Сколько ученых-измерителей необходимо для калибровки светодиодной лампы? Для исследователей из Национального института стандартов и технологий (NIST) в США это число вдвое меньше, чем несколько недель назад. В июне NIST начал предоставлять более быстрые, точные и трудоемкие услуги по калибровке для оценки яркости светодиодных ламп и других полупроводниковых осветительных приборов. Клиентами этой услуги являются производители светодиодных светильников и другие калибровочные лаборатории. Например, калиброванная лампа может гарантировать, что эквивалентная мощность 60-ваттной светодиодной лампы в настольной лампе действительно эквивалентна 60 Вт, или гарантировать, что пилот истребителя имеет соответствующее освещение взлетно-посадочной полосы.

Производители светодиодов должны гарантировать, что производимые ими светильники действительно настолько яркие, насколько они задуманы. Для этого откалибруйте эти лампы с помощью фотометра, который представляет собой инструмент, который может измерять яркость на всех длинах волн, принимая во внимание естественную чувствительность человеческого глаза к различным цветам. На протяжении десятилетий фотометрическая лаборатория NIST удовлетворяла потребности отрасли, предоставляя услуги по яркости светодиодов и фотометрической калибровке. Эта услуга включает в себя измерение яркости светодиодов и других полупроводниковых светильников клиента, а также калибровку собственного фотометра клиента. До сих пор лаборатория NIST измеряла яркость лампы с относительно низкой неопределенностью, с погрешностью от 0,5% до 1,0%, что сопоставимо с обычными службами калибровки.
Теперь, благодаря обновлению лаборатории, команда NIST утроила эту неопределенность до 0,2% или ниже. Это достижение делает новую службу калибровки яркости светодиодов и фотометров одной из лучших в мире. Ученые также значительно сократили время калибровки. В старых системах выполнение калибровки для клиентов занимало почти целый день. Исследователь NIST Кэмерон Миллер заявил, что большая часть работы уходит на настройку каждого измерения, замену источников света или детекторов, ручную проверку расстояния между ними, а затем перенастройку оборудования для следующего измерения.
Но теперь лаборатория состоит из двух автоматизированных столов с оборудованием: один для источника света, другой для детектора. Стол перемещается по направляющим и размещает детектор на расстоянии от 0 до 5 метров от источника света. Расстояние можно контролировать в пределах 50 частей на миллион одного метра (микрометра), что составляет примерно половину ширины человеческого волоса. Зонг и Миллер могут запрограммировать перемещение столов относительно друг друга без необходимости постоянного вмешательства человека. Раньше это занимало целый день, но теперь это можно сделать за несколько часов. Больше не требуется заменять какое-либо оборудование: все здесь и может быть использовано в любое время, что дает исследователям большую свободу делать множество дел одновременно, поскольку все это полностью автоматизировано.
Вы можете вернуться в офис, чтобы заняться другой работой, пока он работает. Исследователи NIST прогнозируют, что клиентская база будет расширяться, поскольку лаборатория добавила несколько дополнительных функций. Например, новое устройство может калибровать гиперспектральные камеры, которые измеряют гораздо большую длину волны света, чем обычные камеры, которые обычно фиксируют только три-четыре цвета. От медицинской визуализации до анализа спутниковых изображений Земли — гиперспектральные камеры становятся все более популярными. Информация о погоде и растительности Земли, предоставляемая космическими гиперспектральными камерами, позволяет ученым прогнозировать голод и наводнения, а также может помочь сообществам в планировании помощи в чрезвычайных ситуациях и стихийных бедствиях. Новая лаборатория также может облегчить и повысить эффективность калибровки дисплеев смартфонов, а также дисплеев телевизоров и компьютеров.

Правильное расстояние
Для калибровки фотометра клиента ученые из NIST используют широкополосные источники света для освещения детекторов, которые по существу представляют собой белый свет с несколькими длинами волн (цветами), а его яркость очень очевидна, поскольку измерения проводятся с использованием стандартных фотометров NIST. В отличие от лазеров, этот тип белого света является некогерентным, а это означает, что весь свет разных длин волн не синхронизирован друг с другом. В идеальном сценарии для наиболее точных измерений исследователи будут использовать перестраиваемые лазеры для генерации света с контролируемыми длинами волн, так чтобы детектор излучал только одну длину волны света за раз. Использование перестраиваемых лазеров увеличивает соотношение сигнал/шум при измерении.
Однако в прошлом перестраиваемые лазеры нельзя было использовать для калибровки фотометров, поскольку лазеры с одной длиной волны интерферировали сами с собой таким образом, что добавляли к сигналу различное количество шума в зависимости от используемой длины волны. В рамках усовершенствования лаборатории Зонг создал индивидуальную конструкцию фотометра, которая снижает этот шум до незначительного уровня. Это позволяет впервые использовать перестраиваемые лазеры для калибровки фотометров с малыми погрешностями. Дополнительным преимуществом нового дизайна является то, что осветительное оборудование становится легче чистить, поскольку изысканный проем теперь защищен герметичным стеклянным окном. Измерение интенсивности требует точного знания того, как далеко детектор находится от источника света.
До сих пор, как и большинство других фотометрических лабораторий, лаборатория NIST пока не располагает высокоточным методом измерения этого расстояния. Частично это связано с тем, что апертура детектора, через которую собирается свет, слишком тонкая, чтобы ее можно было коснуться измерительным устройством. Распространенным решением является то, что исследователи сначала измеряют освещенность источника света и освещают поверхность определенной площади. Затем используйте эту информацию для определения этих расстояний, используя закон обратных квадратов, который описывает, как интенсивность источника света экспоненциально уменьшается с увеличением расстояния. Это двухэтапное измерение непросто реализовать, и оно вносит дополнительную неопределенность. Благодаря новой системе команда теперь может отказаться от метода обратных квадратов и напрямую определять расстояние.
В этом методе используется камера на базе микроскопа, при этом микроскоп располагается на столике источника света и фокусируется на маркерах положения на столике детектора. Второй микроскоп расположен на верстаке детектора и фокусируется на маркерах положения на верстаке источника света. Определите расстояние, отрегулировав апертуру детектора и положение источника света в фокусе соответствующих микроскопов. Микроскопы очень чувствительны к расфокусировке и могут распознавать объекты даже на расстоянии нескольких микрометров. Новое измерение расстояния также позволяет исследователям измерять «истинную интенсивность» светодиодов, которая представляет собой отдельное число, указывающее, что количество света, излучаемого светодиодами, не зависит от расстояния.
В дополнение к этим новым функциям ученые NIST также добавили некоторые инструменты, такие как устройство, называемое гониометром, которое может вращать светодиоды, чтобы измерить, сколько света излучается под разными углами. В ближайшие месяцы Миллер и Зонг надеются использовать спектрофотометр для новой услуги: измерения ультрафиолетового (УФ) излучения светодиодов. Потенциальное использование светодиодов для генерации ультрафиолетовых лучей включает облучение пищевых продуктов для продления срока их хранения, а также дезинфекцию воды и медицинского оборудования. Традиционно при коммерческом облучении используется ультрафиолетовый свет, излучаемый ртутными лампами.