Quantos cientistas de medição são necessários para calibrar uma lâmpada LED? Para pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), dos Estados Unidos, esse número é metade do que era há algumas semanas. Em junho, o NIST começou a fornecer serviços de calibração mais rápidos, precisos e que economizam trabalho para avaliar o brilho de luzes LED e outros produtos de iluminação de estado sólido. Os clientes deste serviço incluem fabricantes de lâmpadas LED e outros laboratórios de calibração. Por exemplo, uma lâmpada calibrada pode garantir que a lâmpada LED equivalente a 60 watts na lâmpada de mesa seja realmente equivalente a 60 watts, ou garantir que o piloto do caça tenha iluminação de pista adequada.

Os fabricantes de LED precisam garantir que as luzes que fabricam sejam realmente tão brilhantes quanto foram projetadas. Para isso, calibre essas lâmpadas com um fotômetro, que é uma ferramenta que pode medir o brilho em todos os comprimentos de onda, levando em consideração a sensibilidade natural do olho humano às diferentes cores. Durante décadas, o laboratório fotométrico do NIST tem atendido às demandas da indústria, fornecendo brilho de LED e serviços de calibração fotométrica. Este serviço envolve a medição do brilho do LED e de outras luzes de estado sólido do cliente, bem como a calibração do fotômetro do próprio cliente. Até agora, o laboratório NIST tem medido o brilho do bulbo com incerteza relativamente baixa, com um erro entre 0,5% e 1,0%, que é comparável aos serviços de calibração convencionais.
Agora, graças à renovação do laboratório, a equipa do NIST triplicou estas incertezas para 0,2% ou menos. Essa conquista torna o novo serviço de calibração de brilho e fotômetro de LED um dos melhores do mundo. Os cientistas também reduziram significativamente o tempo de calibração. Em sistemas antigos, realizar uma calibração para os clientes demorava quase um dia inteiro. O pesquisador do NIST, Cameron Miller, afirmou que a maior parte do trabalho é usada para configurar cada medição, substituir fontes de luz ou detectores, verificar manualmente a distância entre os dois e depois reconfigurar o equipamento para a próxima medição.
Mas agora o laboratório é composto por duas mesas de equipamentos automatizados, uma para a fonte de luz e outra para o detector. A mesa se move no sistema de trilhos e coloca o detector em qualquer lugar de 0 a 5 metros de distância da luz. A distância pode ser controlada em 50 partes por milhão de um metro (micrômetro), que é aproximadamente metade da largura de um cabelo humano. Zong e Miller podem programar mesas para se moverem umas em relação às outras sem a necessidade de intervenção humana contínua. Costumava levar um dia, mas agora pode ser concluído em algumas horas. Não é mais necessário substituir nenhum equipamento, tudo está aqui e pode ser utilizado a qualquer momento, dando aos pesquisadores muita liberdade para fazer muitas coisas ao mesmo tempo, pois é totalmente automatizado.
Você pode retornar ao escritório para realizar outros trabalhos enquanto ele estiver em funcionamento. Os pesquisadores do NIST prevêem que a base de clientes se expandirá à medida que o laboratório adicionar vários recursos adicionais. Por exemplo, o novo dispositivo pode calibrar câmeras hiperespectrais, que medem muito mais comprimento de onda de luz do que câmeras típicas que normalmente capturam apenas três a quatro cores. Desde imagens médicas até a análise de imagens de satélite da Terra, as câmeras hiperespectrais estão se tornando cada vez mais populares. As informações fornecidas pelas câmaras hiperespectrais baseadas no espaço sobre o clima e a vegetação da Terra permitem aos cientistas prever fomes e inundações e podem ajudar as comunidades a planear emergências e ajuda em caso de catástrofe. O novo laboratório também pode tornar mais fácil e eficiente para os pesquisadores calibrar telas de smartphones, bem como telas de TV e computadores.

Distância correta
Para calibrar o fotômetro do cliente, os cientistas do NIST usam fontes de luz de banda larga para iluminar os detectores, que são essencialmente luz branca com múltiplos comprimentos de onda (cores), e seu brilho é muito claro porque as medições são feitas usando fotômetros padrão do NIST. Ao contrário dos lasers, este tipo de luz branca é incoerente, o que significa que todas as luzes de diferentes comprimentos de onda não estão sincronizadas entre si. Em um cenário ideal, para medições mais precisas, os pesquisadores usarão lasers sintonizáveis ​​para gerar luz com comprimentos de onda controláveis, de modo que apenas um comprimento de onda de luz seja irradiado no detector por vez. O uso de lasers sintonizáveis ​​aumenta a relação sinal-ruído da medição.
No entanto, no passado, os lasers sintonizáveis ​​não podiam ser usados ​​para calibrar fotômetros porque os lasers de comprimento de onda único interferiam entre si de uma forma que adicionava diferentes quantidades de ruído ao sinal com base no comprimento de onda utilizado. Como parte da melhoria do laboratório, Zong criou um design de fotômetro personalizado que reduz esse ruído a um nível insignificante. Isso torna possível usar pela primeira vez lasers sintonizáveis ​​para calibrar fotômetros com pequenas incertezas. O benefício adicional do novo design é que ele torna o equipamento de iluminação mais fácil de limpar, já que a excelente abertura está agora protegida atrás da janela de vidro selada. A medição de intensidade requer um conhecimento preciso da distância entre o detector e a fonte de luz.
Até agora, como a maioria dos outros laboratórios de fotometria, o laboratório NIST ainda não possui um método de alta precisão para medir esta distância. Isto ocorre em parte porque a abertura do detector, através da qual a luz é coletada, é muito sutil para ser tocada pelo dispositivo de medição. Uma solução comum é os pesquisadores primeiro medirem a iluminância da fonte de luz e iluminarem uma superfície com uma determinada área. A seguir, use essas informações para determinar essas distâncias usando a lei do inverso do quadrado, que descreve como a intensidade de uma fonte de luz diminui exponencialmente com o aumento da distância. Esta medição em duas etapas não é fácil de implementar e introduz incerteza adicional. Com o novo sistema, a equipe agora pode abandonar o método do inverso do quadrado e determinar diretamente a distância.
Este método usa uma câmera baseada em microscópio, com um microscópio colocado no estágio da fonte de luz e focando nos marcadores de posição no estágio do detector. O segundo microscópio está localizado na bancada do detector e foca nos marcadores de posição na bancada da fonte de luz. Determine a distância ajustando a abertura do detector e a posição da fonte de luz ao foco dos seus respectivos microscópios. Os microscópios são muito sensíveis à desfocagem e podem reconhecer até alguns micrômetros de distância. A nova medição de distância também permite aos pesquisadores medir a “verdadeira intensidade” dos LEDs, que é um número separado que indica que a quantidade de luz emitida pelos LEDs é independente da distância.
Além desses novos recursos, os cientistas do NIST também adicionaram alguns instrumentos, como um dispositivo chamado goniômetro, que pode girar luzes LED para medir a quantidade de luz emitida em diferentes ângulos. Nos próximos meses, Miller e Zong esperam usar um espectrofotômetro para um novo serviço: medir a emissão ultravioleta (UV) de LEDs. Os usos potenciais do LED para a geração de raios ultravioleta incluem a irradiação de alimentos para prolongar sua vida útil, bem como a desinfecção de água e equipamentos médicos. Tradicionalmente, a irradiação comercial utiliza a luz ultravioleta emitida por lâmpadas de vapor de mercúrio.