Bir LED ampulü kalibre etmek için kaç ölçüm uzmanına ihtiyaç vardır? Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü'ndeki (NIST) araştırmacılar için bu sayı, birkaç hafta öncesinin yarısı kadardır. Haziran ayında NIST, LED ışıkların ve diğer katı hal aydınlatma ürünlerinin parlaklığını değerlendirmek için daha hızlı, daha doğru ve iş gücünden tasarruf sağlayan kalibrasyon hizmetleri sağlamaya başladı. Bu hizmetin müşterileri arasında LED ışık üreticileri ve diğer kalibrasyon laboratuvarları bulunmaktadır. Örneğin kalibre edilmiş bir lamba, masa lambasındaki 60 watt eşdeğeri LED ampulün gerçekten 60 watt'a eşdeğer olmasını sağlayabilir veya savaş uçağındaki pilotun uygun pist aydınlatmasına sahip olmasını sağlayabilir.

LED üreticilerinin, ürettikleri ışıkların gerçekten tasarlandıkları kadar parlak olmasını sağlamaları gerekir. Bunu başarmak için bu lambaları, insan gözünün farklı renklere karşı doğal duyarlılığını hesaba katarak tüm dalga boylarındaki parlaklığı ölçebilen bir araç olan bir fotometre ile kalibre edin. NIST'in fotometrik laboratuvarı onlarca yıldır LED parlaklığı ve fotometrik kalibrasyon hizmetleri sağlayarak sektör taleplerini karşılamaktadır. Bu hizmet, müşterinin LED ve diğer katı hal ışıklarının parlaklığının ölçülmesini ve ayrıca müşterinin kendi fotometresinin kalibre edilmesini içerir. NIST laboratuvarı şimdiye kadar ampul parlaklığını nispeten düşük bir belirsizlikle, %0,5 ile %1,0 arasında bir hatayla ölçüyordu; bu da genel kalibrasyon hizmetleriyle karşılaştırılabilecek düzeydeydi.
Artık laboratuvarın yenilenmesi sayesinde NIST ekibi bu belirsizlikleri üç katına çıkararak %0,2 veya daha düşük bir orana çıkardı. Bu başarı, yeni LED parlaklık ve fotometre kalibrasyon hizmetini dünyanın en iyilerinden biri haline getiriyor. Bilim insanları kalibrasyon süresini de önemli ölçüde kısalttı. Eski sistemlerde müşteriler için kalibrasyon yapmak neredeyse bir gün sürüyordu. NIST araştırmacısı Cameron Miller, işin büyük kısmının her ölçümü ayarlamak, ışık kaynaklarını veya dedektörleri değiştirmek, ikisi arasındaki mesafeyi manuel olarak kontrol etmek ve ardından bir sonraki ölçüm için ekipmanı yeniden yapılandırmak için kullanıldığını belirtti.
Ancak artık laboratuvar, biri ışık kaynağı, diğeri dedektör için olmak üzere iki otomatik ekipman masasından oluşuyor. Masa ray sistemi üzerinde hareket ederek dedektörü ışıktan 0 ila 5 metre uzakta herhangi bir yere yerleştirir. Mesafe, insan saçının genişliğinin yaklaşık yarısı kadar olan bir metrenin (mikrometre) milyonda 50 parçası kadar kontrol edilebilmektedir. Zong ve Miller, sürekli insan müdahalesine gerek kalmadan tabloları birbirine göre hareket edecek şekilde programlayabiliyor. Eskiden bir gün sürüyordu ama artık birkaç saatte tamamlanabiliyor. Artık herhangi bir ekipmanın değiştirilmesi gerekmiyor, her şey burada ve istenildiği zaman kullanılabiliyor, bu da tamamen otomatik olduğu için araştırmacılara aynı anda birçok şeyi yapma konusunda çok fazla özgürlük sağlıyor.
Çalışırken başka işler yapmak için ofise dönebilirsiniz. NIST araştırmacıları, laboratuvarın birkaç ek özellik eklemesiyle müşteri tabanının genişleyeceğini tahmin ediyor. Örneğin, yeni cihaz, genellikle yalnızca üç ila dört renk yakalayan tipik kameralardan çok daha fazla ışık dalga boyunu ölçen hiperspektral kameraları kalibre edebiliyor. Tıbbi görüntülemeden Dünya'nın uydu görüntülerinin analizine kadar hiperspektral kameralar giderek daha popüler hale geliyor. Uzay tabanlı hiperspektral kameralar tarafından Dünya'nın hava durumu ve bitki örtüsü hakkında sağlanan bilgiler, bilim adamlarının kıtlık ve su baskınlarını tahmin etmelerine olanak tanıyor ve topluluklara acil durum ve afet yardımı planlamasında yardımcı olabiliyor. Yeni laboratuvar aynı zamanda araştırmacıların akıllı telefon ekranlarının yanı sıra TV ve bilgisayar ekranlarını da kalibre etmesini daha kolay ve verimli hale getirebilir.

