Hány mérőtudósra van szükség egy LED-es izzó kalibrálásához? Az egyesült államokbeli National Institute of Standards and Technology (NIST) kutatói szerint ez a szám fele a néhány héttel ezelőttinek. Júniusban a NIST megkezdte a gyorsabb, pontosabb és munkaerő-takarékosabb kalibrációs szolgáltatásokat a LED-lámpák és más szilárdtest-világítási termékek fényerejének értékeléséhez. A szolgáltatás ügyfelei között szerepelnek LED-lámpák gyártói és más kalibráló laboratóriumok is. Például egy kalibrált lámpa biztosíthatja, hogy az asztali lámpában lévő 60 wattos LED izzó valóban 60 wattnak feleljen meg, vagy biztosíthatja, hogy a vadászgép pilótája megfelelő kifutópálya-világítással rendelkezzen.

A LED-gyártóknak gondoskodniuk kell arról, hogy az általuk gyártott lámpák valóban olyan fényerősek legyenek, mint amilyenre tervezték őket. Ennek eléréséhez kalibrálja ezeket a lámpákat egy fotométerrel, amely egy olyan eszköz, amely minden hullámhosszon képes mérni a fényerőt, miközben figyelembe veszi az emberi szem természetes érzékenységét a különböző színekre. A NIST fotometriai laboratóriuma évtizedek óta megfelel az iparági igényeknek a LED-fényerősség és a fotometriai kalibrálási szolgáltatások nyújtásával. Ez a szolgáltatás magában foglalja az ügyfél LED-jei és egyéb félvezető lámpáinak fényerejének mérését, valamint az ügyfél saját fotométerének kalibrálását. A NIST Laboratórium eddig viszonylag alacsony bizonytalansággal mérte az izzók fényerejét, 0,5% és 1,0% közötti hibával, ami összevethető a főbb kalibrációs szolgáltatásokkal.
Most, a laboratórium felújításának köszönhetően a NIST csapata megháromszorozta ezeket a bizonytalanságokat 0,2%-ra vagy még alacsonyabbra. Ez az eredmény az új LED fényerő- és fotométer-kalibrációs szolgáltatást a világ egyik legjobbjává teszi. A tudósok jelentősen lerövidítették a kalibrálási időt is. A régi rendszerekben az ügyfelek számára történő kalibrálás csaknem egy egész napot vesz igénybe. A NIST kutatója, Cameron Miller kijelentette, hogy a munka nagy részét az egyes mérések beállítására, a fényforrások vagy detektorok cseréjére, a kettő közötti távolság manuális ellenőrzésére, majd a következő méréshez a berendezés újrakonfigurálására használják.
Most azonban a laboratórium két automatizált berendezés-asztalból áll, az egyik a fényforráshoz, a másik pedig a detektorhoz. Az asztal a sínrendszeren mozog, és az érzékelőt a fénytől 0 és 5 méter közötti távolságra helyezi el. A távolság egy méter (mikrométer) 50 ppm-en belül szabályozható, ami körülbelül az emberi haj szélességének a fele. Zong és Miller programozhatja a táblázatokat, hogy egymáshoz képest mozogjanak anélkül, hogy folyamatos emberi beavatkozásra lenne szükségük. Korábban egy napig tartott, de most néhány órán belül elkészülhet. Nem kell többé semmilyen berendezést cserélni, minden itt van, és bármikor használható, így a kutatók nagy szabadságot adnak arra, hogy sok mindent egyszerre végezzenek, mert teljesen automatizált.
Futás közben visszatérhet az irodába, hogy más munkát végezzen. A NIST kutatói azt jósolják, hogy az ügyfélkör bővülni fog, mivel a laboratórium számos további funkcióval bővült. Az új eszköz például hiperspektrális kamerákat képes kalibrálni, amelyek sokkal nagyobb fényhullámhosszt mérnek, mint a tipikus kamerák, amelyek általában csak három-négy színt rögzítenek. Az orvosi képalkotástól a Föld műholdképeinek elemzéséig a hiperspektrális kamerák egyre népszerűbbek. Az űrbe telepített hiperspektrális kamerák által a Föld időjárásáról és növényzetéről szolgáltatott információk lehetővé teszik a tudósok számára, hogy előre jelezzék az éhínségeket és az árvizeket, és segítséget nyújthatnak a közösségeknek a vészhelyzeti és katasztrófaelhárítás tervezésében. Az új laboratórium megkönnyítheti és hatékonyabbá teheti a kutatók számára az okostelefonok kijelzőinek, valamint a tévék és számítógépek kijelzőinek kalibrálását is.

