Lysere fremtid for LED'er:NIST introducerer nyt lampekalibreringslaboratorium

Spørgsmål:Hvor mange måleforskere skal der til for at skrue en LED-pære i? Svar:For forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST), halvt så mange, som det tog for et par uger siden.

I juni, NIST begyndte at tilbyde en hurtigere, mere nøjagtig og mindre arbejdskrævende kalibreringsservice til vurdering af lysstyrken af ​​LED-lamper og andre solid-state belysningsprodukter. Kunder til tjenesten omfatter LED-lampeproducenter, det amerikanske militær og andre kalibreringslaboratorier.

Velkalibrerede lys sikrer, at den 60-watt-ækvivalente LED-pære i din bordlampe virkelig svarer til 60 watt, for eksempel, eller at der er ordentlig banebelysning til piloten i et jagerfly.

LED-producenter skal sikre, at de lamper, de laver, virkelig er lige så lyse, som de har designet dem til at være. At gøre det, de kalibrerer disse lamper med et fotometer, et værktøj, der måler lysstyrke ved alle bølgelængder, mens der tages hensyn til det menneskelige øjes naturlige følsomhed over for forskellige farver.

I årtier, NISTs fotometrilaboratorium har imødekommet industriens behov ved at tilbyde en LED-lysstyrke og fotometerkalibreringsservice. Tjenesten indebærer måling af lysstyrken af ​​kundernes LED'er og andre solid-state lamper, samt kalibrering af kundernes egne fotometre. Indtil for nylig, NIST-laboratoriet har målt lampens lysstyrke med rimelig lave usikkerheder - mellem 0,5 % og 1,0 %, på niveau med almindelige kalibreringstjenester.

Nu, takket være fornyelsen af ​​laboratoriet, NIST-teamet har reduceret disse usikkerheder med en faktor på tre, til 0,2 % eller mindre. Præstationen gør den nye LED-lysstyrke og fotometerkalibreringstjeneste til en af ​​de bedste – hvis ikke den bedste – i verden.

"Vi har nu reduceret alle større usikkerheder, " sagde NIST-forsker Yuqin Zong.

Forskerne har også reduceret kalibreringstiden betydeligt. Med det gamle system, det tog næsten en hel dag at lave en enkelt kalibrering for en kunde. Det meste af det var viet til opsætning af hver måling - udskiftning af en lyskilde eller en detektor, manuel kontrol af afstande mellem de to, og derefter rekonfigurere udstyret til næste måling, sagde NIST-forsker Cameron Miller.

Men nu, laboratoriet består af to automatiserede udstyrsborde, den ene til lyskilderne og den anden til detektorerne. Bordene kører på et skinnesystem, der placerer detektorerne et sted mellem 0 og 5 meter væk fra lamperne. Afstandene kan kontrolleres til inden for 50 milliontedele af en meter (mikrometer), som er cirka halvdelen af ​​bredden af ​​et menneskehår.

Zong og Miller kan programmere tabellerne til at bevæge sig i forhold til hinanden uden at kræve kontinuerlig menneskelig indgriben. Det, der før tog den største del af en dag, kan nu gøres på timer.

"Jeg behøver ikke at ændre noget af udstyret længere. Alt er lige her - alle instrumenterne er på linje, klar til brug, " sagde Miller. "Det giver os en masse frihed til at gøre mange ting på samme tid, fordi det er fuldstændig automatiseret. Vi kan være tilbage på vores kontor og udføre andet arbejde, mens det kører."

NIST-forskere siger, at de forventer, at deres kundebase udvides, da deres laboratorium har tilføjet flere yderligere muligheder. For eksempel, den nye opsætning giver dem mulighed for at kalibrere hyperspektrale kameraer, som måler mange flere bølgelængder af lys end typiske videokameraer, som normalt kun fanger tre eller fire farver. Hyperspektrale kameraer bliver stadig mere populære til alt fra medicinsk billedbehandling til analyse af satellitoptagelser af Jorden. De oplysninger, som rumbaserede hyperspektrale kameraer giver om vores planets vejr og vegetation, gør det muligt for videnskabsmænd at forudsige hungersnød og oversvømmelser og kan hjælpe samfund med at planlægge nødberedskab og katastrofehjælp.

Det nye laboratorium giver også forskere mulighed for nemmere og mere effektivt at kalibrere smartphone-skærme og tv- og computerskærme.

