校準(zhǔn)一個(gè)LED燈要多少測量科學(xué)家？LED發(fā)出的光量與距離無關(guān)！

　　校準(zhǔn)一個(gè)LED燈泡需要多少測量科學(xué)家?對于美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)的研究人員來說，這個(gè)數(shù)字是幾周前的一半。6月份，NIST開始提供更快、更準(zhǔn)確、更省力的校準(zhǔn)服務(wù)，用于評估LED燈和其他固態(tài)照明產(chǎn)品的亮度，這項(xiàng)服務(wù)的客戶包括LED燈制造商，和其他校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室等。例如，校準(zhǔn)好的燈可以確保臺(tái)燈中60瓦當(dāng)量LED燈泡真正相當(dāng)于60瓦，或者確保戰(zhàn)斗機(jī)中的飛行員有適當(dāng)?shù)呐艿勒彰鳌?/p>

　　LED制造商需要確保制造的燈，真的像設(shè)計(jì)的那樣明亮。為了做到這一點(diǎn)，用光度計(jì)校準(zhǔn)這些燈，光度計(jì)是一種工具，可以測量所有波長的亮度，同時(shí)考慮到人眼對不同顏色的自然敏感度。幾十年來，NIST的光度實(shí)驗(yàn)室一直通過提供LED亮度和光度計(jì)校準(zhǔn)服務(wù)來滿足行業(yè)需求。這項(xiàng)服務(wù)涉及測量客戶的LED和其他固態(tài)燈亮度，以及校準(zhǔn)客戶自己的光度計(jì)。直到現(xiàn)在，NIST實(shí)驗(yàn)室一直在以相當(dāng)?shù)偷牟淮_定度測量燈泡亮度，誤差在0.5%到1.0%之間，與主流校準(zhǔn)服務(wù)不相上下。

　　現(xiàn)在，多虧了實(shí)驗(yàn)室的改造，NIST團(tuán)隊(duì)將這些不確定性降低了三倍，降至0.2%或更低。這一成就使新的LED亮度和光度計(jì)校準(zhǔn)服務(wù)成為世界上最好的服務(wù)之一。科學(xué)家們也大幅縮短了校準(zhǔn)時(shí)間，在舊的系統(tǒng)中，為客戶做一次校準(zhǔn)幾乎要花一整天的時(shí)間。NIST研究員卡梅隆·米勒(Cameron Miller)表示，大部分工作都用于設(shè)置每次測量，更換光源或探測器，手動(dòng)檢查兩者之間的距離，然后重新配置設(shè)備，以便進(jìn)行下一次測量。

　　但現(xiàn)在，實(shí)驗(yàn)室由兩個(gè)自動(dòng)化設(shè)備表組成，一個(gè)用于光源，另一個(gè)用于探測器。桌子在軌道系統(tǒng)上移動(dòng)，將探測器放置在距離燈0至5米的任何地方。距離可以控制在一米(微米)的百萬分之五十以內(nèi)，這大約是人類頭發(fā)寬度的一半。Zong和Miller可以對桌子進(jìn)行編程，使其在不需要持續(xù)人工干預(yù)的情況下相對于彼此移動(dòng)。過去需要一天，現(xiàn)在可以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)完成。不再需要更換任何設(shè)備，一切都在這里，隨時(shí)可以使用，也給了研究人員很多同時(shí)做很多事情的自由，因?yàn)樗峭耆詣?dòng)化的。

　　可以在它運(yùn)行的時(shí)候回到辦公室做其他工作。NIST的研究人員表示，預(yù)計(jì)客戶基礎(chǔ)將會(huì)擴(kuò)大，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室已經(jīng)增加了幾項(xiàng)額外的功能。例如，新裝置能校準(zhǔn)高光譜相機(jī)，其測量的光波長比通常只捕獲三到四種顏色的典型攝像機(jī)多得多。從醫(yī)學(xué)成像到分析地球的衛(wèi)星圖像，高光譜相機(jī)正變得越來越受歡迎。天基高光譜相機(jī)提供的關(guān)于地球天氣和植被的信息使科學(xué)家能夠預(yù)測饑荒和洪水，并可以幫助社區(qū)計(jì)劃應(yīng)急和救災(zāi)。新實(shí)驗(yàn)室還能讓研究人員更輕松、更高效地校準(zhǔn)智能手機(jī)顯示器以及電視和計(jì)算機(jī)顯示器。

