Pregunta:¿Cuántos científicos de medición se necesitan para atornillar una bombilla LED? Respuesta:Para investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), la mitad que hace unas semanas.

En junio, NIST comenzó a ofrecer un Servicio de calibración más preciso y menos laborioso para evaluar el brillo de las lámparas LED y otros productos de iluminación de estado sólido. Los clientes del servicio incluyen fabricantes de lámparas LED, el ejército de EE. UU. y otros laboratorios de calibración.

Las luces bien calibradas garantizan que la bombilla LED equivalente a 60 vatios en su lámpara de escritorio sea realmente equivalente a 60 vatios, por ejemplo, o que haya una iluminación de pista adecuada para el piloto en un avión de combate.

Los fabricantes de LED deben asegurarse de que las lámparas que fabrican sean realmente tan brillantes como las diseñaron. Para hacer eso, calibran esas lámparas con un fotómetro, una herramienta que mide el brillo en todas las longitudes de onda teniendo en cuenta la sensibilidad natural del ojo humano a los diferentes colores.

Por décadas, El laboratorio de fotometría del NIST ha estado satisfaciendo las necesidades de la industria al ofrecer un servicio de calibración de fotómetro y brillo de LED. El servicio implica medir el brillo de los LED de los clientes y otras lámparas de estado sólido, así como calibrar los fotómetros propios de los clientes. Hasta hace poco, el laboratorio del NIST ha medido el brillo de la lámpara con incertidumbres razonablemente bajas, entre 0.5% y 1.0%, a la par con los servicios de calibración convencionales.

Ahora, gracias a la renovación del laboratorio, el equipo de NIST ha reducido esas incertidumbres en un factor de tres, al 0,2% o menos. El logro hace que el nuevo servicio de calibración de fotómetros y brillo de LED sea uno de los mejores, si no el mejor, del mundo.

"Ahora hemos reducido todas las incertidumbres importantes, ", dijo el investigador del NIST Yuqin Zong.

Los científicos también han reducido significativamente el tiempo de calibración. Con el antiguo sistema, llevó casi un día completo realizar una única calibración para un cliente. La mayor parte se dedicó a configurar cada medición:cambiar una fuente de luz o un detector, comprobar manualmente las distancias entre los dos, y luego reconfigurar el equipo para la siguiente medición, dijo el investigador del NIST Cameron Miller.

Pero ahora, el laboratorio consta de dos mesas de equipos automatizados, uno para las fuentes de luz y el otro para los detectores. Las mesas viajan sobre un sistema de riel que coloca los detectores en cualquier lugar entre 0 y 5 metros de distancia de las lámparas. Las distancias se pueden controlar dentro de las 50 millonésimas de metro (micrómetros), que es aproximadamente la mitad del ancho de un cabello humano.

Zong y Miller pueden programar las mesas para que se muevan entre sí sin necesidad de una intervención humana continua. Lo que solía tomar la mayor parte del día ahora se puede hacer en horas.

"Ya no tengo que cambiar ninguno de los equipos. Todo está bien aquí, todos los instrumentos están en línea, listo para ser utilizado, ", Dijo Miller." Nos da mucha libertad para hacer muchas cosas al mismo tiempo, porque está completamente automatizado. Podríamos estar de regreso en nuestra oficina haciendo otro trabajo mientras está funcionando ".

Los investigadores del NIST dicen que esperan que su base de clientes se expanda, ya que su laboratorio ha agregado varias capacidades adicionales. Por ejemplo, la nueva configuración les permite calibrar cámaras hiperespectrales, que miden muchas más longitudes de onda de luz que las cámaras de video típicas, que generalmente capturan solo tres o cuatro colores. Las cámaras hiperespectrales se están volviendo cada vez más populares para todo, desde imágenes médicas hasta analizar imágenes satelitales de la Tierra. La información que proporcionan las cámaras hiperespectrales basadas en el espacio sobre el clima y la vegetación de nuestro planeta permite a los científicos predecir hambrunas e inundaciones y puede ayudar a las comunidades a planificar la respuesta de emergencia y la ayuda en caso de desastre.

El nuevo laboratorio también permite a los investigadores calibrar de manera más fácil y eficiente las pantallas de los teléfonos inteligentes y los monitores de televisión y computadora.

