Quants científics de mesura es necessiten per calibrar una bombeta LED? Per als investigadors del National Institute of Standards and Technology (NIST) dels Estats Units, aquesta xifra és la meitat del que era fa unes setmanes. Al juny, NIST va començar a oferir serveis de calibratge més ràpids, precisos i que estalvien mà d'obra per avaluar la brillantor de les llums LED i altres productes d'il·luminació d'estat sòlid. Entre els clients d'aquest servei hi ha fabricants de llums LED i altres laboratoris de calibratge. Per exemple, una làmpada calibrada pot assegurar-se que la bombeta LED equivalent a 60 watts de la làmpada d'escriptori és realment equivalent a 60 watts, o assegurar-se que el pilot de l'avió de caça tingui una il·luminació de pista adequada.

Els fabricants de LED han de garantir que les llums que fabriquen siguin realment tan brillants com estan dissenyades. Per aconseguir-ho, cal calibrar aquestes làmpades amb un fotòmetre, que és una eina que pot mesurar la brillantor a totes les longituds d'ona tot tenint en compte la sensibilitat natural de l'ull humà als diferents colors. Durant dècades, el laboratori fotomètric del NIST ha estat satisfent les demandes de la indústria proporcionant serveis de calibratge fotomètric i de brillantor LED. Aquest servei consisteix en mesurar la brillantor del LED i altres llums d'estat sòlid del client, així com calibrar el fotòmetre del propi client. Fins ara, el laboratori NIST ha estat mesurant la brillantor de les bombetes amb una incertesa relativament baixa, amb un error entre el 0,5% i l'1,0%, que és comparable als serveis de calibratge convencionals.
Ara, gràcies a la renovació del laboratori, l'equip del NIST ha triplicat aquestes incerteses fins al 0,2% o menys. Aquest assoliment fa que el nou servei de calibratge de la brillantor i del fotòmetre LED sigui un dels millors del món. Els científics també han reduït significativament el temps de calibració. En sistemes antics, realitzar una calibració per als clients trigaria gairebé un dia sencer. L'investigador del NIST Cameron Miller va afirmar que la major part del treball s'utilitza per configurar cada mesura, substituir fonts de llum o detectors, comprovar manualment la distància entre ambdós i després reconfigurar l'equip per a la següent mesura.
Però ara, el laboratori consta de dues taules d'equips automatitzats, una per a la font de llum i l'altra per al detector. La taula es mou sobre el sistema de via i col·loca el detector a una distància de 0 a 5 metres de la llum. La distància es pot controlar en 50 parts per milió d'un metre (micròmetre), que és aproximadament la meitat de l'amplada del cabell humà. Zong i Miller poden programar taules per moure's entre si sense necessitat d'una intervenció humana contínua. Abans trigava un dia, però ara es pot completar en poques hores. Ja no cal substituir cap equip, tot està aquí i es pot utilitzar en qualsevol moment, donant molta llibertat als investigadors per fer moltes coses alhora perquè està totalment automatitzat.
Podeu tornar a l'oficina per fer altres treballs mentre s'està executant. Els investigadors del NIST prediuen que la base de clients s'ampliarà a mesura que el laboratori ha afegit diverses funcions addicionals. Per exemple, el nou dispositiu pot calibrar càmeres hiperespectrals, que mesuren molta més longitud d'ona de la llum que les càmeres típiques que normalment només capturen de tres a quatre colors. Des de la imatge mèdica fins a l'anàlisi d'imatges de satèl·lit de la Terra, les càmeres hiperespectrals són cada cop més populars. La informació proporcionada per càmeres hiperespectrals basades en l'espai sobre el temps i la vegetació de la Terra permet als científics predir fams i inundacions, i pot ajudar les comunitats a planificar emergències i socors en cas de desastre. El nou laboratori també pot fer que els investigadors puguin calibrar les pantalles dels telèfons intel·ligents, així com les pantalles de TV i ordinadors, sigui més fàcil i eficient.

Distància correcta
Per calibrar el fotòmetre del client, els científics del NIST utilitzen fonts de llum de banda ampla per il·luminar detectors, que són essencialment llum blanca amb múltiples longituds d'ona (colors) i la seva brillantor és molt clara perquè les mesures es fan amb fotòmetres estàndard del NIST. A diferència dels làsers, aquest tipus de llum blanca és incoherent, el que significa que tota la llum de diferents longituds d'ona no està sincronitzada entre si. En un escenari ideal, per a la mesura més precisa, els investigadors utilitzaran làsers ajustables per generar llum amb longituds d'ona controlables, de manera que només s'irradiï una longitud d'ona de llum al detector alhora. L'ús de làsers ajustables augmenta la relació senyal-soroll de la mesura.
Tanmateix, en el passat, els làsers ajustables no es podien utilitzar per calibrar fotòmetres perquè els làsers d'una sola longitud d'ona interferien amb ells mateixos d'una manera que afegeixen diferents quantitats de soroll al senyal en funció de la longitud d'ona utilitzada. Com a part de la millora del laboratori, Zong ha creat un disseny de fotòmetre personalitzat que redueix aquest soroll a un nivell insignificant. Això fa possible utilitzar làsers ajustables per primera vegada per calibrar fotòmetres amb petites incerteses. L'avantatge addicional del nou disseny és que facilita la neteja de l'equip d'il·luminació, ja que ara l'exquisida obertura està protegida darrere de la finestra de vidre segellada. La mesura de la intensitat requereix un coneixement precís de la distància del detector de la font de llum.
Fins ara, com la majoria dels altres laboratoris de fotometria, el laboratori NIST encara no disposa d'un mètode d'alta precisió per mesurar aquesta distància. Això és en part perquè l'obertura del detector, a través de la qual es recull la llum, és massa subtil per ser tocada pel dispositiu de mesura. Una solució habitual és que els investigadors mesuren primer la il·luminació de la font de llum i il·luminin una superfície amb una àrea determinada. A continuació, utilitzeu aquesta informació per determinar aquestes distàncies mitjançant la llei del quadrat invers, que descriu com la intensitat d'una font de llum disminueix exponencialment a mesura que augmenta la distància. Aquesta mesura en dos passos no és fàcil d'implementar i introdueix incertesa addicional. Amb el nou sistema, l'equip ara pot abandonar el mètode del quadrat invers i determinar directament la distància.
Aquest mètode utilitza una càmera basada en microscopi, amb un microscopi assegut a l'escenari de la font de llum i centrant-se en els marcadors de posició de l'escenari del detector. El segon microscopi es troba al banc de treball del detector i se centra en els marcadors de posició del banc de treball de la font de llum. Determineu la distància ajustant l'obertura del detector i la posició de la font de llum al focus dels seus respectius microscopis. Els microscopis són molt sensibles al desenfocament i poden reconèixer fins i tot a pocs micròmetres de distància. La nova mesura de la distància també permet als investigadors mesurar la "intensitat real" dels LED, que és un nombre separat que indica que la quantitat de llum emesa pels LED és independent de la distància.
A més d'aquestes noves característiques, els científics del NIST també han afegit alguns instruments, com un dispositiu anomenat goniòmetre que pot girar llums LED per mesurar quanta llum s'emet en diferents angles. En els propers mesos, Miller i Zong esperen utilitzar un espectrofotòmetre per a un nou servei: mesurar la sortida ultraviolada (UV) dels LED. Els usos potencials del LED per generar raigs ultraviolats inclouen la irradiació d'aliments per allargar la seva vida útil, així com la desinfecció d'aigua i equips mèdics. Tradicionalment, la irradiació comercial utilitza la llum ultraviolada emesa per les làmpades de vapor de mercuri.