　　正確的距離

　　為了校準(zhǔn)客戶的光度計(jì)，NIST的科學(xué)家使用寬帶光源照亮探測器，這本質(zhì)上是包含多個(gè)波長(顏色)的白光，其亮度非常清楚，因?yàn)槭褂肗IST標(biāo)準(zhǔn)光度計(jì)進(jìn)行測量。與激光不同，這種白光是不相干的，這意味著所有不同波長的光彼此不同步。理想情況下，為了進(jìn)行最精確測量，研究人員將使用可調(diào)諧激光器產(chǎn)生的光，其波長可以控制，以便一次只有一個(gè)波長的光照射到探測器上，使用可調(diào)諧激光增加了測量的信噪比。

　　然而，在過去，可調(diào)諧激光器不能用于校準(zhǔn)光度計(jì)，因?yàn)閱尾ㄩL激光以一種方式干擾自身，根據(jù)使用的波長向信號(hào)添加不同量的噪聲。作為實(shí)驗(yàn)室改進(jìn)的一部分，Zong創(chuàng)造了一種定制的光度計(jì)設(shè)計(jì)，將這種噪音降到了“可以忽略不計(jì)的程度”。這使得首次使用可調(diào)諧激光器進(jìn)行光度計(jì)校準(zhǔn)具有小的不確定度成為可能。新設(shè)計(jì)的額外好處是使采光設(shè)備更容易清潔，因?yàn)榫碌墓馊ΜF(xiàn)在被保護(hù)在密封的玻璃窗后面。強(qiáng)度測量要求準(zhǔn)確地知道探測器離光源有多遠(yuǎn)。

　　直到現(xiàn)在，像大多數(shù)其他測光實(shí)驗(yàn)室一樣，NIST實(shí)驗(yàn)室還沒有一種高精度的方法來測量這個(gè)距離。這在一定程度上是因?yàn)樘綔y器的光圈，通過它收集光，太微妙，無法被測量設(shè)備觸摸。一種常見的解決方法是，研究人員首先測量光源的照度，并用一定的面積照亮一個(gè)表面。接下來，使用這些信息來確定這些距離使用平方反比定律，該定律描述了光源的強(qiáng)度是如何隨著距離增加而呈指數(shù)下降。這種兩步測量不容易實(shí)施，并引入了額外的不確定性。有了新系統(tǒng)，團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在可以放棄反平方方法而直接確定距離。

　　該方法使用基于顯微鏡的攝像機(jī)，一個(gè)顯微鏡坐在光源臺(tái)上，聚焦在檢測器臺(tái)上的位置標(biāo)記上。第二顯微鏡位于檢測器工作臺(tái)上，并聚焦在光源工作臺(tái)上的位置標(biāo)記上。通過調(diào)整探測器的孔徑和光源到其各自顯微鏡的焦點(diǎn)的位置來確定距離。顯微鏡對散焦非常敏感，幾微米遠(yuǎn)，顯微鏡都能識(shí)別。新的距離測量也使研究人員能夠測量LED“真實(shí)強(qiáng)度”，這是一個(gè)單獨(dú)的數(shù)字，表明LED發(fā)出的光量與距離無關(guān)。

　　除了這些新功能，NIST的科學(xué)家們還增加了一些儀器，比如一種被稱為測角儀的設(shè)備，能旋轉(zhuǎn)LED燈來測量在不同角度發(fā)射了多少光。在接下來的幾個(gè)月里，Miller和Zong希望將測角光度計(jì)用于一種新型的服務(wù)：測量LED的紫外線(UV)輸出。產(chǎn)生紫外線的LED潛在用途包括對食品進(jìn)行輻照以延長其貨架期，以及對供水和醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行消毒，傳統(tǒng)上，商業(yè)照射使用水銀蒸汽燈發(fā)出的紫外光。