برای کالیبره کردن یک لامپ LED به چند دانشمند اندازه گیری نیاز است؟ برای محققان موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) در ایالات متحده، این عدد نصف مقدار چند هفته پیش است. در ماه ژوئن، NIST شروع به ارائه خدمات کالیبراسیون سریع‌تر، دقیق‌تر و صرفه‌جویی در کار برای ارزیابی روشنایی چراغ‌های LED و سایر محصولات روشنایی حالت جامد کرده است. از مشتریان این سرویس می توان به تولید کنندگان چراغ LED و سایر آزمایشگاه های کالیبراسیون اشاره کرد. به عنوان مثال، یک لامپ کالیبره شده می تواند اطمینان حاصل کند که لامپ LED معادل 60 وات در لامپ رومیزی واقعا معادل 60 وات است، یا اطمینان حاصل کند که خلبان در جت جنگنده دارای روشنایی مناسب باند است.

تولید کنندگان LED باید اطمینان حاصل کنند که چراغ هایی که تولید می کنند به همان اندازه که طراحی شده اند روشن باشند. برای رسیدن به این هدف، این لامپ ها را با یک نورسنج کالیبره کنید، ابزاری است که می تواند روشنایی را در تمام طول موج ها اندازه گیری کند و در عین حال حساسیت طبیعی چشم انسان به رنگ های مختلف را در نظر بگیرد. برای چندین دهه، آزمایشگاه فتومتریک NIST با ارائه خدمات کالیبراسیون نور LED و نورسنجی، نیازهای صنعت را برآورده کرده است. این سرویس شامل اندازه گیری روشنایی LED مشتری و سایر چراغ های حالت جامد و همچنین کالیبره کردن نورسنج خود مشتری است. تا به حال، آزمایشگاه NIST روشنایی لامپ را با عدم قطعیت نسبتاً کم، با خطای بین 0.5٪ تا 1.0٪ اندازه گیری می کرد که قابل مقایسه با خدمات کالیبراسیون اصلی است.
اکنون، به لطف نوسازی آزمایشگاه، تیم NIST این عدم قطعیت ها را سه برابر کرده و به 0.2 درصد یا کمتر رسانده است. این دستاورد خدمات جدید کالیبراسیون روشنایی و نورسنجی LED را به یکی از بهترین ها در جهان تبدیل می کند. دانشمندان همچنین زمان کالیبراسیون را به میزان قابل توجهی کوتاه کرده اند. در سیستم های قدیمی، انجام کالیبراسیون برای مشتریان تقریبا یک روز کامل طول می کشد. کامرون میلر، محقق NIST اظهار داشت که بیشتر کار برای تنظیم هر اندازه گیری، جایگزینی منابع نور یا آشکارسازها، بررسی دستی فاصله بین این دو و سپس پیکربندی مجدد تجهیزات برای اندازه گیری بعدی استفاده می شود.
اما اکنون آزمایشگاه از دو میز تجهیزات خودکار تشکیل شده است، یکی برای منبع نور و دیگری برای آشکارساز. میز روی سیستم مسیر حرکت می کند و آشکارساز را در فاصله 0 تا 5 متری از نور قرار می دهد. فاصله را می توان در 50 قسمت در میلیون یک متر (میکرو متر) کنترل کرد که تقریباً نصف عرض موی انسان است. Zong و Miller می‌توانند جداول را طوری برنامه‌ریزی کنند که نسبت به یکدیگر بدون نیاز به دخالت مداوم انسان حرکت کنند. قبلاً یک روز طول می کشید، اما اکنون می توان آن را در عرض چند ساعت تکمیل کرد. دیگر نیازی به تعویض هیچ تجهیزاتی نیست، همه چیز در اینجا موجود است و در هر زمان می توان از آن استفاده کرد و به محققان آزادی زیادی برای انجام بسیاری از کارها به طور همزمان می دهد زیرا کاملاً خودکار است.
شما می توانید برای انجام کارهای دیگر در حین کار به دفتر بازگردید. محققان NIST پیش‌بینی می‌کنند که با افزودن چندین ویژگی اضافی به آزمایشگاه، پایگاه مشتریان گسترش خواهد یافت. به عنوان مثال، دستگاه جدید می‌تواند دوربین‌های فراطیفی را کالیبره کند، که طول موج نور بسیار بیشتری را نسبت به دوربین‌های معمولی که معمولاً فقط سه تا چهار رنگ را می‌گیرند، اندازه‌گیری می‌کنند. از تصویربرداری پزشکی گرفته تا تجزیه و تحلیل تصاویر ماهواره ای از زمین، دوربین های فراطیفی به طور فزاینده ای محبوب می شوند. اطلاعات ارائه شده توسط دوربین های ابرطیفی مبتنی بر فضا در مورد آب و هوا و پوشش گیاهی زمین، دانشمندان را قادر می سازد قحطی و سیل را پیش بینی کنند و می توانند به جوامع در برنامه ریزی امداد رسانی اضطراری و بلایا کمک کنند. آزمایشگاه جدید همچنین می‌تواند کالیبره کردن نمایشگرهای گوشی‌های هوشمند و همچنین نمایشگرهای تلویزیون و رایانه را برای محققان آسان‌تر و کارآمدتر کند.

