Domanda:quanti esperti di misurazione ci vogliono per avvitare una lampadina a LED? Risposta:per i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST), la metà di quanti ne servivano poche settimane fa.

Nel mese di giugno, Il NIST ha iniziato a offrire un servizio più veloce, servizio di calibrazione più accurato e meno laborioso per la valutazione della luminosità di lampade a LED e altri prodotti di illuminazione a stato solido. I clienti del servizio includono produttori di lampade a LED, l'esercito degli Stati Uniti e altri laboratori di calibrazione.

Le luci ben calibrate assicurano che la lampadina a LED da 60 watt equivalente nella tua lampada da scrivania sia davvero equivalente a 60 watt, Per esempio, o che ci sia un'adeguata illuminazione della pista per il pilota in un aereo da combattimento.

I produttori di LED devono assicurarsi che le lampade che producono siano davvero luminose come le hanno progettate. Fare quello, calibrano quelle lampade con un fotometro, uno strumento che misura la luminosità a tutte le lunghezze d'onda tenendo conto della sensibilità naturale dell'occhio umano ai diversi colori.

Per decenni, Il laboratorio di fotometria del NIST ha soddisfatto le esigenze del settore offrendo un servizio di calibrazione della luminosità dei LED e del fotometro. Il servizio prevede la misurazione della luminosità dei LED dei clienti e di altre lampade a stato solido, oltre a calibrare i fotometri dei clienti. Fino a poco tempo fa, il laboratorio NIST ha misurato la luminosità della lampada con incertezze ragionevolmente basse, tra 0,5% e 1,0%, alla pari con i principali servizi di calibrazione.

Ora, grazie al rinnovamento del laboratorio, il team del NIST ha ridotto queste incertezze di un fattore tre, allo 0,2% o meno. Il risultato rende il nuovo servizio di calibrazione della luminosità dei LED e del fotometro uno dei migliori, se non il migliore, al mondo.

"Ora abbiamo ridotto tutte le principali incertezze, ", ha affermato il ricercatore del NIST Yuqin Zong.

Gli scienziati hanno anche ridotto significativamente i tempi di calibrazione. Con il vecchio sistema ci è voluta quasi un'intera giornata per eseguire una singola calibrazione per un cliente. La maggior parte di questo è stato dedicato all'impostazione di ogni misurazione:sostituzione di una fonte di luce o di un rilevatore, controllando manualmente le distanze tra i due, e quindi riconfigurare l'apparecchiatura per la misurazione successiva, ha detto il ricercatore del NIST Cameron Miller.

Ma ora, il laboratorio è composto da due tavoli di attrezzature automatizzate, uno per le sorgenti luminose e l'altro per i rivelatori. I tavoli viaggiano su un sistema di binari che posiziona i rilevatori ovunque tra 0 e 5 metri di distanza dalle lampade. Le distanze possono essere controllate entro 50 milionesimi di metro (micrometri), che è circa la metà della larghezza di un capello umano.

Zong e Miller possono programmare i tavoli in modo che si muovano l'uno rispetto all'altro senza richiedere un intervento umano continuo. Quello che prima richiedeva la maggior parte della giornata, ora può essere fatto in poche ore.

"Non devo più cambiare nessuna attrezzatura. È tutto a posto, tutti gli strumenti sono in linea, pronto per essere utilizzato, " ha detto Miller. "Ci dà molta libertà di fare molte cose contemporaneamente, perché è completamente automatizzato. Potremmo essere di nuovo nel nostro ufficio a fare altro lavoro mentre è in funzione".

I ricercatori del NIST affermano di aspettarsi che la loro base di clienti si espanda, poiché il loro laboratorio ha aggiunto diverse funzionalità aggiuntive. Per esempio, il nuovo setup permette loro di calibrare le telecamere iperspettrali, che misurano molte più lunghezze d'onda della luce rispetto alle normali videocamere, che di solito catturano solo tre o quattro colori. Le telecamere iperspettrali stanno diventando sempre più popolari per qualsiasi cosa, dall'imaging medico all'analisi delle riprese satellitari della Terra. Le informazioni fornite dalle telecamere iperspettrali spaziali sul clima e sulla vegetazione del nostro pianeta consentono agli scienziati di prevedere carestie e inondazioni e possono aiutare le comunità a pianificare la risposta alle emergenze e i soccorsi in caso di calamità.

Il nuovo laboratorio consente inoltre ai ricercatori di calibrare in modo più semplice ed efficiente i display degli smartphone e i monitor di televisori e computer.