Går den (korrekte) distance

For at kalibrere en kundes fotometer, NIST-forskere plejede at belyse detektoren med en bredbåndslyskilde - i det væsentlige et hvidt lys indeholdende flere bølgelængder (eller farver), hvis lysstyrke er yderst velforstået, fordi den måles ved hjælp af NIST standard fotometre. I modsætning til et laserlys, dette hvide lys er usammenhængende, hvilket betyder, at alle de forskellige bølgelængder af lys er ude af trit med hinanden.

Ideelt set at foretage de mest nøjagtige målinger, forskere ville bruge lys skabt af en afstembar laser, hvis bølgelængde kan styres, så kun en enkelt bølgelængde af lys ad gangen skinner på detektoren. Brug af en indstillelig laser øger signal-til-støj-forholdet for deres målinger.

Imidlertid, i fortiden, en afstembar laser kunne ikke bruges til at kalibrere fotometre, fordi laserlyset med enkelt bølgelængde interfererer med sig selv på en måde, der tilføjer forskellige mængder støj til signalet afhængigt af, hvilke bølgelængder der blev brugt.

Som en del af deres laboratorieforbedringer, NIST's Zong skabte et brugerdefineret fotometerdesign, der har minimeret denne støj "til det punkt, hvor den er ubetydelig, " sagde Miller. Dette har gjort det muligt, for første gang, at bruge en afstembar laser til fotometerkalibrering med små usikkerheder.

Det nye design har den yderligere fordel, at det gør lysopsamlingsudstyret meget nemmere at rengøre, da den sarte blænde nu er beskyttet bag et forseglet glasvindue.

Intensitetsmålinger kræver, at man ved præcis, hvor langt en detektor er fra en lyskilde. Og indtil for nylig, ligesom de fleste andre fotometrilaboratorier, NIST-laboratoriet havde ikke en meget præcis måde at måle denne afstand på. Dette skyldes delvist, at detektorens blænde, hvorigennem lys opsamles, er for sart til at blive berørt af måleudstyr.

En almindelig løsning er, at forskere først måler en lyskildes belysningsstyrke - mængden af ​​lys, der kommer fra en kilde og belyser en overflade med et bestemt område - ved flere afstande. Næste, de bruger den information til at bestemme, hvad disse afstande var ved hjælp af den omvendte kvadratlov, som beskriver hvordan en lyskildes intensitet falder eksponentielt jo længere man er fra den. Men denne to-trins måling er ikke let at implementere og introducerer yderligere usikkerheder, sagde Miller.

Med deres nye system, holdet er nu i stand til at give afkald på den omvendte kvadratmetode og bestemme afstanden direkte.

Metoden bruger mikroskopbaserede kameraer. Et mikroskop sidder på lyskildebordet og fokuserer på en positionsmarkør på detektorbordet. Et andet mikroskop sidder på detektorbordet og fokuserer på en positionsmarkør på lyskildebordet. Afstande bestemmes ved at justere detektorens åbninger og lyskildernes position til fokuspunkterne på deres respektive mikroskoper.

"Mikroskoperne er meget følsomme over for defokusering, " sagde Zong. "Et par mikrometer væk, og mikroskoperne vil fortælle dig. De vil sløre skarpheden af ​​billederne."

De nye afstandsmålinger har også gjort det muligt for forskere at måle LED'ernes "sande intensitet, " et enkelt tal, der angiver, hvor meget lys LED'en udsender uanset afstand.

En ny service til nye kunder

Ud over disse nye muligheder, NIST-forskere har også tilføjet instrumenter, såsom en enhed kaldet et goniofotometer, som giver dem mulighed for at dreje en LED-lampe for at måle, hvor meget lys der udsendes i forskellige vinkler. I de næste måneder, Miller og Zong håber at tilpasse goniofotometeret til en ny type service:måling af LED'ers ultraviolette (UV) output.

Potentielle anvendelser for UV-producerende LED'er omfatter bestråling af fødevarer for at forlænge deres holdbarhed, samt sterilisering af vandforsyninger og medicinsk udstyr.

Traditionelt, kommerciel bestråling har brugt UV-lys udsendt af kviksølvdamplamper. Men i det seneste årti eller deromkring, virksomheder har forsøgt at tilpasse lysdioder til dette formål. Problemet er, at ingen kalibreringslaboratorier i øjeblikket er i stand til at kalibrere disse UV-producerende LED'er.

NIST forsøger at "tænke forud for kurven" ved at have denne evne klar til denne "vækst, udviklende felt, " sagde Miller. Forskerne håber, at den nye LED UV-kalibreringstjeneste vil være klar ved udgangen af ​​året.