Hoeveel meetwetenschappers zijn er nodig om een ​​LED-lamp te kalibreren? Voor onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) in de Verenigde Staten is dit aantal de helft van wat het een paar weken geleden was. In juni is NIST begonnen met het leveren van snellere, nauwkeurigere en arbeidsbesparende kalibratiediensten voor het evalueren van de helderheid van LED-lampen en andere solid-state verlichtingsproducten. Klanten van deze dienst zijn onder meer LED-lichtfabrikanten en andere kalibratielaboratoria. Een gekalibreerde lamp kan er bijvoorbeeld voor zorgen dat de 60 watt equivalente LED-lamp in de bureaulamp ook echt gelijkwaardig is aan 60 watt, of ervoor zorgen dat de piloot in het straaljager voldoende baanverlichting heeft.

LED-fabrikanten moeten ervoor zorgen dat de lampen die zij produceren werkelijk zo helder zijn als ze zijn ontworpen. Om dit te bereiken, kalibreert u deze lampen met een fotometer, een hulpmiddel dat de helderheid op alle golflengten kan meten, terwijl rekening wordt gehouden met de natuurlijke gevoeligheid van het menselijk oog voor verschillende kleuren. Al tientallen jaren voldoet het fotometrische laboratorium van NIST aan de eisen van de industrie door het leveren van LED-helderheid en fotometrische kalibratiediensten. Deze service omvat het meten van de helderheid van de LED- en andere solid-state lampen van de klant, evenals het kalibreren van de eigen fotometer van de klant. Tot nu toe heeft het NIST-laboratorium de helderheid van lampen gemeten met relatief lage onzekerheid, met een fout tussen 0,5% en 1,0%, wat vergelijkbaar is met reguliere kalibratiediensten.
Dankzij de renovatie van het laboratorium heeft het NIST-team deze onzekerheden nu verdrievoudigd tot 0,2% of lager. Deze prestatie maakt de nieuwe LED-helderheids- en fotometerkalibratieservice tot een van de beste ter wereld. Wetenschappers hebben ook de kalibratietijd aanzienlijk verkort. In oude systemen duurde het uitvoeren van een kalibratie voor klanten bijna een hele dag. NIST-onderzoeker Cameron Miller verklaarde dat het meeste werk wordt besteed aan het opzetten van elke meting, het vervangen van lichtbronnen of detectoren, het handmatig controleren van de afstand tussen de twee en het opnieuw configureren van de apparatuur voor de volgende meting.
Maar nu bestaat het laboratorium uit twee geautomatiseerde apparatuurtafels, één voor de lichtbron en de andere voor de detector. De tafel beweegt op het railsysteem en plaatst de detector op een afstand van 0 tot 5 meter van het licht. De afstand kan worden gecontroleerd binnen 50 delen per miljoen van één meter (micrometer), wat ongeveer de helft is van de breedte van een mensenhaar. Zong en Miller kunnen tafels zo programmeren dat ze ten opzichte van elkaar bewegen zonder dat er voortdurend menselijk ingrijpen nodig is. Vroeger duurde het een dag, maar nu kan het binnen een paar uur klaar zijn. Er hoeft geen apparatuur meer te worden vervangen, alles is aanwezig en kan op elk moment worden gebruikt. Dit geeft onderzoekers veel vrijheid om veel dingen tegelijk te doen omdat het volledig geautomatiseerd is.
Terwijl het programma actief is, kunt u naar kantoor terugkeren om ander werk te doen. NIST-onderzoekers voorspellen dat het klantenbestand zal uitbreiden naarmate het laboratorium verschillende extra functies heeft toegevoegd. Het nieuwe apparaat kan bijvoorbeeld hyperspectrale camera's kalibreren, die veel meer lichtgolflengte meten dan typische camera's die doorgaans slechts drie tot vier kleuren vastleggen. Van medische beeldvorming tot het analyseren van satellietbeelden van de aarde: hyperspectrale camera's worden steeds populairder. De informatie die door in de ruimte gestationeerde hyperspectrale camera's wordt verstrekt over het weer en de vegetatie op aarde stelt wetenschappers in staat hongersnoden en overstromingen te voorspellen, en kan gemeenschappen helpen bij het plannen van noodhulp en rampenbestrijding. Het nieuwe laboratorium kan het voor onderzoekers ook eenvoudiger en efficiënter maken om smartphoneschermen, maar ook tv- en computerschermen te kalibreren.