Doğru mesafe
Müşterinin fotometresini kalibre etmek için NIST'teki bilim adamları, dedektörleri aydınlatmak için geniş bantlı ışık kaynakları kullanıyor; bunlar aslında birden fazla dalga boyuna (renklere) sahip beyaz ışıktır ve ölçümler NIST standart fotometreler kullanılarak yapıldığından parlaklığı çok açıktır. Lazerlerden farklı olarak bu tür beyaz ışık tutarsızdır; bu, farklı dalga boylarındaki tüm ışıkların birbiriyle senkronize olmadığı anlamına gelir. İdeal bir senaryoda, en doğru ölçüm için araştırmacılar, kontrol edilebilir dalga boylarına sahip ışık üretmek için ayarlanabilir lazerler kullanacak, böylece dedektöre aynı anda yalnızca bir dalga boyunda ışık ışınlanacak. Ayarlanabilir lazerlerin kullanılması ölçümün sinyal-gürültü oranını artırır.
Ancak geçmişte ayarlanabilir lazerler fotometreleri kalibre etmek için kullanılamıyordu çünkü tek dalga boylu lazerler, kullanılan dalga boyuna bağlı olarak sinyale farklı miktarlarda gürültü ekleyecek şekilde kendi kendilerine müdahale ediyorlardı. Laboratuvar geliştirme çalışmalarının bir parçası olarak Zong, bu gürültüyü göz ardı edilebilir bir düzeye indiren özelleştirilmiş bir fotometre tasarımı yarattı. Bu, fotometreleri küçük belirsizliklerle kalibre etmek için ilk kez ayarlanabilir lazerlerin kullanılmasını mümkün kılar. Yeni tasarımın ek faydası, zarif açıklık artık kapalı cam pencerenin arkasında korunduğu için aydınlatma ekipmanının temizlenmesini kolaylaştırmasıdır. Yoğunluk ölçümü, dedektörün ışık kaynağından ne kadar uzakta olduğuna ilişkin doğru bilgi gerektirir.
Şimdiye kadar, diğer birçok fotometri laboratuvarı gibi, NIST laboratuvarı da bu mesafeyi ölçmek için henüz yüksek hassasiyetli bir yönteme sahip değildi. Bunun nedeni kısmen, ışığın toplandığı dedektörün açıklığının ölçüm cihazı tarafından dokunulamayacak kadar ince olmasıdır. Araştırmacılar için yaygın çözüm, öncelikle ışık kaynağının aydınlığını ölçerek belirli bir alana sahip bir yüzeyi aydınlatmaktır. Daha sonra, bir ışık kaynağının yoğunluğunun mesafe arttıkça katlanarak nasıl azaldığını açıklayan ters kare yasasını kullanarak bu mesafeleri belirlemek için bu bilgiyi kullanın. Bu iki aşamalı ölçümün uygulanması kolay değildir ve ek belirsizlikler ortaya çıkarmaktadır. Yeni sistemle birlikte ekip artık ters kare yöntemini bırakıp mesafeyi doğrudan belirleyebiliyor.
Bu yöntem, mikroskop tabanlı bir kamerayı kullanır; mikroskop ışık kaynağı platformunda bulunur ve dedektör platformundaki konum işaretleyicilerine odaklanır. İkinci mikroskop, dedektör tezgahının üzerinde bulunur ve ışık kaynağı tezgahı üzerindeki konum işaretleyicilerine odaklanır. Dedektörün açıklığını ve ışık kaynağının konumunu ilgili mikroskopların odağına göre ayarlayarak mesafeyi belirleyin. Mikroskoplar odaklanmaya karşı çok hassastır ve birkaç mikrometre öteyi bile tanıyabilir. Yeni mesafe ölçümü aynı zamanda araştırmacıların LED'lerin "gerçek yoğunluğunu" ölçmelerine de olanak tanıyor; bu, LED'lerin yaydığı ışık miktarının mesafeden bağımsız olduğunu gösteren ayrı bir sayıdır.
Bu yeni özelliklere ek olarak NIST bilim insanları, farklı açılardan ne kadar ışık yayıldığını ölçmek için LED ışıkları döndürebilen, gonyometre adı verilen bir cihaz gibi bazı araçları da ekledi. Önümüzdeki aylarda Miller ve Zong, yeni bir hizmet için spektrofotometre kullanmayı umuyor: LED'lerin ultraviyole (UV) çıkışını ölçmek. LED'in ultraviyole ışın üretmek için potansiyel kullanımları arasında gıdanın raf ömrünü uzatmak için ışınlamanın yanı sıra su ve tıbbi ekipmanın dezenfekte edilmesi yer alıyor. Geleneksel olarak ticari ışınlamada cıva buharlı lambaların yaydığı ultraviyole ışık kullanılır.