Vraag:Hoeveel meetwetenschappers zijn er nodig om een ​​LED-lamp in te schroeven? Antwoord:Voor onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST), half zoveel als een paar weken geleden.

In juni, NIST begon met het aanbieden van een snellere, nauwkeurigere en minder arbeidsintensieve kalibratieservice voor het beoordelen van de helderheid van LED-lampen en andere halfgeleiderverlichtingsproducten. Klanten voor de service zijn onder meer fabrikanten van ledlampen, het Amerikaanse leger en andere kalibratielaboratoria.

Goed gekalibreerde lampen zorgen ervoor dat de 60 watt equivalente LED-lamp in uw bureaulamp echt gelijk is aan 60 watt, bijvoorbeeld, of dat er goede baanverlichting is voor de piloot in een gevechtsvliegtuig.

LED-fabrikanten moeten ervoor zorgen dat de lampen die ze maken echt zo helder zijn als ze zijn ontworpen. Om dat te doen, ze kalibreren die lampen met een fotometer, een instrument dat de helderheid meet bij alle golflengten, rekening houdend met de natuurlijke gevoeligheid van het menselijk oog voor verschillende kleuren.

Al decenia, Het fotometrielab van NIST komt tegemoet aan de behoeften van de industrie door een LED-helderheids- en fotometerkalibratieservice aan te bieden. De dienst omvat het meten van de helderheid van LED's en andere halfgeleiderlampen van klanten, evenals het kalibreren van de eigen fotometers van de klant. Tot voor kort, het NIST-lab heeft de helderheid van de lamp gemeten met redelijk lage onzekerheden - tussen 0,5% en 1,0%, vergelijkbaar met reguliere kalibratiediensten.

Nutsvoorzieningen, dankzij de opknapbeurt van het lab, het NIST-team heeft die onzekerheden met een factor drie verminderd, tot 0,2% of minder. Deze prestatie maakt de nieuwe LED-helderheids- en fotometerkalibratieservice tot een van de beste - zo niet de beste - ter wereld.

"We hebben nu alle grote onzekerheden weggenomen, " zei NIST-onderzoeker Yuqin Zong.

De wetenschappers hebben ook de kalibratietijd aanzienlijk verkort. Met het oude systeem het duurde bijna een volledige dag om een ​​enkele kalibratie voor een klant uit te voeren. Het meeste daarvan was gewijd aan het opzetten van elke meting - het verwisselen van een lichtbron of een detector, handmatig de afstanden tussen de twee controleren, en vervolgens de apparatuur opnieuw configureren voor de volgende meting, zei NIST-onderzoeker Cameron Miller.

Maar nu, het lab bestaat uit twee geautomatiseerde apparatuurtafels, een voor de lichtbronnen en de andere voor de detectoren. De tafels rijden op een railsysteem dat de detectoren op een afstand van 0 tot 5 meter van de lampen plaatst. De afstanden kunnen worden gecontroleerd tot op 50 miljoenste van een meter (micrometer), dat is ongeveer de helft van de breedte van een mensenhaar.

Zong en Miller kunnen de tafels programmeren om ten opzichte van elkaar te bewegen zonder dat er voortdurend menselijke tussenkomst nodig is. Wat vroeger het grootste deel van een dag in beslag nam, kan nu in uren worden gedaan.

"Ik hoef niets meer van apparatuur te veranderen. Alles is hier - alle instrumenten staan ​​op één lijn, klaar voor gebruik, Miller zei. "Het geeft ons veel vrijheid om veel dingen tegelijkertijd te doen, omdat het volledig geautomatiseerd is. We zouden terug op ons kantoor kunnen zijn om ander werk te doen terwijl het draait."

NIST-onderzoekers zeggen dat ze verwachten dat hun klantenbestand zal uitbreiden, omdat hun lab verschillende extra mogelijkheden heeft toegevoegd. Bijvoorbeeld, met de nieuwe opstelling kunnen ze hyperspectrale camera's kalibreren, die veel meer golflengten van licht meten dan typische videocamera's, die gewoonlijk slechts drie of vier kleuren vastleggen. Hyperspectrale camera's worden steeds populairder voor alles, van medische beeldvorming tot het analyseren van satellietbeelden van de aarde. De informatie die op de ruimte gebaseerde hyperspectrale camera's bieden over het weer en de vegetatie van onze planeet, stelt wetenschappers in staat hongersnoden en overstromingen te voorspellen en kan gemeenschappen helpen bij het plannen van noodhulp en rampenbestrijding.

Het nieuwe laboratorium stelt onderzoekers ook in staat om smartphoneschermen en televisie- en computermonitoren gemakkelijker en efficiënter te kalibreren.

