LED 전구를 교정하려면 몇 명의 측정 과학자가 필요합니까? 미국 국립표준기술연구소(NIST) 연구진의 경우 이 수치는 몇 주 전의 절반 수준이다. 지난 6월 NIST는 LED 조명 및 기타 고체 조명 제품의 밝기를 평가하기 위해 더 빠르고 정확하며 노동력을 절약하는 교정 서비스를 제공하기 시작했습니다. 이 서비스의 고객에는 LED 조명 제조업체 및 기타 교정 실험실이 포함됩니다. 예를 들어, 보정된 램프는 책상 램프의 60와트 상당 LED 전구가 실제로 60와트와 동일함을 보장하거나 전투기 조종사가 적절한 활주로 조명을 사용하도록 보장할 수 있습니다.

LED 제조업체는 자신이 제조하는 조명이 실제로 설계된 만큼 밝은지 확인해야 합니다. 이를 달성하려면 다양한 색상에 대한 인간 눈의 자연스러운 민감도를 고려하면서 모든 파장의 밝기를 측정할 수 있는 도구인 광도계로 이러한 램프를 보정하십시오. 수십 년 동안 NIST의 광도 측정 연구실은 LED 밝기 및 광도 측정 교정 서비스를 제공하여 업계 요구 사항을 충족해 왔습니다. 이 서비스에는 고객의 LED 및 기타 고체 조명의 밝기를 측정하고 고객의 광도계를 교정하는 작업이 포함됩니다. 지금까지 NIST 연구소는 주류 교정 서비스와 비교할 수 있는 0.5%~1.0%의 오차로 상대적으로 낮은 불확실성으로 전구 밝기를 측정해 왔습니다.
이제 실험실 개조 덕분에 NIST 팀은 이러한 불확실성을 0.2% 이하로 3배 늘렸습니다. 이러한 성과로 인해 새로운 LED 밝기 및 광도계 교정 서비스는 세계 최고 수준이 되었습니다. 과학자들은 또한 교정 시간을 크게 단축했습니다. 기존 시스템에서는 고객을 위한 교정을 수행하는 데 거의 하루가 걸렸습니다. NIST 연구원 Cameron Miller는 대부분의 작업이 각 측정을 설정하고, 광원이나 감지기를 교체하고, 둘 사이의 거리를 수동으로 확인하고, 다음 측정을 위해 장비를 재구성하는 데 사용된다고 말했습니다.
그러나 이제 실험실은 두 개의 자동화 장비 테이블로 구성되어 있습니다. 하나는 광원용이고 다른 하나는 감지기용입니다. 테이블은 트랙 시스템을 따라 이동하며 감지기를 빛에서 0~5m 떨어진 곳에 배치합니다. 사람 머리카락 굵기의 약 절반인 1미터(마이크로미터)의 50ppm 이내에서 거리를 조절할 수 있다. Zong과 Miller는 지속적인 인간 개입 없이도 테이블이 서로 상대적으로 이동하도록 프로그래밍할 수 있습니다. 예전에는 하루가 걸렸지만 이제는 몇 시간 안에 완료할 수 있습니다. 더 이상 장비를 교체할 필요가 없으며 모든 것이 여기에 있으며 언제든지 사용할 수 있습니다. 완전히 자동화되어 있기 때문에 연구자는 동시에 많은 작업을 수행할 수 있는 자유를 누릴 수 있습니다.
실행되는 동안 사무실로 돌아와 다른 작업을 수행할 수 있습니다. NIST 연구원들은 실험실이 몇 가지 추가 기능을 추가함에 따라 고객 기반이 확장될 것이라고 예측합니다. 예를 들어, 새로운 장치는 일반적으로 3~4가지 색상만 캡처하는 일반 카메라보다 훨씬 더 많은 빛의 파장을 측정하는 초분광 카메라를 보정할 수 있습니다. 의료 영상부터 지구의 위성 이미지 분석까지 초분광 카메라의 인기가 점점 높아지고 있습니다. 우주 기반 초분광 카메라가 제공하는 지구의 날씨와 식생에 대한 정보를 통해 과학자들은 기근과 홍수를 예측하고 지역 사회가 비상 및 재난 구호를 계획하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 또한 새로운 실험실을 통해 연구원들은 TV 및 컴퓨터 디스플레이는 물론 스마트폰 디스플레이를 더욱 쉽고 효율적으로 교정할 수 있습니다.

