Quanti esperti di misurazione sono necessari per calibrare una lampadina a LED? Per i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) negli Stati Uniti, questo numero è la metà di quello di poche settimane fa. A giugno, il NIST ha iniziato a fornire servizi di calibrazione più rapidi, più accurati e che consentono di risparmiare manodopera per valutare la luminosità delle luci a LED e di altri prodotti di illuminazione a stato solido. I clienti di questo servizio includono produttori di luci a LED e altri laboratori di calibrazione. Ad esempio, una lampada calibrata può garantire che la lampadina LED da 60 watt equivalente nella lampada da tavolo sia realmente equivalente a 60 watt, o garantire che il pilota dell'aereo da caccia disponga di un'illuminazione adeguata della pista.

I produttori di LED devono garantire che le luci che producono siano realmente luminose quanto sono state progettate. Per raggiungere questo obiettivo, calibrare queste lampade con un fotometro, che è uno strumento in grado di misurare la luminosità a tutte le lunghezze d'onda tenendo conto della sensibilità naturale dell'occhio umano ai diversi colori. Per decenni, il laboratorio fotometrico del NIST ha soddisfatto le richieste del settore fornendo servizi di luminosità dei LED e calibrazione fotometrica. Questo servizio prevede la misurazione della luminosità dei LED e di altre luci a stato solido del cliente, nonché la calibrazione del fotometro del cliente. Fino ad ora, il laboratorio NIST ha misurato la luminosità della lampadina con un’incertezza relativamente bassa, con un errore compreso tra 0,5% e 1,0%, paragonabile ai tradizionali servizi di calibrazione.
Ora, grazie alla ristrutturazione del laboratorio, il team del NIST ha triplicato queste incertezze portandole allo 0,2% o meno. Questo risultato rende il nuovo servizio di calibrazione della luminosità dei LED e del fotometro uno dei migliori al mondo. Gli scienziati hanno anche ridotto significativamente il tempo di calibrazione. Nei vecchi sistemi, eseguire una calibrazione per i clienti richiedeva quasi un'intera giornata. Il ricercatore del NIST Cameron Miller ha affermato che la maggior parte del lavoro viene utilizzata per impostare ciascuna misurazione, sostituire le sorgenti luminose o i rilevatori, controllare manualmente la distanza tra i due e quindi riconfigurare l'attrezzatura per la misurazione successiva.
Ma ora il laboratorio è composto da due tavoli automatizzati, uno per la sorgente luminosa e l'altro per il rilevatore. Il tavolo si sposta sul sistema di binari e posiziona il rilevatore ovunque da 0 a 5 metri di distanza dalla luce. La distanza può essere controllata entro 50 parti per milione di un metro (micrometro), ovvero circa la metà della larghezza dei capelli umani. Zong e Miller possono programmare i tavoli in modo che si spostino l'uno rispetto all'altro senza la necessità di un intervento umano continuo. Prima richiedeva un giorno, ma ora può essere completato in poche ore. Non è più necessario sostituire alcuna attrezzatura, tutto è qui e può essere utilizzato in qualsiasi momento, dando ai ricercatori molta libertà di fare molte cose contemporaneamente perché è completamente automatizzato.
Puoi tornare in ufficio per svolgere altro lavoro mentre è in funzione. I ricercatori del NIST prevedono che la base di clienti si espanderà poiché il laboratorio avrà aggiunto diverse funzionalità aggiuntive. Ad esempio, il nuovo dispositivo può calibrare le telecamere iperspettrali, che misurano una lunghezza d’onda della luce molto maggiore rispetto alle telecamere tipiche che in genere catturano solo tre o quattro colori. Dall'imaging medico all'analisi delle immagini satellitari della Terra, le telecamere iperspettrali stanno diventando sempre più popolari. Le informazioni fornite dalle telecamere iperspettrali spaziali sul clima e sulla vegetazione della Terra consentono agli scienziati di prevedere carestie e inondazioni e possono assistere le comunità nella pianificazione delle emergenze e dei soccorsi in caso di calamità. Il nuovo laboratorio può anche rendere più semplice ed efficiente per i ricercatori la calibrazione dei display degli smartphone, nonché dei display di TV e computer.

