Cần bao nhiêu nhà khoa học đo lường để hiệu chỉnh một bóng đèn LED? Đối với các nhà nghiên cứu tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) ở Hoa Kỳ, con số này chỉ bằng một nửa so với vài tuần trước. Vào tháng 6, NIST đã bắt đầu cung cấp các dịch vụ hiệu chuẩn nhanh hơn, chính xác hơn và tiết kiệm nhân công hơn để đánh giá độ sáng của đèn LED và các sản phẩm chiếu sáng thể rắn khác. Khách hàng của dịch vụ này bao gồm các nhà sản xuất đèn LED và các phòng thí nghiệm hiệu chuẩn khác. Ví dụ: một đèn được hiệu chỉnh có thể đảm bảo rằng bóng đèn LED tương đương 60 watt trong đèn bàn thực sự tương đương với 60 watt hoặc đảm bảo rằng phi công trên máy bay chiến đấu có ánh sáng đường băng thích hợp.

Các nhà sản xuất đèn LED cần đảm bảo rằng đèn họ sản xuất thực sự sáng như thiết kế. Để đạt được điều này, hãy hiệu chỉnh các đèn này bằng quang kế, đây là công cụ có thể đo độ sáng ở mọi bước sóng đồng thời tính đến độ nhạy tự nhiên của mắt người với các màu khác nhau. Trong nhiều thập kỷ, phòng thí nghiệm trắc quang của NIST đã đáp ứng nhu cầu của ngành bằng cách cung cấp các dịch vụ hiệu chỉnh độ sáng và trắc quang của đèn LED. Dịch vụ này bao gồm việc đo độ sáng của đèn LED và các đèn trạng thái rắn khác của khách hàng, cũng như hiệu chỉnh quang kế của chính khách hàng. Cho đến nay, phòng thí nghiệm của NIST đã đo độ sáng của bóng đèn với độ không đảm bảo tương đối thấp, với sai số từ 0,5% đến 1,0%, tương đương với các dịch vụ hiệu chuẩn thông thường.
Giờ đây, nhờ cải tạo phòng thí nghiệm, nhóm NIST đã tăng gấp ba lần độ không đảm bảo đo này lên 0,2% hoặc thấp hơn. Thành tựu này làm cho dịch vụ hiệu chỉnh độ sáng và quang kế LED mới trở thành một trong những dịch vụ tốt nhất trên thế giới. Các nhà khoa học cũng đã rút ngắn đáng kể thời gian hiệu chuẩn. Trong các hệ thống cũ, việc hiệu chuẩn cho khách hàng sẽ mất gần như cả ngày. Nhà nghiên cứu Cameron Miller của NIST cho biết hầu hết công việc được sử dụng để thiết lập từng phép đo, thay thế nguồn sáng hoặc máy dò, kiểm tra khoảng cách giữa hai nguồn sáng hoặc máy dò theo cách thủ công, sau đó cấu hình lại thiết bị cho phép đo tiếp theo.
Nhưng hiện nay, phòng thí nghiệm bao gồm hai bàn thiết bị tự động, một dành cho nguồn sáng và một dành cho máy dò. Bàn di chuyển trên hệ thống đường ray và đặt máy dò ở bất kỳ đâu cách xa ánh sáng từ 0 đến 5 mét. Khoảng cách có thể được kiểm soát trong phạm vi 50 phần triệu của một mét (micromet), xấp xỉ một nửa chiều rộng của sợi tóc con người. Zong và Miller có thể lập trình các bảng di chuyển tương đối với nhau mà không cần sự can thiệp liên tục của con người. Trước đây việc này mất một ngày nhưng bây giờ có thể hoàn thành trong vòng vài giờ. Không còn cần phải thay thế bất kỳ thiết bị nào, mọi thứ đều có ở đây và có thể sử dụng bất cứ lúc nào, giúp các nhà nghiên cứu có thể tự do làm nhiều việc cùng lúc vì nó hoàn toàn tự động.
Bạn có thể quay lại văn phòng để làm công việc khác trong khi nó đang chạy. Các nhà nghiên cứu của NIST dự đoán rằng cơ sở khách hàng sẽ mở rộng khi phòng thí nghiệm bổ sung thêm một số tính năng. Ví dụ, thiết bị mới có thể hiệu chỉnh máy ảnh siêu phổ, đo bước sóng ánh sáng nhiều hơn so với máy ảnh thông thường thường chỉ chụp được 3 đến 4 màu. Từ hình ảnh y tế đến phân tích hình ảnh vệ tinh của Trái đất, camera siêu phổ đang ngày càng trở nên phổ biến. Thông tin được cung cấp bởi các camera siêu phổ đặt trên không gian về thời tiết và thảm thực vật trên Trái đất cho phép các nhà khoa học dự đoán nạn đói và lũ lụt, đồng thời có thể hỗ trợ cộng đồng lập kế hoạch cứu trợ khẩn cấp và thiên tai. Phòng thí nghiệm mới cũng có thể giúp các nhà nghiên cứu hiệu chỉnh màn hình điện thoại thông minh, cũng như màn hình TV và máy tính dễ dàng và hiệu quả hơn.

