Fråga:Hur många mätforskare krävs för att skruva i en LED-glödlampa? Svar:För forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST), hälften så många som det tog för några veckor sedan.

I juni, NIST började erbjuda en snabbare, mer exakt och mindre arbetskrävande kalibreringstjänst för att bedöma ljusstyrkan hos LED-lampor och andra solid-state belysningsprodukter. Kunder för tjänsten inkluderar tillverkare av LED-lampor, den amerikanska militären och andra kalibreringslaboratorier.

Välkalibrerade lampor säkerställer att den 60-watt-ekvivalenta LED-lampan i din skrivbordslampa verkligen motsvarar 60 watt, till exempel, eller att det finns ordentlig banbelysning för piloten i ett stridsplan.

LED-tillverkare måste se till att lamporna de gör verkligen är så ljusa som de designade dem för att vara. Att göra det, de kalibrerar dessa lampor med en fotometer, ett verktyg som mäter ljusstyrka på alla våglängder samtidigt som man tar hänsyn till det mänskliga ögats naturliga känslighet för olika färger.

I årtionden, NIST:s fotometrilabb har uppfyllt branschens behov genom att erbjuda en LED-ljusstyrka och fotometerkalibreringstjänst. Tjänsten innebär att mäta ljusstyrkan på kunders lysdioder och andra halvledarlampor, samt kalibrera kundernas egna fotometrar. Tills nyligen, NIST-labbet har mätt lampans ljusstyrka med ganska låga osäkerheter – mellan 0,5 % och 1,0 %, i nivå med vanliga kalibreringstjänster.

Nu, tack vare labrenoveringen, NIST-teamet har minskat dessa osäkerheter med en faktor tre, till 0,2 % eller mindre. Prestationen gör den nya LED-ljusstyrkan och fotometerkalibreringstjänsten till en av de bästa – om inte den bästa – i världen.

"Vi har nu minskat alla stora osäkerheter, " sa NIST-forskaren Yuqin Zong.

Forskarna har också minskat kalibreringstiden avsevärt. Med det gamla systemet, det tog nästan en hel dag att göra en enda kalibrering för en kund. Det mesta ägnades åt att ställa in varje mätning – att byta ut en ljuskälla eller en detektor, manuell kontroll av avstånden mellan de två, och sedan konfigurera om utrustningen för nästa mätning, sa NIST-forskaren Cameron Miller.

Men nu, labbet består av två automatiserade utrustningsbord, en för ljuskällorna och den andra för detektorerna. Borden färdas på ett rälssystem som placerar detektorerna var som helst mellan 0 och 5 meter från lamporna. Avstånden kan kontrolleras till inom 50 miljondelar av en meter (mikrometer), som är ungefär halva bredden av ett människohår.

Zong och Miller kan programmera tabellerna att röra sig i förhållande till varandra utan att kräva kontinuerlig mänsklig inblandning. Det som förr tog större delen av en dag kan nu göras på timmar.

"Jag behöver inte byta någon utrustning längre. Allt är rätt här - alla instrument är i linje, redo att användas, ", sa Miller. "Det ger oss mycket frihet att göra många saker samtidigt, eftersom det är helt automatiserat. Vi kan vara tillbaka på vårt kontor och göra annat arbete medan det är igång."

NIST-forskare säger att de förväntar sig att deras kundbas kommer att expandera, eftersom deras labb har lagt till flera ytterligare funktioner. Till exempel, den nya inställningen tillåter dem att kalibrera hyperspektrala kameror, som mäter många fler våglängder av ljus än vanliga videokameror, som vanligtvis bara fångar tre eller fyra färger. Hyperspektrala kameror blir allt mer populära för allt från medicinsk bildbehandling till att analysera satellitbilder av jorden. Den information som rymdbaserade hyperspektrala kameror ger om vår planets väder och växtlighet gör det möjligt för forskare att förutsäga hungersnöd och översvämningar och kan hjälpa samhällen att planera nödåtgärder och katastrofhjälp.

Det nya labbet gör det också möjligt för forskare att enklare och mer effektivt kalibrera smartphone-skärmar och tv- och datorskärmar.