Distanza corretta
Per calibrare il fotometro del cliente, gli scienziati del NIST utilizzano sorgenti luminose a banda larga per illuminare i rilevatori, che sono essenzialmente luce bianca con più lunghezze d'onda (colori) e la sua luminosità è molto chiara perché le misurazioni vengono effettuate utilizzando fotometri standard NIST. A differenza dei laser, questo tipo di luce bianca è incoerente, il che significa che tutta la luce di diverse lunghezze d’onda non è sincronizzata tra loro. In uno scenario ideale, per una misurazione più accurata, i ricercatori utilizzeranno laser sintonizzabili per generare luce con lunghezze d'onda controllabili, in modo che sul rilevatore venga irradiata solo una lunghezza d'onda della luce alla volta. L'uso di laser sintonizzabili aumenta il rapporto segnale-rumore della misurazione.
Tuttavia, in passato, i laser sintonizzabili non potevano essere utilizzati per calibrare i fotometri perché i laser a lunghezza d'onda singola interferivano con se stessi in un modo che aggiungeva quantità diverse di rumore al segnale in base alla lunghezza d'onda utilizzata. Nell'ambito del miglioramento del laboratorio, Zong ha creato un fotometro personalizzato che riduce questo rumore a un livello trascurabile. Ciò rende possibile utilizzare per la prima volta laser sintonizzabili per calibrare i fotometri con piccole incertezze. L'ulteriore vantaggio del nuovo design è che rende più facile la pulizia degli apparecchi di illuminazione, poiché la raffinata apertura è ora protetta dietro la finestra di vetro sigillata. La misurazione dell'intensità richiede una conoscenza accurata della distanza del rilevatore dalla sorgente luminosa.
Fino ad ora, come la maggior parte degli altri laboratori di fotometria, il laboratorio NIST non dispone ancora di un metodo ad alta precisione per misurare questa distanza. Ciò è in parte dovuto al fatto che l'apertura del rilevatore, attraverso la quale viene raccolta la luce, è troppo sottile per essere toccata dal dispositivo di misurazione. Una soluzione comune è che i ricercatori misurino prima l’illuminamento della sorgente luminosa e illuminino una superficie con una determinata area. Successivamente, utilizza queste informazioni per determinare queste distanze utilizzando la legge dell'inverso del quadrato, che descrive come l'intensità di una sorgente luminosa diminuisce esponenzialmente con l'aumentare della distanza. Questa misurazione in due fasi non è facile da implementare e introduce ulteriore incertezza. Con il nuovo sistema, la squadra può ora abbandonare il metodo del quadrato inverso e determinare direttamente la distanza.
Questo metodo utilizza una fotocamera basata su microscopio, con un microscopio posizionato sul piano della sorgente luminosa e focalizzato sugli indicatori di posizione sul piano del rilevatore. Il secondo microscopio è posizionato sul banco di lavoro del rilevatore e si concentra sugli indicatori di posizione sul banco di lavoro della sorgente luminosa. Determinare la distanza regolando l'apertura del rilevatore e la posizione della sorgente luminosa rispetto al fuoco dei rispettivi microscopi. I microscopi sono molto sensibili alla sfocatura e riescono a riconoscere anche a pochi micrometri di distanza. La nuova misurazione della distanza consente inoltre ai ricercatori di misurare la “vera intensità” dei LED, che è un numero separato che indica che la quantità di luce emessa dai LED è indipendente dalla distanza.
Oltre a queste nuove funzionalità, gli scienziati del NIST hanno anche aggiunto alcuni strumenti, come un dispositivo chiamato goniometro in grado di ruotare le luci a LED per misurare la quantità di luce emessa da diverse angolazioni. Nei prossimi mesi, Miller e Zong sperano di utilizzare uno spettrofotometro per un nuovo servizio: misurare l’emissione ultravioletta (UV) dei LED. I potenziali usi dei LED per la generazione di raggi ultravioletti includono l’irradiazione degli alimenti per prolungarne la durata di conservazione, nonché la disinfezione dell’acqua e delle attrezzature mediche. Tradizionalmente, l'irradiazione commerciale utilizza la luce ultravioletta emessa dalle lampade ai vapori di mercurio.