Ir a la distancia (correcta)

Para calibrar el fotómetro de un cliente, Los científicos del NIST solían iluminar el detector con una fuente de luz de banda ancha, esencialmente una luz blanca que contiene múltiples longitudes de onda (o colores), cuyo brillo se conoce muy bien porque se mide con fotómetros estándar NIST. A diferencia de una luz láser, esta luz blanca es incoherente, lo que significa que todas las diferentes longitudes de onda de la luz están desfasadas entre sí.

Idealmente, para realizar las mediciones más precisas, los investigadores utilizarían luz creada por un láser sintonizable, cuya longitud de onda se puede controlar de modo que solo una única longitud de onda de luz a la vez brille sobre el detector. El uso de un láser sintonizable aumenta la relación señal / ruido de sus mediciones.

Sin embargo, en el pasado, no se puede utilizar un láser sintonizable para calibrar fotómetros, porque la luz láser de longitud de onda única interfiere consigo misma de una manera que agrega diferentes cantidades de ruido a la señal dependiendo de qué longitudes de onda se usaron.

Como parte de sus mejoras de laboratorio, Zong de NIST creó un diseño de fotómetro personalizado que ha minimizado este ruido "hasta el punto en que es insignificante, ", Dijo Miller. Esto ha hecho posible, por primera vez, utilizar un láser sintonizable para la calibración del fotómetro con pequeñas incertidumbres.

El nuevo diseño tiene el beneficio adicional de hacer que el equipo de recolección de luz sea mucho más fácil de limpiar. ya que la delicada abertura ahora está protegida detrás de una ventana de vidrio sellada.

Las mediciones de intensidad requieren saber exactamente qué tan lejos está un detector de una fuente de luz. Y hasta hace poco como la mayoría de los otros laboratorios de fotometría, el laboratorio del NIST no tenía una forma de alta precisión para medir esta distancia. Esto se debe en parte a que la apertura del detector, a través del cual se recoge la luz, es demasiado delicado para ser tocado por equipos de medición.

Una solución común es que los investigadores primero miden la iluminancia de una fuente de luz (la cantidad de luz que emana de una fuente e ilumina una superficie con un área determinada) a múltiples distancias. Próximo, usan esa información para determinar cuáles eran esas distancias usando la ley del cuadrado inverso, que describe cómo la intensidad de una fuente de luz disminuye exponencialmente cuanto más lejos estás de ella. Pero esta medición de dos pasos no es fácil de implementar e introduce incertidumbres adicionales, Dijo Miller.

Con su nuevo sistema, el equipo ahora puede prescindir del método del cuadrado inverso y determinar la distancia directamente.

El método utiliza cámaras basadas en microscopio. Un microscopio se coloca en la mesa de la fuente de luz y se enfoca en un marcador de posición en la mesa del detector. Un segundo microscopio se coloca en la mesa del detector y se enfoca en un marcador de posición en la mesa de la fuente de luz. Las distancias se determinan ajustando las aperturas del detector y la posición de las fuentes de luz a los puntos focales de sus respectivos microscopios.

"Los microscopios son muy sensibles al desenfoque, "Dijo Zong." Unos micrómetros de distancia, y los microscopios te lo dirán. Difuminarán la nitidez de las imágenes ".

Las nuevas mediciones de distancia también han permitido a los investigadores medir la "verdadera intensidad, "un solo número que indica cuánta luz emite el LED independientemente de la distancia.

Un nuevo servicio para nuevos clientes

Además de estas nuevas capacidades, Los científicos del NIST también han agregado instrumentos, como un dispositivo llamado goniofotómetro, lo que les permite girar una lámpara LED para medir cuánta luz se emite en diferentes ángulos. En los próximos meses, Miller y Zong esperan adaptar el goniofotómetro para un nuevo tipo de servicio:medir la salida ultravioleta (UV) de los LED.

Los usos potenciales de los LED que producen rayos UV incluyen la irradiación de productos alimenticios para extender su vida útil, así como esterilización de suministros de agua y equipos médicos.

Tradicionalmente, la irradiación comercial ha utilizado luz ultravioleta emitida por lámparas de vapor de mercurio. Pero en la última década, Las empresas han intentado adaptar los LED para este propósito. El problema es que actualmente ningún laboratorio de calibración es capaz de calibrar estos LED que producen rayos ultravioleta.

NIST está tratando de "adelantarse a la curva" al tener esta capacidad lista para este "crecimiento, campo en evolución, Miller dijo. Los investigadores esperan que el nuevo servicio de calibración LED UV esté listo para fin de año.