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校准一个LED灯要多少测量科学家?LED发出的光量与距离无关!


摘要: 校准一个LED灯泡需要多少测量科学家?对于美国国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员来说,这个数字是几周前的一半。

校准一个LED灯泡需要多少测量科学家?对于美国国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员来说,这个数字是几周前的一半。6月份,NIST开始提供更快、更准确、更省力的校准服务,用于评估LED灯和其他固态照明产品的亮度,这项服务的客户包括LED灯制造商,和其他校准实验室等。例如,校准好的灯可以确保台灯中60瓦当量LED灯泡真正相当于60瓦,或者确保战斗机中的飞行员有适当的跑道照明。

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LED制造商需要确保制造的灯,真的像设计的那样明亮。为了做到这一点,用光度计校准这些灯,光度计是一种工具,可以测量所有波长的亮度,同时考虑到人眼对不同颜色的自然敏感度。几十年来,NIST的光度实验室一直通过提供LED亮度和光度计校准服务来满足行业需求。这项服务涉及测量客户的LED和其他固态灯亮度,以及校准客户自己的光度计。直到现在,NIST实验室一直在以相当低的不确定度测量灯泡亮度,误差在0.5%到1.0%之间,与主流校准服务不相上下。



  现在,多亏了实验室的改造,NIST团队将这些不确定性降低了三倍,降至0.2%或更低。这一成就使新的LED亮度和光度计校准服务成为世界上最好的服务之一。科学家们也大幅缩短了校准时间,在旧的系统中,为客户做一次校准几乎要花一整天的时间。NIST研究员卡梅隆·米勒(Cameron Miller)表示,大部分工作都用于设置每次测量,更换光源或探测器,手动检查两者之间的距离,然后重新配置设备,以便进行下一次测量。


  但现在,实验室由两个自动化设备表组成,一个用于光源,另一个用于探测器。桌子在轨道系统上移动,将探测器放置在距离灯0至5米的任何地方。距离可以控制在一米(微米)的百万分之五十以内,这大约是人类头发宽度的一半。Zong和Miller可以对桌子进行编程,使其在不需要持续人工干预的情况下相对于彼此移动。过去需要一天,现在可以在几个小时内完成。不再需要更换任何设备,一切都在这里,随时可以使用,也给了研究人员很多同时做很多事情的自由,因为它是完全自动化的。


  可以在它运行的时候回到办公室做其他工作。NIST的研究人员表示,预计客户基础将会扩大,因为实验室已经增加了几项额外的功能。例如,新装置能校准高光谱相机,其测量的光波长比通常只捕获三到四种颜色的典型摄像机多得多。从医学成像到分析地球的卫星图像,高光谱相机正变得越来越受欢迎。天基高光谱相机提供的关于地球天气和植被的信息使科学家能够预测饥荒和洪水,并可以帮助社区计划应急和救灾。新实验室还能让研究人员更轻松、更高效地校准智能手机显示器以及电视和计算机显示器。


 正确的距离

  为了校准客户的光度计,NIST的科学家使用宽带光源照亮探测器,这本质上是包含多个波长(颜色)的白光,其亮度非常清楚,因为使用NIST标准光度计进行测量。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彼此不同步。理想情况下,为了进行最精确测量,研究人员将使用可调谐激光器产生的光,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,使用可调谐激光增加了测量的信噪比。


  然而,在过去,可调谐激光器不能用于校准光度计,因为单波长激光以一种方式干扰自身,根据使用的波长向信号添加不同量的噪声。作为实验室改进的一部分,Zong创造了一种定制的光度计设计,将这种噪音降到了“可以忽略不计的程度”。这使得首次使用可调谐激光器进行光度计校准具有小的不确定度成为可能。新设计的额外好处是使采光设备更容易清洁,因为精致的光圈现在被保护在密封的玻璃窗后面。强度测量要求准确地知道探测器离光源有多远。


  直到现在,像大多数其他测光实验室一样,NIST实验室还没有一种高精度的方法来测量这个距离。这在一定程度上是因为探测器的光圈,通过它收集光,太微妙,无法被测量设备触摸。一种常见的解决方法是,研究人员首先测量光源的照度,并用一定的面积照亮一个表面。接下来,使用这些信息来确定这些距离使用平方反比定律,该定律描述了光源的强度是如何随着距离增加而呈指数下降。这种两步测量不容易实施,并引入了额外的不确定性。有了新系统,团队现在可以放弃反平方方法而直接确定距离。


  该方法使用基于显微镜的摄像机,一个显微镜坐在光源台上,聚焦在检测器台上的位置标记上。第二显微镜位于检测器工作台上,并聚焦在光源工作台上的位置标记上。通过调整探测器的孔径和光源到其各自显微镜的焦点的位置来确定距离。显微镜对散焦非常敏感,几微米远,显微镜都能识别。新的距离测量也使研究人员能够测量LED“真实强度”,这是一个单独的数字,表明LED发出的光量与距离无关。


  除了这些新功能,NIST的科学家们还增加了一些仪器,比如一种被称为测角仪的设备,能旋转LED灯来测量在不同角度发射了多少光。在接下来的几个月里,Miller和Zong希望将测角光度计用于一种新型的服务:测量LED的紫外线(UV)输出。产生紫外线的LED潜在用途包括对食品进行辐照以延长其货架期,以及对供水和医疗设备进行消毒,传统上,商业照射使用水银蒸汽灯发出的紫外光。

 
 

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