كم عدد علماء القياس اللازمين لمعايرة مصباح LED؟ وبالنسبة للباحثين في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) في الولايات المتحدة، فإن هذا الرقم يمثل نصف ما كان عليه قبل بضعة أسابيع. في يونيو، بدأت NIST في تقديم خدمات معايرة أسرع وأكثر دقة وموفرة للعمالة لتقييم سطوع مصابيح LED وغيرها من منتجات الإضاءة ذات الحالة الصلبة. يشمل عملاء هذه الخدمة الشركات المصنعة لمصابيح LED ومختبرات المعايرة الأخرى. على سبيل المثال، يمكن للمصباح المُعاير أن يضمن أن لمبة LED المكافئة 60 وات في المصباح المكتبي تعادل حقًا 60 وات، أو التأكد من أن الطيار في الطائرة المقاتلة لديه إضاءة مناسبة للمدرج.

يحتاج مصنعو مصابيح LED إلى التأكد من أن المصابيح التي يصنعونها ساطعة تمامًا كما تم تصميمها. ولتحقيق ذلك، تم معايرة هذه المصابيح باستخدام مقياس الضوء، وهو أداة يمكنها قياس السطوع في جميع الأطوال الموجية مع مراعاة الحساسية الطبيعية للعين البشرية للألوان المختلفة. لعقود من الزمن، كان مختبر القياس الضوئي التابع لـ NIST يلبي متطلبات الصناعة من خلال توفير سطوع LED وخدمات المعايرة الضوئية. تتضمن هذه الخدمة قياس سطوع مصابيح LED وغيرها من مصابيح الحالة الصلبة الخاصة بالعميل، بالإضافة إلى معايرة مقياس الضوء الخاص بالعميل. حتى الآن، كان مختبر NIST يقيس سطوع المصباح بمستوى منخفض نسبيًا من عدم اليقين، مع وجود خطأ يتراوح بين 0.5% و1.0%، وهو ما يشبه خدمات المعايرة السائدة.
والآن، وبفضل تجديد المختبر، تمكن فريق NIST من مضاعفة هذه الشكوك ثلاث مرات إلى 0.2% أو أقل. يجعل هذا الإنجاز خدمة معايرة سطوع LED ومقياس الضوء الجديدة واحدة من أفضل الخدمات في العالم. لقد قام العلماء أيضًا بتقصير وقت المعايرة بشكل كبير. في الأنظمة القديمة، كان إجراء المعايرة للعملاء يستغرق يومًا كاملاً تقريبًا. صرح كاميرون ميلر، الباحث في NIST، أن معظم العمل يتم استخدامه لإعداد كل قياس، واستبدال مصادر الضوء أو أجهزة الكشف، والتحقق يدويًا من المسافة بين الاثنين، ثم إعادة تكوين المعدات للقياس التالي.
لكن الآن يتكون المختبر من طاولتين للمعدات الآلية، واحدة لمصدر الضوء والأخرى للكاشف. تتحرك الطاولة على نظام المسار وتضع الكاشف في أي مكان على بعد من 0 إلى 5 أمتار من الضوء. ويمكن التحكم في المسافة في حدود 50 جزءًا في المليون من المتر (ميكرومتر)، وهو ما يعادل نصف عرض شعرة الإنسان تقريبًا. يستطيع زونغ وميلر برمجة الجداول لتتحرك بالنسبة لبعضها البعض دون الحاجة إلى تدخل بشري مستمر. كان الأمر يستغرق يومًا واحدًا، ولكن الآن يمكن إكماله في غضون ساعات قليلة. لم تعد هناك حاجة لاستبدال أي معدات، فكل شيء موجود هنا ويمكن استخدامه في أي وقت، مما يمنح الباحثين الكثير من الحرية للقيام بالعديد من الأشياء في نفس الوقت لأنه آلي بالكامل.
يمكنك العودة إلى المكتب للقيام بأعمال أخرى أثناء تشغيله. يتوقع باحثو NIST أن تتوسع قاعدة العملاء حيث أضاف المختبر العديد من الميزات الإضافية. على سبيل المثال، يمكن للجهاز الجديد معايرة الكاميرات فائقة الطيف، والتي تقيس الطول الموجي للضوء أكثر بكثير من الكاميرات التقليدية التي تلتقط عادةً ثلاثة إلى أربعة ألوان فقط. من التصوير الطبي إلى تحليل صور الأقمار الصناعية للأرض، أصبحت الكاميرات فائقة الطيف ذات شعبية متزايدة. إن المعلومات التي توفرها الكاميرات الفضائية الفائقة الطيفية حول طقس الأرض والغطاء النباتي تمكن العلماء من التنبؤ بالمجاعات والفيضانات، ويمكن أن تساعد المجتمعات في التخطيط للإغاثة في حالات الطوارئ والكوارث. يمكن للمختبر الجديد أيضًا أن يسهل على الباحثين معايرة شاشات الهواتف الذكية، بالإضافة إلى شاشات التلفزيون والكمبيوتر.

