστήμονες να προβλέψουν λιμούς και πλημμύρες και μπορούν να βοηθήσουν τις κοινότητες στον σχεδιασμό έκτακτης ανάγκης και ανακούφισης από καταστροφές. Το νέο εργαστήριο μπορεί επίσης να καταστήσει ευκολότερο και πιο αποτελεσματικό για τους ερευνητές τη βαθμονόμηση οθονών smartphone, καθώς και οθονών τηλεόρασης και υπολογιστών.

Σωστή απόσταση
Για τη βαθμονόμηση του φωτόμετρου του πελάτη, οι επιστήμονες στο NIST χρησιμοποιούν ευρυζωνικές πηγές φωτός για να φωτίσουν ανιχνευτές, οι οποίοι είναι ουσιαστικά λευκό φως με πολλαπλά μήκη κύματος (χρώματα) και η φωτεινότητά του είναι πολύ καθαρή επειδή οι μετρήσεις γίνονται χρησιμοποιώντας τυπικά φωτόμετρα NIST. Σε αντίθεση με τα λέιζερ, αυτός ο τύπος λευκού φωτός είναι ασυνάρτητος, πράγμα που σημαίνει ότι όλο το φως διαφορετικών μηκών κύματος δεν συγχρονίζεται μεταξύ τους. Σε ένα ιδανικό σενάριο, για την πιο ακριβή μέτρηση, οι ερευνητές θα χρησιμοποιήσουν συντονίσιμα λέιζερ για να δημιουργήσουν φως με ελεγχόμενα μήκη κύματος, έτσι ώστε μόνο ένα μήκος κύματος φωτός να ακτινοβολείται στον ανιχνευτή κάθε φορά. Η χρήση συντονίσιμων λέιζερ αυξάνει την αναλογία σήματος προς θόρυβο της μέτρησης.
Ωστόσο, στο παρελθόν, τα συντονίσιμα λέιζερ δεν μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη βαθμονόμηση φωτομέτρων επειδή τα λέιζερ ενός μήκους κύματος παρενέβαιναν στον εαυτό τους με τρόπο που πρόσθεταν διαφορετικά ποσά θορύβου στο σήμα με βάση το μήκος κύματος που χρησιμοποιήθηκε. Ως μέρος της εργαστηριακής βελτίωσης, η Zong δημιούργησε ένα προσαρμοσμένο σχέδιο φωτόμετρου που μειώνει αυτόν τον θόρυβο σε αμελητέα επίπεδα. Αυτό καθιστά δυνατή τη χρήση συντονίσιμων λέιζερ για πρώτη φορά για τη βαθμονόμηση φωτομέτρων με μικρές αβεβαιότητες. Το πρόσθετο πλεονέκτημα του νέου σχεδιασμού είναι ότι διευκολύνει τον καθαρισμό του φωτιστικού εξοπλισμού, καθώς το εξαιρετικό άνοιγμα προστατεύεται πλέον πίσω από το σφραγισμένο γυάλινο παράθυρο. Η μέτρηση της έντασης απαιτεί ακριβή γνώση της απόστασης του ανιχνευτή από την πηγή φωτός.
Μέχρι τώρα, όπως τα περισσότερα άλλα εργαστήρια φωτομετρίας, το εργαστήριο NIST δεν διαθέτει ακόμη μέθοδο υψηλής ακρίβειας για τη μέτρηση αυτής της απόστασης. Αυτό οφείλεται εν μέρει στο ότι το άνοιγμα του ανιχνευτή, μέσω του οποίου συλλέγεται το φως, είναι πολύ λεπτό για να το αγγίξει η συσκευή μέτρησης. Μια κοινή λύση είναι οι ερευνητές να μετρήσουν πρώτα τη φωτεινότητα της πηγής φωτός και να φωτίσουν μια επιφάνεια με μια συγκεκριμένη περιοχή. Στη συνέχεια, χρησιμοποιήστε αυτές τις πληροφορίες για να προσδιορίσετε αυτές τις αποστάσεις χρησιμοποιώντας τον νόμο του αντίστροφου τετραγώνου, ο οποίος περιγράφει πώς η ένταση μιας πηγής φωτός μειώνεται εκθετικά με την αύξηση της απόστασης. Αυτή η μέτρηση σε δύο στάδια δεν είναι εύκολο να εφαρμοστεί και εισάγει πρόσθετη αβεβαιότητα. Με το νέο σύστημα, η ομάδα μπορεί πλέον να εγκαταλείψει τη μέθοδο του αντίστροφου τετραγώνου και να προσδιορίσει άμεσα την απόσταση.
Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί μια κάμερα βασισμένη στο μικροσκόπιο, με ένα μικροσκόπιο που κάθεται στη σκηνή της πηγής φωτός και εστιάζει στους δείκτες θέσης στη σκηνή του ανιχνευτή. Το δεύτερο μικροσκόπιο βρίσκεται στον πάγκο εργασίας του ανιχνευτή και εστιάζει στους δείκτες θέσης στον πάγκο εργασίας της πηγής φωτός. Προσδιορίστε την απόσταση ρυθμίζοντας το άνοιγμα του ανιχνευτή και τη θέση της πηγής φωτός στην εστίαση των αντίστοιχων μικροσκοπίων τους. Τα μικροσκόπια είναι πολύ ευαίσθητα στην αποεστίαση και μπορούν να αναγνωρίσουν ακόμη και λίγα μικρόμετρα μακριά. Η νέα μέτρηση απόστασης επιτρέπει επίσης στους ερευνητές να μετρήσουν την «πραγματική ένταση» των LED, που είναι ένας ξεχωριστός αριθμός που δείχνει ότι η ποσότητα του φωτός που εκπέμπεται από τα LED είναι ανεξάρτητη από την απόσταση.
Εκτός από αυτά τα νέα χαρακτηριστικά, οι επιστήμονες του NIST έχουν προσθέσει επίσης ορισμένα όργανα, όπως μια συσκευή που ονομάζεται γωνιόμετρο που μπορεί να περιστρέφει τα φώτα LED για να μετρήσει πόσο φως εκπέμπεται σε διαφορετικές γωνίες. Τους επόμενους μήνες, οι Miller και Zong ελπίζουν να χρησιμοποιήσουν ένα φασματοφωτόμετρο για μια νέα υπηρεσία: τη μέτρηση της εξόδου υπεριώδους (UV) των LED. Οι πιθανές χρήσεις των LED για τη δημιουργία υπεριωδών ακτίνων περιλαμβάνουν την ακτινοβόληση τροφίμων για την παράταση της διάρκειας ζωής τους, καθώς και την απολύμανση του νερού και του ιατρικού εξοπλισμού. Παραδοσιακά, η εμπορική ακτινοβολία χρησιμοποιεί το υπεριώδες φως που εκπέμπεται από λαμπτήρες ατμού υδραργύρου.