Correcte afstand
Om de fotometer van de klant te kalibreren, gebruiken wetenschappers van NIST breedbandlichtbronnen om detectoren te verlichten, wat in wezen wit licht is met meerdere golflengten (kleuren), en de helderheid ervan is heel duidelijk omdat metingen worden gedaan met behulp van NIST-standaardfotometers. In tegenstelling tot lasers is dit type wit licht incoherent, wat betekent dat al het licht van verschillende golflengten niet met elkaar gesynchroniseerd is. In een ideaal scenario zullen onderzoekers voor de meest nauwkeurige meting afstembare lasers gebruiken om licht met regelbare golflengten te genereren, zodat er slechts één golflengte tegelijk op de detector wordt gestraald. Het gebruik van afstembare lasers verhoogt de signaal-ruisverhouding van de meting.
In het verleden konden afstembare lasers echter niet worden gebruikt om fotometers te kalibreren, omdat lasers met één golflengte zichzelf interfereerden op een manier die verschillende hoeveelheden ruis aan het signaal toevoegde op basis van de gebruikte golflengte. Als onderdeel van laboratoriumverbetering heeft Zong een op maat gemaakt fotometerontwerp gemaakt dat deze ruis tot een verwaarloosbaar niveau reduceert. Dit maakt het voor het eerst mogelijk om afstembare lasers te gebruiken om fotometers met kleine onzekerheden te kalibreren. Het extra voordeel van het nieuwe ontwerp is dat de verlichtingsapparatuur gemakkelijker schoon te maken is, omdat de prachtige opening nu beschermd is achter het afgesloten glazen venster. Intensiteitsmeting vereist nauwkeurige kennis van hoe ver de detector van de lichtbron verwijderd is.
Tot nu toe beschikt het NIST-laboratorium, net als de meeste andere fotometrielaboratoria, nog niet over een uiterst nauwkeurige methode om deze afstand te meten. Dit komt deels doordat de opening van de detector, waardoor licht wordt opgevangen, te subtiel is om door het meetapparaat te worden aangeraakt. Een gebruikelijke oplossing is dat onderzoekers eerst de verlichtingssterkte van de lichtbron meten en een oppervlak met een bepaald oppervlak verlichten. Gebruik deze informatie vervolgens om deze afstanden te bepalen met behulp van de inverse kwadratenwet, die beschrijft hoe de intensiteit van een lichtbron exponentieel afneemt met toenemende afstand. Deze tweestapsmeting is niet eenvoudig te implementeren en introduceert extra onzekerheid. Met het nieuwe systeem kan het team nu de inverse kwadratenmethode verlaten en direct de afstand bepalen.
Deze methode maakt gebruik van een op een microscoop gebaseerde camera, waarbij een microscoop op het lichtbronplatform zit en zich richt op de positiemarkeringen op het detectorplatform. De tweede microscoop bevindt zich op de detectorwerkbank en richt zich op de positiemarkeringen op de lichtbronwerkbank. Bepaal de afstand door de opening van de detector en de positie van de lichtbron aan te passen aan de focus van hun respectievelijke microscopen. Microscopen zijn erg gevoelig voor onscherpte en kunnen zelfs op een afstand van enkele micrometers herkennen. De nieuwe afstandsmeting stelt onderzoekers ook in staat de ‘echte intensiteit’ van LED’s te meten, wat een apart getal is dat aangeeft dat de hoeveelheid licht die door LED’s wordt uitgezonden onafhankelijk is van de afstand.
Naast deze nieuwe functies hebben NIST-wetenschappers ook enkele instrumenten toegevoegd, zoals een apparaat dat een goniometer wordt genoemd en dat LED-lampen kan draaien om te meten hoeveel licht er onder verschillende hoeken wordt uitgezonden. De komende maanden hopen Miller en Zong een spectrofotometer te gebruiken voor een nieuwe dienst: het meten van de ultraviolette (UV) output van LED's. De mogelijke toepassingen van LED voor het genereren van ultraviolette straling omvatten het bestralen van voedsel om de houdbaarheid ervan te verlengen, evenals het desinfecteren van water en medische apparatuur. Traditioneel wordt bij commerciële bestraling gebruik gemaakt van het ultraviolette licht dat wordt uitgezonden door kwikdamplampen.