Percorrere la distanza (corretta)

Per calibrare il fotometro di un cliente, Gli scienziati del NIST erano soliti illuminare il rilevatore con una sorgente luminosa a banda larga, essenzialmente una luce bianca contenente più lunghezze d'onda (o colori), la cui luminosità è estremamente ben compresa perché misurata utilizzando fotometri standard NIST. A differenza di una luce laser, questa luce bianca è incoerente, il che significa che tutte le diverse lunghezze d'onda della luce non sono al passo l'una con l'altra.

Idealmente, per effettuare le misurazioni più accurate, i ricercatori userebbero la luce creata da un laser sintonizzabile, la cui lunghezza d'onda può essere controllata in modo che solo una singola lunghezza d'onda di luce alla volta colpisca il rivelatore. L'uso di un laser sintonizzabile aumenta il rapporto segnale-rumore delle loro misurazioni.

Però, nel passato, un laser sintonizzabile non può essere utilizzato per calibrare i fotometri, perché la luce laser a lunghezza d'onda singola interferisce con se stessa in un modo che aggiunge diverse quantità di rumore al segnale a seconda delle lunghezze d'onda utilizzate.

Come parte dei loro miglioramenti di laboratorio, Zong del NIST ha creato un design personalizzato del fotometro che ha ridotto al minimo questo rumore "al punto che è trascurabile, " ha detto Miller. Questo ha reso possibile, per la prima volta, utilizzare un laser sintonizzabile per la calibrazione del fotometro con piccole incertezze.

Il nuovo design ha l'ulteriore vantaggio di rendere l'attrezzatura per la raccolta della luce molto più facile da pulire, poiché la delicata apertura è ora protetta da una finestra di vetro sigillata.

Le misurazioni dell'intensità richiedono la conoscenza esatta della distanza di un rilevatore da una fonte di luce. E fino a poco tempo fa come la maggior parte degli altri laboratori di fotometria, il laboratorio del NIST non aveva un modo ad alta precisione per misurare questa distanza. Ciò è in parte dovuto al fatto che l'apertura del rilevatore, attraverso cui si raccoglie la luce, è troppo delicato per essere toccato dagli strumenti di misurazione.

Una soluzione comune è che i ricercatori misurino prima l'illuminamento di una sorgente luminosa, la quantità di luce che emana da una sorgente e illumina una superficie con una certa area, a più distanze. Prossimo, usano quell'informazione per determinare quali erano quelle distanze usando la legge dell'inverso del quadrato, che descrive come l'intensità di una sorgente luminosa diminuisca esponenzialmente man mano che ci si allontana da essa. Ma questa misurazione in due fasi non è facile da implementare e introduce ulteriori incertezze, ha detto Miller.

Con il loro nuovo sistema, la squadra è ora in grado di rinunciare al metodo del quadrato inverso e determinare direttamente la distanza.

Il metodo utilizza fotocamere al microscopio. Un microscopio si trova sul tavolo della sorgente luminosa e mette a fuoco un indicatore di posizione sul tavolo del rivelatore. Un secondo microscopio si trova sul tavolo del rivelatore e mette a fuoco un indicatore di posizione sul tavolo della sorgente luminosa. Le distanze sono determinate regolando le aperture del rivelatore e la posizione delle sorgenti luminose rispetto ai punti focali dei rispettivi microscopi.

"I microscopi sono molto sensibili alla sfocatura, " Zong ha detto. "Alcuni micrometri di distanza, e i microscopi te lo diranno. Offuscheranno la nitidezza delle immagini."

Le nuove misurazioni della distanza hanno anche permesso ai ricercatori di misurare la "vera intensità" dei LED, " un unico numero che indica quanta luce emette il LED indipendentemente dalla distanza.

Un nuovo servizio per nuovi clienti

Oltre a queste nuove capacità, Gli scienziati del NIST hanno anche aggiunto strumenti, come un dispositivo chiamato goniofotometro, che consente loro di ruotare una lampada a LED per misurare la quantità di luce emessa a diverse angolazioni. Nei prossimi mesi, Miller e Zong sperano di adattare il goniofotometro per un nuovo tipo di servizio:misurare l'uscita ultravioletta (UV) dei LED.

I potenziali usi dei LED che producono UV includono l'irradiazione di prodotti alimentari per prolungarne la durata, così come la sterilizzazione delle forniture idriche e delle attrezzature mediche.

Tradizionalmente, l'irradiazione commerciale ha utilizzato la luce UV emessa da lampade a vapori di mercurio. Ma negli ultimi dieci anni o giù di lì, le aziende hanno cercato di adattare i LED a questo scopo. Il problema è che nessun laboratorio di calibrazione è attualmente in grado di calibrare questi LED che producono UV.

Il NIST sta cercando di "pensare in anticipo sulla curva" avendo questa capacità pronta per questa "crescita, campo in evoluzione, " ha detto Miller. I ricercatori sperano che il nuovo servizio di calibrazione UV LED sarà pronto entro la fine dell'anno.