المسافة الصحيحة
لمعايرة مقياس الضوء الخاص بالعميل، يستخدم العلماء في NIST مصادر ضوء ذات نطاق عريض لإضاءة الكاشفات، وهي في الأساس ضوء أبيض ذو أطوال موجية (ألوان) متعددة، وسطوعه واضح للغاية لأنه يتم إجراء القياسات باستخدام أجهزة قياس الضوء القياسية NIST. وعلى عكس الليزر، فإن هذا النوع من الضوء الأبيض غير متماسك، مما يعني أن كل الضوء ذو الأطوال الموجية المختلفة غير متزامن مع بعضها البعض. في السيناريو المثالي، للحصول على القياس الأكثر دقة، سيستخدم الباحثون أشعة ليزر قابلة للضبط لتوليد ضوء بأطوال موجية يمكن التحكم فيها، بحيث يتم تشعيع طول موجة واحد فقط من الضوء على الكاشف في المرة الواحدة. يؤدي استخدام الليزر القابل للضبط إلى زيادة نسبة الإشارة إلى الضوضاء في القياس.
ومع ذلك، في الماضي، لم يكن من الممكن استخدام الليزر القابل للضبط لمعايرة أجهزة قياس الضوء لأن أشعة الليزر ذات الطول الموجي الواحد تتداخل مع نفسها بطريقة تضيف كميات مختلفة من الضوضاء إلى الإشارة بناءً على الطول الموجي المستخدم. وكجزء من تحسين المختبر، ابتكر زونغ تصميمًا مخصصًا لمقياس الضوء الذي يقلل من هذه الضوضاء إلى مستوى لا يذكر. وهذا يجعل من الممكن استخدام أجهزة الليزر القابلة للضبط لأول مرة لمعايرة أجهزة قياس الضوء مع حالات عدم اليقين الصغيرة. وتتمثل الميزة الإضافية للتصميم الجديد في أنه يجعل تنظيف معدات الإضاءة أسهل، حيث أصبحت الفتحة الرائعة محمية الآن خلف النافذة الزجاجية المغلقة. يتطلب قياس الشدة معرفة دقيقة بمدى بعد الكاشف عن مصدر الضوء.
حتى الآن، مثل معظم مختبرات القياس الضوئي الأخرى، لا يمتلك مختبر NIST بعد طريقة عالية الدقة لقياس هذه المسافة. ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن فتحة الكاشف، التي يتم من خلالها جمع الضوء، دقيقة جدًا بحيث لا يمكن لمسها بواسطة جهاز القياس. الحل الشائع هو أن يقوم الباحثون أولاً بقياس إضاءة مصدر الضوء وإضاءة سطح بمساحة معينة. بعد ذلك، استخدم هذه المعلومات لتحديد هذه المسافات باستخدام قانون التربيع العكسي، الذي يصف كيف تتناقص شدة مصدر الضوء بشكل كبير مع زيادة المسافة. ليس من السهل تنفيذ هذا القياس المكون من خطوتين ويؤدي إلى مزيد من عدم اليقين. ومع النظام الجديد، أصبح بإمكان الفريق الآن التخلي عن طريقة المربع العكسي وتحديد المسافة بشكل مباشر.
تستخدم هذه الطريقة كاميرا مجهرية، مع وجود مجهر على مرحلة مصدر الضوء والتركيز على علامات الموضع على مرحلة الكاشف. يقع المجهر الثاني على طاولة عمل الكاشف ويركز على علامات الموضع على طاولة عمل مصدر الضوء. تحديد المسافة عن طريق ضبط فتحة الكاشف وموضع مصدر الضوء على تركيز المجاهر الخاصة بكل منهما. المجاهر حساسة للغاية لإلغاء التركيز، ويمكنها التعرف على مسافة بضعة ميكرومترات. كما يتيح قياس المسافة الجديد للباحثين قياس “الكثافة الحقيقية” لمصابيح LED، وهو رقم منفصل يشير إلى أن كمية الضوء المنبعثة من مصابيح LED مستقلة عن المسافة.
بالإضافة إلى هذه الميزات الجديدة، أضاف علماء NIST أيضًا بعض الأدوات، مثل جهاز يسمى مقياس الزوايا الذي يمكنه تدوير مصابيح LED لقياس مقدار الضوء المنبعث في زوايا مختلفة. في الأشهر المقبلة، يأمل ميلر وزونغ في استخدام مقياس الطيف الضوئي لخدمة جديدة: قياس مخرجات الأشعة فوق البنفسجية لمصابيح LED. وتشمل الاستخدامات المحتملة لمصابيح LED لتوليد الأشعة فوق البنفسجية تشعيع الأطعمة لإطالة عمرها الافتراضي، بالإضافة إلى تطهير المياه والمعدات الطبية. تقليديا، يستخدم التشعيع التجاري الضوء فوق البنفسجي المنبعث من مصابيح بخار الزئبق.