정확한 거리
고객의 광도계를 교정하기 위해 NIST의 과학자들은 광대역 광원을 사용하여 기본적으로 여러 파장(색상)을 갖는 백색광인 검출기에 조명을 비춥니다. 측정은 NIST 표준 광도계를 사용하여 이루어지기 때문에 밝기가 매우 선명합니다. 레이저와 달리 이러한 유형의 백색광은 일관성이 없습니다. 즉, 서로 다른 파장의 모든 빛이 서로 동기화되지 않음을 의미합니다. 이상적인 시나리오에서는 가장 정확한 측정을 위해 연구자가 조정 가능한 레이저를 사용하여 제어 가능한 파장의 빛을 생성하므로 한 번에 하나의 파장의 빛만 검출기에 조사됩니다. 조정 가능한 레이저를 사용하면 측정의 신호 대 잡음비가 증가합니다.
그러나 과거에는 단일 파장 레이저가 사용된 파장에 따라 신호에 서로 다른 양의 노이즈를 추가하는 방식으로 자체 간섭을 일으키기 때문에 조정 가능한 레이저를 광도계 교정에 사용할 수 없었습니다. 실험실 개선의 일환으로 Zong은 이러한 소음을 무시할 수 있는 수준으로 줄이는 맞춤형 광도계 설계를 만들었습니다. 이를 통해 처음으로 조정 가능한 레이저를 사용하여 작은 불확실성으로 광도계를 교정하는 것이 가능해졌습니다. 새로운 디자인의 또 다른 이점은 밀봉된 유리창 뒤에 절묘한 조리개가 보호되므로 조명 장비를 더 쉽게 청소할 수 있다는 것입니다. 강도 측정에는 검출기가 광원으로부터 얼마나 떨어져 있는지에 대한 정확한 지식이 필요합니다.
지금까지 대부분의 다른 측광 실험실과 마찬가지로 NIST 실험실에는 이 거리를 측정할 수 있는 고정밀 방법이 아직 없습니다. 이는 부분적으로 빛이 수집되는 감지기의 구멍이 너무 미묘하여 측정 장치로 만질 수 없기 때문입니다. 일반적인 해결책은 연구자들이 먼저 광원의 조도를 측정하고 특정 영역의 표면을 조명하는 것입니다. 다음으로, 이 정보를 사용하여 거리가 증가함에 따라 광원의 강도가 기하급수적으로 감소하는 방식을 설명하는 역제곱 법칙을 사용하여 이러한 거리를 결정합니다. 이 2단계 측정은 구현하기 쉽지 않으며 추가적인 불확실성을 초래합니다. 새로운 시스템을 통해 팀은 이제 역제곱법을 버리고 거리를 직접 결정할 수 있습니다.
이 방법은 현미경 기반 카메라를 사용하며, 현미경은 광원 스테이지에 있고 검출기 스테이지의 위치 마커에 초점을 맞춥니다. 두 번째 현미경은 검출기 작업대에 있으며 광원 작업대의 위치 마커에 초점을 맞춥니다. 검출기의 조리개와 광원의 위치를 ​​해당 현미경의 초점으로 조정하여 거리를 결정합니다. 현미경은 초점 흐림에 매우 민감하며 몇 마이크로미터 떨어진 곳에서도 인식할 수 있습니다. 또한 새로운 거리 측정을 통해 연구원들은 LED의 "실제 강도"를 측정할 수 있습니다. 이는 LED에서 방출되는 빛의 양이 거리와 무관함을 나타내는 별도의 숫자입니다.
이러한 새로운 기능 외에도 NIST 과학자들은 LED 조명을 회전시켜 다양한 각도에서 방출되는 빛의 양을 측정할 수 있는 각도계(goniometer)라는 장치와 같은 일부 도구도 추가했습니다. 앞으로 몇 달 안에 Miller와 Zong은 LED의 자외선(UV) 출력 측정이라는 새로운 서비스에 분광 광도계를 사용하기를 희망합니다. 자외선을 생성하기 위한 LED의 잠재적인 용도에는 식품에 방사선을 조사하여 유통기한을 연장하고 물과 의료 장비를 소독하는 것이 포함됩니다. 전통적으로 상업용 방사선 조사에서는 수은 증기 램프에서 방출되는 자외선을 사용합니다.