Khoảng cách chính xác
Để hiệu chỉnh quang kế của khách hàng, Các nhà khoa học tại NIST sử dụng nguồn ánh sáng băng thông rộng để chiếu sáng máy dò, về cơ bản là ánh sáng trắng có nhiều bước sóng (màu sắc) và độ sáng của nó rất rõ ràng vì các phép đo được thực hiện bằng quang kế tiêu chuẩn NIST. Không giống như laser, loại ánh sáng trắng này không kết hợp, có nghĩa là tất cả ánh sáng có bước sóng khác nhau không được đồng bộ hóa với nhau. Trong một kịch bản lý tưởng, để có phép đo chính xác nhất, các nhà nghiên cứu sẽ sử dụng tia laser có thể điều chỉnh để tạo ra ánh sáng có bước sóng có thể kiểm soát được, sao cho mỗi lần chỉ có một bước sóng ánh sáng được chiếu lên máy dò. Việc sử dụng tia laser có thể điều chỉnh làm tăng tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm của phép đo.
Tuy nhiên, trước đây, không thể sử dụng tia laser điều chỉnh được để hiệu chỉnh quang kế vì các tia laser bước sóng đơn tự giao thoa với nhau theo cách tạo thêm lượng nhiễu khác nhau cho tín hiệu dựa trên bước sóng được sử dụng. Là một phần trong quá trình cải tiến phòng thí nghiệm, Zong đã tạo ra một thiết kế quang kế tùy chỉnh giúp giảm tiếng ồn này xuống mức không đáng kể. Điều này giúp lần đầu tiên có thể sử dụng tia laser có thể điều chỉnh để hiệu chỉnh quang kế có độ không đảm bảo nhỏ. Lợi ích bổ sung của thiết kế mới là nó giúp làm sạch thiết bị chiếu sáng dễ dàng hơn vì khẩu độ tinh tế giờ đây được bảo vệ phía sau cửa sổ kính kín. Đo cường độ đòi hỏi kiến ​​thức chính xác về khoảng cách giữa máy dò và nguồn sáng.
Cho đến nay, giống như hầu hết các phòng thí nghiệm trắc quang khác, phòng thí nghiệm của NIST vẫn chưa có phương pháp có độ chính xác cao để đo khoảng cách này. Điều này một phần là do khẩu độ của máy dò, qua đó ánh sáng được thu thập, quá nhỏ để thiết bị đo có thể chạm tới. Một giải pháp phổ biến là trước tiên các nhà nghiên cứu đo độ rọi của nguồn sáng và chiếu sáng một bề mặt có diện tích nhất định. Tiếp theo, sử dụng thông tin này để xác định những khoảng cách này bằng cách sử dụng định luật bình phương nghịch đảo, mô tả cường độ của nguồn sáng giảm theo cấp số nhân khi khoảng cách ngày càng tăng. Phép đo hai bước này không dễ thực hiện và gây ra độ không đảm bảo bổ sung. Với hệ thống mới, giờ đây nhóm có thể loại bỏ phương pháp bình phương nghịch đảo và trực tiếp xác định khoảng cách.
Phương pháp này sử dụng camera dựa trên kính hiển vi, với kính hiển vi đặt trên tầng nguồn sáng và tập trung vào các điểm đánh dấu vị trí trên tầng dò. Kính hiển vi thứ hai được đặt trên bàn làm việc của máy dò và tập trung vào các điểm đánh dấu vị trí trên bàn làm việc của nguồn sáng. Xác định khoảng cách bằng cách điều chỉnh khẩu độ của máy dò và vị trí của nguồn sáng đến tiêu điểm của kính hiển vi tương ứng. Kính hiển vi rất nhạy cảm với hiện tượng mất nét và có thể nhận ra ngay cả ở khoảng cách vài micromet. Phép đo khoảng cách mới cũng cho phép các nhà nghiên cứu đo “cường độ thực” của đèn LED, đây là một con số riêng biệt cho biết lượng ánh sáng phát ra từ đèn LED không phụ thuộc vào khoảng cách.
Ngoài những tính năng mới này, các nhà khoa học của NIST còn bổ sung thêm một số dụng cụ, chẳng hạn như một thiết bị gọi là máy đo góc có thể xoay đèn LED để đo lượng ánh sáng phát ra ở các góc khác nhau. Trong những tháng tới, Miller và Zong hy vọng sẽ sử dụng máy quang phổ cho một dịch vụ mới: đo đầu ra tia cực tím (UV) của đèn LED. Các ứng dụng tiềm năng của đèn LED để tạo ra tia cực tím bao gồm chiếu xạ thực phẩm để kéo dài thời hạn sử dụng cũng như khử trùng nước và thiết bị y tế. Theo truyền thống, chiếu xạ thương mại sử dụng ánh sáng cực tím phát ra từ đèn hơi thủy ngân.