De (juiste) afstand afleggen

Om de fotometer van een klant te kalibreren, NIST-wetenschappers verlichtten de detector met een breedbandlichtbron - in wezen een wit licht met meerdere golflengten (of kleuren), waarvan de helderheid buitengewoon goed wordt begrepen omdat deze wordt gemeten met behulp van NIST-standaardfotometers. In tegenstelling tot een laserlicht, dit witte licht is onsamenhangend, wat betekent dat alle verschillende golflengten van licht uit de pas lopen met elkaar.

Ideaal, om de meest nauwkeurige metingen te doen, onderzoekers zouden licht gebruiken dat is gecreëerd door een afstembare laser, waarvan de golflengte zo kan worden geregeld dat slechts één enkele golflengte van licht tegelijk op de detector schijnt. Het gebruik van een afstembare laser verhoogt de signaal-ruisverhouding van hun metingen.

Echter, vroeger, een afstembare laser kon niet worden gebruikt voor het kalibreren van fotometers, omdat het laserlicht met enkele golflengte met zichzelf interfereert op een manier die verschillende hoeveelheden ruis aan het signaal toevoegt, afhankelijk van welke golflengten werden gebruikt.

Als onderdeel van hun laboratoriumverbeteringen, Zong van NIST heeft een speciaal fotometerontwerp gemaakt dat deze ruis heeft geminimaliseerd "tot het punt waarop het verwaarloosbaar is, " zei Miller. Dit heeft het mogelijk gemaakt, Voor de eerste keer, om een ​​afstembare laser te gebruiken voor kalibratie van de fotometer met kleine onzekerheden.

Het nieuwe ontwerp heeft als bijkomend voordeel dat de apparatuur voor het opvangen van licht veel gemakkelijker te reinigen is, omdat de delicate opening nu wordt beschermd achter een verzegeld glasraam.

Voor intensiteitsmetingen moet u precies weten hoe ver een detector van een lichtbron verwijderd is. En tot voor kort, zoals de meeste andere fotometrielaboratoria, het NIST-lab had geen zeer nauwkeurige manier om deze afstand te meten. Dit komt deels doordat de opening van de detector, waardoor licht wordt opgevangen, is te delicaat om door meetapparatuur te worden aangeraakt.

Een veel voorkomende oplossing is dat onderzoekers eerst de verlichtingssterkte van een lichtbron meten - de hoeveelheid licht die uit een bron komt en een oppervlak met een bepaald gebied verlicht - op meerdere afstanden. Volgende, ze gebruiken die informatie om te bepalen wat die afstanden waren met behulp van de inverse kwadratenwet, die beschrijft hoe de intensiteit van een lichtbron exponentieel afneemt naarmate u er verder van verwijderd bent. Maar deze meting in twee stappen is niet eenvoudig te implementeren en introduceert extra onzekerheden, zei Molenaar.

Met hun nieuwe systeem het team kan nu afzien van de inverse square-methode en de afstand direct bepalen.

De methode maakt gebruik van op microscoop gebaseerde camera's. Eén microscoop zit op de lichtbrontafel en richt zich op een positiemarkering op de detectortafel. Een tweede microscoop zit op de detectortafel en stelt scherp op een positiemarkering op de lichtbrontafel. Afstanden worden bepaald door de openingen van de detector en de positie van de lichtbronnen aan te passen aan de brandpunten van hun respectievelijke microscopen.

"De microscopen zijn erg gevoelig voor onscherpte, ' zei Zong. 'Een paar micrometer verder, en de microscopen zullen het je vertellen. Ze zullen de scherpte van de beelden vervagen."

De nieuwe afstandsmetingen hebben onderzoekers ook in staat gesteld om de "echte intensiteit, " een enkel getal dat aangeeft hoeveel licht de LED uitstraalt, ongeacht de afstand.

Een nieuwe service voor nieuwe klanten

Naast deze nieuwe mogelijkheden, NIST-wetenschappers hebben ook instrumenten toegevoegd, zoals een apparaat dat een goniofotometer wordt genoemd, waarmee ze een LED-lamp kunnen draaien om te meten hoeveel licht er onder verschillende hoeken wordt uitgestraald. In de komende maanden, Miller en Zong hopen de goniofotometer aan te passen voor een nieuw soort dienst:het meten van de ultraviolette (UV) output van leds.

Mogelijke toepassingen voor UV-producerende LED's zijn onder meer bestraling van voedingsproducten om hun houdbaarheid te verlengen, evenals sterilisatie van watervoorzieningen en medische apparatuur.

traditioneel, commerciële bestraling heeft gebruik gemaakt van UV-licht dat wordt uitgestraald door kwikdamplampen. Maar in de afgelopen tien jaar of zo, bedrijven hebben geprobeerd om LED's voor dit doel aan te passen. Het probleem is dat er momenteel geen kalibratielaboratoria zijn die deze UV-producerende LED's kunnen kalibreren.

NIST probeert "vooruit te denken" door deze mogelijkheid klaar te hebben voor deze "groeiende, evoluerend veld, " zei Miller. De onderzoekers hopen dat de nieuwe LED UV-kalibratieservice tegen het einde van het jaar klaar zal zijn.