Gå den (korrekta) sträckan

För att kalibrera en kunds fotometer, NIST-forskare brukade belysa detektorn med en bredbandsljuskälla - i huvudsak ett vitt ljus som innehåller flera våglängder (eller färger), vars ljusstyrka är extremt välkänd eftersom den mäts med NIST standardfotometrar. Till skillnad från ett laserljus, detta vita ljus är osammanhängande, vilket innebär att alla ljusets olika våglängder är i otakt med varandra.

Helst för att göra de mest exakta mätningarna, forskare skulle använda ljus skapat av en avstämbar laser, vars våglängd kan styras så att endast en enda våglängd av ljus åt gången lyser på detektorn. Att använda en avstämbar laser ökar signal-brusförhållandet för deras mätningar.

Dock, förr, en avstämbar laser kunde inte användas för att kalibrera fotometrar, eftersom laserljuset med en våglängd stör sig själv på ett sätt som tillför olika mängder brus till signalen beroende på vilka våglängder som användes.

Som en del av deras labbförbättringar, NIST:s Zong skapade en anpassad fotometerdesign som har minimerat detta brus "till den punkt där det är försumbart, " sa Miller. Detta har gjort det möjligt, för första gången, att använda en avstämbar laser för fotometerkalibrering med små osäkerheter.

Den nya designen har den ytterligare fördelen att göra ljusinsamlingsutrustningen mycket lättare att rengöra, eftersom den ömtåliga öppningen nu är skyddad bakom ett förseglat fönster av glas.

Intensitetsmätningar kräver att man vet exakt hur långt en detektor är från en ljuskälla. Och tills nyligen, som de flesta andra fotometrilabb, NIST-labbet hade inget högprecisionssätt att mäta detta avstånd. Detta beror delvis på att detektorns bländare, genom vilken ljus samlas, är för känslig för att vidröras av mätutrustning.

En vanlig lösning är att forskare först mäter en ljuskällas belysningsstyrka - mängden ljus som kommer från en källa och belyser en yta med ett visst område - på flera avstånd. Nästa, de använder den informationen för att bestämma vilka avstånd som var med hjälp av den omvända kvadratlagen, som beskriver hur en ljuskällas intensitet minskar exponentiellt ju längre du är från den. Men denna tvåstegsmätning är inte lätt att implementera och introducerar ytterligare osäkerheter, sa Miller.

Med deras nya system, teamet kan nu avstå från den omvända kvadratmetoden och bestämma avståndet direkt.

Metoden använder sig av mikroskopbaserade kameror. Ett mikroskop sitter på ljuskällans bord och fokuserar på en positionsmarkör på detektorbordet. Ett andra mikroskop sitter på detektorbordet och fokuserar på en positionsmarkör på ljuskällans bord. Avstånden bestäms genom att justera detektorns öppningar och ljuskällornas läge till fokalpunkterna i deras respektive mikroskop.

"Mikroskopen är mycket känsliga för oskärpa, " sa Zong. "Några mikrometer bort, och mikroskopen kommer att berätta. De kommer att sudda ut skärpan i bilderna."

De nya avståndsmätningarna har också gjort det möjligt för forskare att mäta lysdiodernas "verkliga intensitet, " ett enda nummer som indikerar hur mycket ljus lysdioden släcker oavsett avstånd.

En ny tjänst för nya kunder

Förutom dessa nya funktioner, NIST-forskare har också lagt till instrument, till exempel en enhet som kallas en goniofotometer, vilket gör att de kan rotera en LED-lampa för att mäta hur mycket ljus som avges i olika vinklar. Under de närmaste månaderna, Miller och Zong hoppas kunna anpassa goniofotometern för en ny typ av tjänst:mätning av lysdioders ultravioletta (UV) effekt.

Potentiella användningsområden för UV-producerande lysdioder inkluderar bestrålning av livsmedelsprodukter för att förlänga deras hållbarhet, samt sterilisering av vattenförråd och medicinsk utrustning.

Traditionellt, kommersiell bestrålning har använt UV-ljus som emitteras av kvicksilverånglampor. Men under det senaste decenniet eller så, företag har försökt anpassa lysdioder för detta ändamål. Problemet är att inga kalibreringslabb för närvarande kan kalibrera dessa UV-producerande lysdioder.

NIST försöker "tänka före kurvan" genom att ha denna förmåga redo för denna "tillväxt, utvecklande fält, " sa Miller. Forskarna hoppas att den nya LED UV-kalibreringstjänsten kommer att vara klar i slutet av året.