Helyes távolság
Az ügyfél fotométerének kalibrálásához a NIST tudósai szélessávú fényforrásokat használnak a detektorok megvilágítására, amelyek lényegében több hullámhosszú (szín) fehér fény, és a fényereje nagyon tiszta, mivel a méréseket NIST szabványos fotométerekkel végzik. A lézerekkel ellentétben ez a fajta fehér fény inkoherens, ami azt jelenti, hogy a különböző hullámhosszúságú fények nincsenek egymással szinkronban. Ideális forgatókönyv szerint a legpontosabb mérés érdekében a kutatók hangolható lézerekkel szabályozható hullámhosszú fényt állítanak elő, így egyszerre csak egy hullámhosszú fény kerül besugárzásra a detektoron. A hangolható lézerek használata növeli a mérés jel-zaj arányát.
A múltban azonban hangolható lézereket nem lehetett fotométerek kalibrálására használni, mert az egyhullámhosszú lézerek olyan módon interferáltak önmagukkal, hogy a használt hullámhossz alapján különböző mennyiségű zajt adtak a jelhez. A laboratóriumi fejlesztés részeként a Zong olyan testreszabott fotométer-tervet hozott létre, amely ezt a zajt elhanyagolható szintre csökkenti. Ez lehetővé teszi a hangolható lézerek első alkalommal történő használatát a fotométerek kis bizonytalanságokkal történő kalibrálására. Az új dizájn további előnye, hogy megkönnyíti a világítóberendezések tisztítását, mivel a tömített üvegablak mögött immár védett a gyönyörű nyílás. Az intenzitásméréshez pontos ismerete szükséges, hogy milyen messze van az érzékelő a fényforrástól.
A legtöbb más fotometriai laboratóriumhoz hasonlóan ez idáig a NIST laboratórium még nem rendelkezik nagy pontosságú módszerrel ennek a távolságnak a mérésére. Ennek részben az az oka, hogy a detektor apertúrája, amelyen keresztül a fény gyűlik össze, túl finom ahhoz, hogy a mérőeszköz megérintse. Gyakori megoldás, hogy a kutatók először megmérik a fényforrás megvilágítását, és egy bizonyos területű felületet megvilágítanak. Ezután használja ezt az információt a távolságok meghatározásához az inverz négyzettörvény segítségével, amely leírja, hogy a fényforrás intenzitása hogyan csökken exponenciálisan a távolság növekedésével. Ezt a kétlépcsős mérést nem könnyű megvalósítani, és további bizonytalanságot okoz. Az új rendszerrel a csapat felhagyhat az inverz négyzet módszerével, és közvetlenül meghatározhatja a távolságot.
Ez a módszer egy mikroszkóp alapú kamerát használ, amelynek mikroszkópja a fényforrás tárgyasztalán ül, és a detektorasztalon lévő helyzetjelzőkre fókuszál. A második mikroszkóp a detektor munkapadon található, és a fényforrás munkapadon lévő helyzetjelzőkre fókuszál. Határozza meg a távolságot úgy, hogy a detektor rekesznyílását és a fényforrás helyzetét a megfelelő mikroszkóp fókuszához állítja. A mikroszkópok nagyon érzékenyek a defókuszálásra, és néhány mikrométer távolságot is képesek felismerni. Az új távolságmérés lehetővé teszi a LED-ek „valódi intenzitásának” mérését is, amely egy külön szám, amely azt jelzi, hogy a LED-ek által kibocsátott fény mennyisége független a távolságtól.
Ezeken az új funkciókon kívül a NIST tudósai néhány műszert is hozzáadtak, például egy goniométernek nevezett eszközt, amely elforgatja a LED-lámpákat, hogy megmérje, mennyi fényt bocsátanak ki különböző szögekből. A következő hónapokban Miller és Zong azt remélik, hogy spektrofotométert fognak használni egy új szolgáltatáshoz: a LED-ek ultraibolya (UV) kibocsátásának mérésére. A LED ultraibolya sugarak generálására szolgáló lehetséges felhasználási területei közé tartozik az élelmiszerek besugárzása az eltarthatósági idejük meghosszabbítása érdekében, valamint a víz és az orvosi berendezések fertőtlenítése. A kereskedelmi besugárzás hagyományosan a higanygőzlámpák által kibocsátott ultraibolya fényt használja.