Wie viele Messtechniker werden benötigt, um eine LED-Glühbirne zu kalibrieren? Für Forscher des National Institute of Standards and Technology (NIST) in den USA ist diese Zahl halb so hoch wie noch vor einigen Wochen. Im Juni hat NIST damit begonnen, schnellere, genauere und arbeitssparendere Kalibrierungsdienste zur Bewertung der Helligkeit von LED-Leuchten und anderen Festkörperbeleuchtungsprodukten anzubieten. Zu den Kunden dieses Dienstes zählen LED-Leuchtenhersteller und andere Kalibrierlabore. Beispielsweise kann eine kalibrierte Lampe sicherstellen, dass die äquivalente 60-Watt-LED-Lampe in der Schreibtischlampe tatsächlich 60 Watt entspricht, oder dafür sorgen, dass der Pilot im Kampfflugzeug über eine angemessene Landebahnbeleuchtung verfügt.

LED-Hersteller müssen sicherstellen, dass die von ihnen hergestellten Leuchten wirklich so hell sind, wie sie entworfen wurden. Um dies zu erreichen, kalibrieren Sie diese Lampen mit einem Photometer, einem Werkzeug, das die Helligkeit bei allen Wellenlängen messen kann und dabei die natürliche Empfindlichkeit des menschlichen Auges gegenüber verschiedenen Farben berücksichtigt. Seit Jahrzehnten erfüllt das photometrische Labor des NIST die Anforderungen der Industrie durch die Bereitstellung von LED-Helligkeits- und photometrischen Kalibrierungsdiensten. Dieser Service umfasst die Messung der Helligkeit der LED- und anderen Festkörperleuchten des Kunden sowie die Kalibrierung des kundeneigenen Photometers. Bisher hat das NIST-Labor die Helligkeit von Glühbirnen mit relativ geringer Unsicherheit gemessen, mit einem Fehler zwischen 0,5 % und 1,0 %, was mit gängigen Kalibrierungsdiensten vergleichbar ist.
Dank der Renovierung des Labors hat das NIST-Team diese Unsicherheiten nun auf 0,2 % oder weniger verdreifacht. Dieser Erfolg macht den neuen LED-Helligkeits- und Photometer-Kalibrierungsservice zu einem der besten der Welt. Wissenschaftler haben auch die Kalibrierungszeit deutlich verkürzt. Bei alten Systemen würde die Durchführung einer Kalibrierung für Kunden fast einen ganzen Tag dauern. Der NIST-Forscher Cameron Miller gab an, dass der größte Teil der Arbeit darin besteht, jede Messung einzurichten, Lichtquellen oder Detektoren auszutauschen, den Abstand zwischen beiden manuell zu überprüfen und dann die Ausrüstung für die nächste Messung neu zu konfigurieren.
Doch mittlerweile besteht das Labor aus zwei automatisierten Gerätetischen, einem für die Lichtquelle und einem für den Detektor. Der Tisch bewegt sich auf dem Schienensystem und platziert den Detektor irgendwo zwischen 0 und 5 Metern vom Licht entfernt. Der Abstand kann innerhalb von 50 Teilen pro Million eines Meters (Mikrometers) gesteuert werden, was etwa der Hälfte der Breite eines menschlichen Haares entspricht. Zong und Miller können Tische so programmieren, dass sie sich relativ zueinander bewegen, ohne dass ein kontinuierlicher menschlicher Eingriff erforderlich ist. Früher hat es einen Tag gedauert, heute ist es innerhalb weniger Stunden erledigt. Es müssen keine Geräte mehr ausgetauscht werden, alles ist vorhanden und kann jederzeit verwendet werden, was den Forschern viel Freiheit gibt, viele Dinge gleichzeitig zu erledigen, da es vollständig automatisiert ist.
Sie können ins Büro zurückkehren, um während des Betriebs andere Arbeiten zu erledigen. NIST-Forscher gehen davon aus, dass der Kundenstamm wachsen wird, da das Labor mehrere zusätzliche Funktionen hinzugefügt hat. Das neue Gerät kann beispielsweise Hyperspektralkameras kalibrieren, die viel mehr Lichtwellenlängen messen als herkömmliche Kameras, die typischerweise nur drei bis vier Farben erfassen. Von der medizinischen Bildgebung bis zur Analyse von Satellitenbildern der Erde erfreuen sich Hyperspektralkameras immer größerer Beliebtheit. Die von weltraumgestützten Hyperspektralkameras bereitgestellten Informationen über das Wetter und die Vegetation der Erde ermöglichen Wissenschaftlern die Vorhersage von Hungersnöten und Überschwemmungen und können Gemeinden bei der Planung von Not- und Katastrophenhilfe unterstützen. Das neue Labor kann es Forschern auch einfacher und effizienter machen, Smartphone-Displays sowie TV- und Computer-Displays zu kalibrieren.