فاصله صحیح
برای کالیبره کردن نورسنج مشتری، دانشمندان در NIST از منابع نور باند پهن برای روشن کردن آشکارسازها استفاده می‌کنند که اساساً نور سفید با طول‌موج‌های متعدد (رنگ‌ها) هستند و روشنایی آن بسیار واضح است زیرا اندازه‌گیری‌ها با استفاده از نورسنج‌های استاندارد NIST انجام می‌شود. بر خلاف لیزر، این نوع نور سفید ناهمدوس است، به این معنی که تمام نورهای با طول موج های مختلف با یکدیگر هماهنگ نیستند. در یک سناریوی ایده‌آل، برای دقیق‌ترین اندازه‌گیری، محققان از لیزرهای قابل تنظیم برای تولید نور با طول‌موج‌های قابل کنترل استفاده می‌کنند، به طوری که تنها یک طول موج نور در یک زمان به آشکارساز تابش می‌کند. استفاده از لیزرهای قابل تنظیم نسبت سیگنال به نویز اندازه گیری را افزایش می دهد.
با این حال، در گذشته، لیزرهای قابل تنظیم نمی توانستند برای کالیبره کردن نورسنج ها استفاده شوند، زیرا لیزرهای تک طول موج با خود تداخل داشتند به گونه ای که مقادیر متفاوتی نویز را بر اساس طول موج مورد استفاده به سیگنال اضافه می کردند. به عنوان بخشی از بهبود آزمایشگاهی، Zong یک طراحی فتومتر سفارشی ایجاد کرده است که این نویز را تا حد ناچیزی کاهش می دهد. این امکان استفاده از لیزرهای قابل تنظیم را برای اولین بار برای کالیبره کردن نورسنج ها با عدم قطعیت های کوچک فراهم می کند. مزیت اضافی طراحی جدید این است که تمیز کردن تجهیزات روشنایی را آسان‌تر می‌کند، زیرا دیافراگم عالی اکنون در پشت پنجره شیشه‌ای مهر و موم شده محافظت می‌شود. اندازه گیری شدت نیاز به دانش دقیق از فاصله آشکارساز از منبع نور دارد.
تاکنون، مانند بسیاری از آزمایشگاه‌های نورسنجی دیگر، آزمایشگاه NIST هنوز روشی با دقت بالا برای اندازه‌گیری این فاصله ندارد. این تا حدی به این دلیل است که دیافراگم آشکارساز، که نور از طریق آن جمع‌آوری می‌شود، بسیار ظریف است و نمی‌توان آن را توسط دستگاه اندازه‌گیری لمس کرد. یک راه حل رایج این است که محققان ابتدا میزان روشنایی منبع نور را اندازه گیری کرده و سطحی را با یک منطقه مشخص روشن کنند. در مرحله بعد، از این اطلاعات برای تعیین این فواصل با استفاده از قانون مربع معکوس استفاده کنید، که توضیح می دهد که چگونه شدت یک منبع نور به طور تصاعدی با افزایش فاصله کاهش می یابد. اجرای این اندازه‌گیری دو مرحله‌ای آسان نیست و عدم قطعیت بیشتری ایجاد می‌کند. با سیستم جدید، تیم اکنون می تواند روش مربع معکوس را کنار بگذارد و مستقیماً فاصله را تعیین کند.
در این روش از یک دوربین مبتنی بر میکروسکوپ استفاده می‌شود که یک میکروسکوپ روی صحنه منبع نور قرار دارد و بر روی نشانگرهای موقعیت در مرحله آشکارساز تمرکز می‌کند. میکروسکوپ دوم روی میز کار آشکارساز قرار دارد و بر روی نشانگرهای موقعیت روی میز کار منبع نور تمرکز می کند. فاصله را با تنظیم دیافراگم آشکارساز و موقعیت منبع نور با کانون میکروسکوپ مربوطه تعیین کنید. میکروسکوپ ها نسبت به فوکوس زدایی بسیار حساس هستند و می توانند حتی چند میکرومتر فاصله را تشخیص دهند. اندازه‌گیری فاصله جدید همچنین محققان را قادر می‌سازد «شدت واقعی» LED‌ها را اندازه‌گیری کنند، که یک عدد جداگانه است که نشان می‌دهد میزان نور ساطع شده توسط LED‌ها مستقل از فاصله است.
علاوه بر این ویژگی های جدید، دانشمندان NIST ابزارهایی مانند دستگاهی به نام گونیا را نیز اضافه کرده اند که می تواند چراغ های LED را بچرخاند تا میزان نور ساطع شده در زوایای مختلف را اندازه گیری کند. در ماه‌های آینده، میلر و زونگ امیدوارند از اسپکتروفتومتر برای یک سرویس جدید استفاده کنند: اندازه‌گیری خروجی فرابنفش (UV) LED. کاربردهای بالقوه LED برای تولید پرتوهای فرابنفش شامل تابش مواد غذایی برای افزایش عمر مفید آن و همچنین ضد عفونی کردن آب و تجهیزات پزشکی است. به طور سنتی، تابش تجاری از نور فرابنفش ساطع شده توسط لامپ های بخار جیوه استفاده می کند.