LED 電球を校正するには何人の測定科学者が必要ですか?米国国立標準技術研究所 (NIST) の研究者にとって、この数は数週間前の半分です。 NISTは6月、LEDライトやその他の固体照明製品の輝度を評価するための、より迅速で正確、かつ省力的な校正サービスの提供を開始しました。このサービスの顧客には、LED 照明メーカーやその他の校正機関が含まれます。たとえば、校正されたランプを使用すると、電気スタンドの 60 ワット相当の LED 電球が実際に 60 ワットに相当することを確認したり、戦闘機のパイロットが適切な滑走路照明を備えていることを確認したりできます。

LED メーカーは、製造する照明が本当に設計どおりに明るいことを確認する必要があります。これを実現するには、光度計を使用してこれらのランプを校正します。光度計は、さまざまな色に対する人間の目の自然な感度を考慮しながら、すべての波長で明るさを測定できるツールです。 NIST の測光研究所は、数十年にわたり、LED の輝度と測光校正サービスを提供することで業界の需要に応えてきました。このサービスには、お客様の LED およびその他の固体照明の明るさの測定と、お客様自身の測光器の校正が含まれます。これまで、NIST 研究所は、主流の校正サービスと同等の 0.5% ～ 1.0% の誤差という比較的低い不確実性で電球の明るさを測定してきました。
現在、研究室の改修のおかげで、NIST チームはこれらの不確実性を 3 倍にして 0.2% 以下にしました。この成果により、新しい LED 輝度および光度計の校正サービスは世界最高のサービスの 1 つとなります。科学者は校正時間も大幅に短縮しました。古いシステムでは、顧客のために校正を実行するのにほぼ丸一日かかっていました。 NISTの研究者キャメロン・ミラー氏は、作業のほとんどは各測定のセットアップ、光源や検出器の交換、両者間の距離の手動確認、そして次の測定に備えた機器の再構成に費やされると述べた。
しかし現在、研究室は 2 つの自動機器テーブルで構成されており、1 つは光源用、もう 1 つは検出器用です。テーブルはトラックシステム上を移動し、光から 0 ～ 5 メートル離れた場所に検出器を配置します。この距離は、人間の髪の毛の幅の約半分である1メートル（マイクロメートル）の50ppm以内で制御できます。 Zong と Miller は、継続的な人間の介入を必要とせずに、テーブルが相互に相対的に移動するようにプログラムできます。以前は 1 日かかっていましたが、今では数時間で完了します。機器を交換する必要はなくなり、すべてがここにあり、いつでも使用できるため、完全に自動化されているため、研究者は多くのことを同時に行うことができる大きな自由が得られます。
オフィスの稼働中にオフィスに戻って他の作業を行うことができます。 NIST 研究者らは、研究所がいくつかの追加機能を追加したため、顧客ベースが拡大すると予測しています。たとえば、新しいデバイスはハイパースペクトル カメラを校正できます。ハイパースペクトル カメラは、通常 3 ～ 4 色しかキャプチャしない一般的なカメラよりもはるかに多くの光の波長を測定します。医療画像から地球の衛星画像の分析に至るまで、ハイパースペクトル カメラの人気はますます高まっています。宇宙ベースのハイパースペクトル カメラによって提供される地球の天気や植生に関する情報により、科学者は飢餓や洪水を予測できるようになり、地域社会が緊急時や災害救援を計画する際に役立ちます。新しい研究室により、研究者はテレビやコンピュータのディスプレイだけでなく、スマートフォンのディスプレイもより簡単かつ効率的に調整できるようになります。

正しい距離
顧客の光度計を校正するために、NIST の科学者は広帯域光源を使用して検出器を照射します。この光は基本的に複数の波長 (色) を持つ白色光であり、測定は NIST 標準の光度計を使用して行われるため、その明るさは非常に明確です。レーザーとは異なり、このタイプの白色光はインコヒーレントです。これは、異なる波長のすべての光が互いに同期していないことを意味します。理想的なシナリオでは、最も正確な測定を行うために、研究者は調整可能なレーザーを使用して制御可能な波長の光を生成し、一度に 1 つの波長の光のみが検出器に照射されるようにします。調整可能なレーザーを使用すると、測定の信号対雑音比が向上します。
しかし、これまでは、単一波長レーザーが干渉して、使用される波長に基づいて信号に異なる量のノイズを加えるため、同調レーザーを光度計の校正に使用することはできませんでした。研究室の改善の一環として、Zong 氏はこのノイズを無視できるレベルまで低減するカスタマイズされた光度計の設計を作成しました。これにより、波長可変レーザーを初めて使用して、小さな不確実性で光度計を校正することが可能になります。新しい設計のさらなる利点は、絶妙な開口部が密閉されたガラス窓の後ろで保護されるため、照明器具の掃除が容易になることです。強度測定には、検出器が光源からどのくらい離れているかについての正確な知識が必要です。
これまでのところ、他のほとんどの測光研究所と同様に、NIST 研究所もこの距離を測定する高精度の方法をまだ持っていません。これは、光が収集される検出器の開口部が、測定装置が触れることができないほど微細であるためでもあります。一般的な解決策は、研究者が最初に光源の照度を測定し、特定の領域の表面を照らすことです。次に、この情報を使用して、逆二乗則を使用してこれらの距離を決定します。これは、距離の増加に伴って光源の強度が指数関数的にどのように減少するかを説明します。この 2 段階の測定は実装が容易ではなく、さらなる不確実性をもたらします。新しいシステムにより、チームは逆二乗法を放棄し、距離を直接決定できるようになりました。
この方法では、顕微鏡ベースのカメラを使用します。顕微鏡は光源ステージ上に設置され、検出器ステージ上の位置マーカーに焦点を合わせます。 2 番目の顕微鏡は検出器ワークベンチに配置され、光源ワークベンチ上の位置マーカーに焦点を合わせます。検出器の開口部と光源の位置をそれぞれの顕微鏡の焦点に調整して距離を決定します。顕微鏡は焦点ぼけに非常に敏感で、数マイクロメートル離れた場所でも認識できます。新しい距離測定により、研究者は LED の「真の強度」を測定することもできます。これは、LED が発する光の量が距離に依存しないことを示す別の数値です。
これらの新機能に加えて、NIST の科学者は、LED ライトを回転させてさまざまな角度で放射される光の量を測定できるゴニオメーターと呼ばれるデバイスなど、いくつかの機器も追加しました。 Miller 氏と Zong 氏は、今後数か月以内に、LED の紫外線 (UV) 出力の測定という新しいサービスに分光光度計を使用したいと考えています。紫外線を生成する LED の潜在的な用途には、食品を照射して保存期間を延長することや、水や医療機器の消毒が含まれます。従来、商業用の照射には水銀灯から発せられる紫外線が使用されていました。