Richtiger Abstand
Um das Photometer des Kunden zu kalibrieren, verwenden Wissenschaftler am NIST breitbandige Lichtquellen zur Beleuchtung der Detektoren, bei denen es sich im Wesentlichen um weißes Licht mit mehreren Wellenlängen (Farben) handelt, dessen Helligkeit sehr deutlich ist, da die Messungen mit NIST-Standardphotometern durchgeführt werden. Im Gegensatz zu Lasern ist diese Art von weißem Licht inkohärent, was bedeutet, dass sämtliches Licht unterschiedlicher Wellenlänge nicht miteinander synchronisiert ist. Im Idealfall werden Forscher für eine möglichst genaue Messung abstimmbare Laser verwenden, um Licht mit steuerbaren Wellenlängen zu erzeugen, sodass jeweils nur eine Lichtwellenlänge auf den Detektor gestrahlt wird. Durch den Einsatz abstimmbarer Laser erhöht sich das Signal-Rausch-Verhältnis der Messung.
Allerdings konnten abstimmbare Laser in der Vergangenheit nicht zur Kalibrierung von Photometern verwendet werden, da Einzelwellenlaser sich selbst auf eine Weise interferierten, die dem Signal je nach verwendeter Wellenlänge unterschiedlich viel Rauschen hinzufügte. Im Rahmen der Laborverbesserung hat Zong ein maßgeschneidertes Photometerdesign entwickelt, das dieses Rauschen auf ein vernachlässigbares Maß reduziert. Dadurch ist es erstmals möglich, durchstimmbare Laser zur Kalibrierung von Photometern mit geringen Unsicherheiten einzusetzen. Der zusätzliche Vorteil des neuen Designs besteht darin, dass die Beleuchtungsausrüstung leichter zu reinigen ist, da die exquisite Öffnung nun geschützt hinter dem versiegelten Glasfenster liegt. Für die Intensitätsmessung ist eine genaue Kenntnis der Entfernung des Detektors von der Lichtquelle erforderlich.
Bisher verfügt das NIST-Labor wie die meisten anderen Photometrielabore noch nicht über eine hochpräzise Methode zur Messung dieser Entfernung. Dies liegt zum Teil daran, dass die Öffnung des Detektors, durch die das Licht gesammelt wird, zu fein ist, als dass sie vom Messgerät berührt werden könnte. Eine gängige Lösung besteht darin, dass Forscher zunächst die Beleuchtungsstärke der Lichtquelle messen und eine Oberfläche mit einem bestimmten Bereich beleuchten. Anschließend verwenden Sie diese Informationen, um diese Abstände mithilfe des umgekehrten Quadratgesetzes zu bestimmen, das beschreibt, wie die Intensität einer Lichtquelle mit zunehmender Entfernung exponentiell abnimmt. Diese zweistufige Messung ist nicht einfach umzusetzen und führt zu zusätzlicher Unsicherheit. Mit dem neuen System kann das Team nun auf die inverse Quadratmethode verzichten und die Distanz direkt bestimmen.
Bei dieser Methode wird eine mikroskopbasierte Kamera verwendet, wobei ein Mikroskop auf dem Lichtquellentisch sitzt und auf die Positionsmarkierungen auf dem Detektortisch fokussiert. Das zweite Mikroskop befindet sich auf der Detektor-Werkbank und fokussiert auf die Positionsmarkierungen auf der Lichtquellen-Werkbank. Bestimmen Sie den Abstand, indem Sie die Apertur des Detektors und die Position der Lichtquelle an den Fokus ihrer jeweiligen Mikroskope anpassen. Mikroskope reagieren sehr empfindlich auf Defokussierung und können sogar auf wenige Mikrometer Entfernung erkennen. Die neue Entfernungsmessung ermöglicht es Forschern auch, die „wahre Intensität“ von LEDs zu messen. Dabei handelt es sich um eine separate Zahl, die angibt, dass die von LEDs emittierte Lichtmenge unabhängig von der Entfernung ist.
Zusätzlich zu diesen neuen Funktionen haben NIST-Wissenschaftler auch einige Instrumente hinzugefügt, beispielsweise ein Gerät namens Goniometer, das LED-Lichter drehen kann, um zu messen, wie viel Licht in verschiedenen Winkeln emittiert wird. Miller und Zong hoffen, in den kommenden Monaten ein Spektrophotometer für einen neuen Dienst einsetzen zu können: die Messung der ultravioletten (UV) Leistung von LEDs. Zu den potenziellen Einsatzmöglichkeiten von LED zur Erzeugung ultravioletter Strahlen zählen die Bestrahlung von Lebensmitteln zur Verlängerung ihrer Haltbarkeit sowie die Desinfektion von Wasser und medizinischen Geräten. Traditionell wird bei der kommerziellen Bestrahlung das von Quecksilberdampflampen emittierte ultraviolette Licht verwendet.