¿Cuántos científicos de medición se necesitan para calibrar una bombilla LED? Para los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de Estados Unidos, esta cifra es la mitad de la de hace unas semanas. En junio, NIST comenzó a brindar servicios de calibración más rápidos, precisos y que ahorran mano de obra para evaluar el brillo de las luces LED y otros productos de iluminación de estado sólido. Los clientes de este servicio incluyen fabricantes de luces LED y otros laboratorios de calibración. Por ejemplo, una lámpara calibrada puede garantizar que la bombilla LED equivalente a 60 vatios de la lámpara de escritorio sea realmente equivalente a 60 vatios, o garantizar que el piloto del avión de combate tenga la iluminación adecuada en la pista.

Los fabricantes de LED deben asegurarse de que las luces que fabrican sean realmente tan brillantes como fueron diseñadas. Para lograrlo, calibre estas lámparas con un fotómetro, que es una herramienta que puede medir el brillo en todas las longitudes de onda teniendo en cuenta la sensibilidad natural del ojo humano a los diferentes colores. Durante décadas, el laboratorio fotométrico del NIST ha satisfecho las demandas de la industria proporcionando servicios de calibración fotométrica y brillo de LED. Este servicio implica medir el brillo del LED y otras luces de estado sólido del cliente, así como calibrar el fotómetro del propio cliente. Hasta ahora, el laboratorio del NIST ha estado midiendo el brillo de las bombillas con una incertidumbre relativamente baja, con un error de entre el 0,5% y el 1,0%, comparable a los servicios de calibración convencionales.
Ahora, gracias a la renovación del laboratorio, el equipo del NIST ha triplicado estas incertidumbres hasta el 0,2% o menos. Este logro convierte al nuevo servicio de calibración de fotómetros y luminosidad LED en uno de los mejores del mundo. Los científicos también han acortado significativamente el tiempo de calibración. En los sistemas antiguos, realizar una calibración para los clientes llevaría casi un día entero. El investigador del NIST, Cameron Miller, afirmó que la mayor parte del trabajo se utiliza para configurar cada medición, reemplazar fuentes de luz o detectores, verificar manualmente la distancia entre ambos y luego reconfigurar el equipo para la siguiente medición.
Pero ahora, el laboratorio consta de dos mesas de equipos automatizados, una para la fuente de luz y otra para el detector. La mesa se mueve sobre el sistema de rieles y coloca el detector a una distancia de entre 0 y 5 metros de la luz. La distancia se puede controlar dentro de 50 partes por millón de un metro (micrómetro), que es aproximadamente la mitad del ancho del cabello humano. Zong y Miller pueden programar mesas para que se muevan entre sí sin la necesidad de una intervención humana continua. Solía ​​tardar un día, pero ahora se puede completar en unas pocas horas. Ya no es necesario reemplazar ningún equipo, todo está aquí y se puede usar en cualquier momento, lo que brinda a los investigadores mucha libertad para hacer muchas cosas al mismo tiempo porque está completamente automatizado.
Puede regresar a la oficina para realizar otros trabajos mientras está en funcionamiento. Los investigadores del NIST predicen que la base de clientes se ampliará a medida que el laboratorio haya agregado varias características adicionales. Por ejemplo, el nuevo dispositivo puede calibrar cámaras hiperespectrales, que miden mucha más longitud de onda de luz que las cámaras típicas que normalmente sólo capturan de tres a cuatro colores. Desde imágenes médicas hasta el análisis de imágenes satelitales de la Tierra, las cámaras hiperespectrales se están volviendo cada vez más populares. La información proporcionada por las cámaras hiperespectrales espaciales sobre el clima y la vegetación de la Tierra permite a los científicos predecir hambrunas e inundaciones, y puede ayudar a las comunidades a planificar emergencias y ayuda en casos de desastre. El nuevo laboratorio también puede hacer que a los investigadores les resulte más fácil y eficiente calibrar las pantallas de los teléfonos inteligentes, así como las pantallas de televisores y computadoras.

Distancia correcta
Para calibrar el fotómetro del cliente, los científicos del NIST utilizan fuentes de luz de banda ancha para iluminar los detectores, que son esencialmente luz blanca con múltiples longitudes de onda (colores), y su brillo es muy claro porque las mediciones se realizan utilizando fotómetros estándar del NIST. A diferencia de los láseres, este tipo de luz blanca es incoherente, lo que significa que toda la luz de diferentes longitudes de onda no está sincronizada entre sí. En un escenario ideal, para lograr una medición más precisa, los investigadores utilizarán láseres sintonizables para generar luz con longitudes de onda controlables, de modo que solo se irradie una longitud de onda de luz en el detector a la vez. El uso de láseres sintonizables aumenta la relación señal-ruido de la medición.
Sin embargo, en el pasado, los láseres sintonizables no se podían usar para calibrar fotómetros porque los láseres de una sola longitud de onda interferían entre sí de una manera que agregaba diferentes cantidades de ruido a la señal según la longitud de onda utilizada. Como parte de la mejora del laboratorio, Zong ha creado un diseño de fotómetro personalizado que reduce este ruido a un nivel insignificante. Esto hace posible utilizar láseres sintonizables por primera vez para calibrar fotómetros con pequeñas incertidumbres. El beneficio adicional del nuevo diseño es que hace que el equipo de iluminación sea más fácil de limpiar, ya que la exquisita abertura ahora está protegida detrás de la ventana de vidrio sellada. La medición de la intensidad requiere un conocimiento preciso de qué tan lejos está el detector de la fuente de luz.
Hasta ahora, como la mayoría de los demás laboratorios de fotometría, el laboratorio del NIST aún no dispone de un método 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 sutil para ser tocada por el dispositivo de medición. Una solución común es que los investigadores midan primero la iluminancia de la fuente de luz e iluminen una superficie con un área determinada. A continuación, utilice esta información para determinar estas distancias utilizando la ley del cuadrado inverso, que describe cómo la intensidad de una fuente de luz disminuye exponencialmente al aumentar la distancia. Esta medición de dos pasos no es fácil de implementar e introduce incertidumbre adicional. Con el nuevo sistema, el equipo ahora puede abandonar el método del cuadrado inverso y determinar directamente la distancia.
Este método utiliza una cámara basada en un microscopio, con un microscopio colocado en la plataforma de la fuente de luz y enfocándose en los marcadores de posición en la plataforma del detector. El segundo microscopio está ubicado en el banco de trabajo del detector y enfoca los marcadores de posición en el banco de trabajo de la fuente de luz. Determine la distancia ajustando la apertura del detector y la posición de la fuente de luz al foco de sus respectivos microscopios. Los microscopios son muy sensibles al desenfoque y pueden reconocer incluso a unos pocos micrómetros de distancia. La nueva medición de distancia también permite a los investigadores medir la "intensidad real" de los LED, que es un número separado que indica que la cantidad de luz emitida por los LED es independiente de la distancia.
Además de estas nuevas características, los científicos del NIST también han agregado algunos instrumentos, como un dispositivo llamado goniómetro que puede girar luces LED para medir cuánta luz se emite en diferentes ángulos. En los próximos meses, Miller y Zong esperan utilizar un espectrofotómetro para un nuevo servicio: medir la salida ultravioleta (UV) de los LED. Los usos potenciales de los LED para generar rayos ultravioleta incluyen irradiar alimentos para extender su vida útil, así como desinfectar agua y equipos médicos. Tradicionalmente, la irradiación comercial utiliza la luz ultravioleta emitida por lámparas de vapor de mercurio.