2019-09-09 06:30:01
LED更光明的未来NIST推出新的灯泡校准实验室

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问题:拧入LED灯泡需要多少测量科学家?答:对于美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员来说,这是几周前的一半。

6月,NIST开始提供更快,更准确,劳动强度更低的校准服务,用于评估LED灯和其他固态照明产品的亮度。该服务的客户包括LED灯制造商,美国军方和其他校准实验室。

校准良好的灯确保您的台灯中的60瓦等效LED灯泡真正相当于60瓦,或者在战斗机中为飞行员提供适当的跑道照明。

LED制造商需要确保他们制造的灯具真正像他们设计的那样亮。为此,他们使用光度计校准这些灯,这是一种测量所有波长亮度的工具,同时考虑到人眼对不同颜色的自然敏感度。

几十年来,NIST的测光实验室通过提供LED亮度和光度计校准服务满足了行业的需求。该服务涉及测量客户LED和其他固态灯的亮度,以及校准客户自己的光度计。直到最近,NIST实验室还测量了灯泡亮度,其不确定性相当低 - 介于0.5%和1.0%之间,与主流校准服务相当。

现在,由于实验室改造,NIST团队已将这些不确定性降低了三倍,降至0.2%或更低。这一成就使得新的LED亮度和光度计校准服务成为世界上最好的 - 如果不是最好的 - 那么。

“我们现在已经减少了所有主要的不确定因素,”NIST研究员Yuqin Zong说。

科学家们也大大减少了校准时间。使用旧系统,为客户进行一次校准花了将近一整天。 NIST研究员Cameron Miller表示,其中大部分用于设置每个测量 - 交换光源或探测器,手动检查两者之间的距离,然后重新配置设备以进行下一次测量。

但现在,实验室由两个自动设备台组成,一个用于光源,另一个用于探测器。桌子在轨道系统上行进,将探测器定位在离灯具0到5米之间的任何位置。距离可以控制在50万分之一米(微米)以内,这大约是人类头发宽度的一半。

Zong和Miller可以对表格进行编程,使其相互移动,而无需人为干预。过去需要花费一天的大部分时间现在可以在几个小时内完成。

“我不需要改变任何设备了。一切都在这里 - 所有的仪器都在线上,随时可以使用,”米勒说。 “它让我们有很多自由同时做很多事情,因为它完全是自动化的。我们可以回到我们的办公室做其他工作。”

NIST的研究人员表示,他们希望他们的客户群能够扩大,因为他们的实验室增加了几项额外功能例如,新设置允许他们校准高光谱相机,其测量比典型摄像机更多波长的光,其通常仅捕获三种或四种颜色。从医学成像到分析地球的卫星镜头,高光谱相机越来越受欢迎。基于太空的高光谱相机提供有关我们星球的天气和植被的信息,使科学家能够预测饥荒和洪水,并可以帮助社区规划应急响应和救灾。

新实验室还允许研究人员更轻松有效地校准智能手机显示器和电视和计算机显示器。

走(正确)距离

为了校准客户的光度计,NIST科学家过去常常使用宽带光源照射探测器 - 基本上是包含多种波长(或颜色)的白光,其亮度非常清楚,因为它是使用NIST标准光度计测量的。与激光不同,这种白光是不相干的,这意味着所有不同波长的光都彼此不同步。

理想情况下,为了进行最精确的测量,研究人员将使用可调谐激光产生的光,其波长可以控制,以便一次只有一个波长的光照射到探测器上。使用可调谐激光器可提高其测量的信噪比。

然而,在过去,可调谐激光器不能用于校准光度计,因为单波长激光干涉自身的方式会根据使用的波长向信号添加不同量的噪声。

作为他们实验室改进的一部分,NIST的Zong创造了一种定制光度计设计,将这种噪音降至“可以忽略不计的程度”,Miller说。这使得第一次使用可调谐激光器进行光度计校准成为可能,并且具有很小的不确定性。

新设计的另一个好处是可以使光收集设备更容易清洁,因为精密的孔径现在可以保护在密封的玻璃窗后面。

强度测量需要准确了解探测器与光源的距离。直到最近,像大多数其他测光实验室一样,NIST实验室没有高精度的方法来测量这个距离。这部分是因为收集光线的探测器孔径太脆弱而无法被测量设备接触。

一个常见的解决方法是,研究人员首先测量光源的照度 - 从光源发出的光量和照射具有特定区域的表面 - 在多个距离处。接下来,他们使用该信息来确定那些距离使用平方反比定律,它描述了光源的强度如何随着距离它的指数而呈指数减小。但米勒表示,这种两步测量不易实施,并引入了额外的不确定性。

通过他们的新系统,团队现在可以放弃逆平方法并直接确定距离。

该方法使用基于显微镜的相机。一个显微镜位于光源台上,并聚焦在探测器台上的位置标记上。第二个显微镜位于探测器台上,并聚焦在光源台上的位置标记上。通过调整探测器的孔径和光源到各自显微镜焦点的位置来确定距离。

“显微镜对散焦非常敏感,”Zong说。 “几微米关闭,显微镜会告诉你。它们会模糊图像的清晰度。”

新的距离测量还允许研究人员测量LED的“真实强度”,这个数字表示LED无论距离多远都会发出多少光。

为新客户提供的新服务

除了这些新功能外,NIST的科学家还增加了仪器,例如称为测角光度计的设备,它可以旋转LED灯来测量不同角度发出的光量。在接下来的几个月里,Miller和Zong希望将测角光度计用于新型服务:测量LED的紫外线(UV)输出。

紫外线生产LED的潜在用途包括食品的辐照以延长其保质期,以及供水和医疗设备的消毒。

传统上,商业照射使用汞蒸汽灯发出的紫外光。但在过去十年左右的时间里,公司一直在努力为此目的调整LED。麻烦的是,目前没有校准实验室能够校准这些产生紫外线的LED。

米勒说,NIST正试图通过为这个“不断发展的,不断发展的领域”准备好这种能力来“超前思考”。研究人员希望新的LED UV校准服务将在今年年底完成。

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