Combien de mesureurs sont nécessaires pour calibrer une ampoule LED ? Pour les chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) aux États-Unis, ce chiffre est la moitié de ce qu'il était il y a quelques semaines. En juin, le NIST a commencé à proposer des services d'étalonnage plus rapides, plus précis et plus économiques pour évaluer la luminosité des lumières LED et d'autres produits d'éclairage à semi-conducteurs. Les clients de ce service comprennent des fabricants de luminaires LED et d'autres laboratoires d'étalonnage. Par exemple, une lampe calibrée peut garantir que l'ampoule LED équivalente à 60 watts de la lampe de bureau est réellement équivalente à 60 watts, ou garantir que le pilote de l'avion de combat dispose d'un éclairage de piste approprié.

Les fabricants de LED doivent s’assurer que les lumières qu’ils fabriquent sont vraiment aussi lumineuses qu’elles ont été conçues. Pour y parvenir, calibrez ces lampes avec un photomètre, qui est un outil capable de mesurer la luminosité à toutes les longueurs d'onde tout en tenant compte de la sensibilité naturelle de l'œil humain aux différentes couleurs. Depuis des décennies, le laboratoire photométrique du NIST répond aux demandes de l'industrie en fournissant des services de luminosité des LED et d'étalonnage photométrique. Ce service consiste à mesurer la luminosité des LED et autres lampes à semi-conducteurs du client, ainsi qu'à calibrer le photomètre du client. Jusqu'à présent, le laboratoire du NIST mesurait la luminosité des ampoules avec une incertitude relativement faible, avec une erreur comprise entre 0,5 % et 1,0 %, ce qui est comparable aux services d'étalonnage traditionnels.
Aujourd'hui, grâce à la rénovation du laboratoire, l'équipe du NIST a triplé ces incertitudes à 0,2 % ou moins. Cette réalisation fait du nouveau service d’étalonnage de la luminosité des LED et des photomètres l’un des meilleurs au monde. Les scientifiques ont également considérablement réduit le temps d’étalonnage. Dans les anciens systèmes, effectuer un étalonnage pour les clients prenait presque une journée entière. Cameron Miller, chercheur au NIST, a déclaré que la majeure partie du travail est utilisée pour configurer chaque mesure, remplacer les sources lumineuses ou les détecteurs, vérifier manuellement la distance entre les deux, puis reconfigurer l'équipement pour la mesure suivante.
Mais désormais, le laboratoire se compose de deux tables d'équipement automatisées, une pour la source lumineuse et l'autre pour le détecteur. La table se déplace sur le système de rails et place le détecteur entre 0 et 5 mètres de la lumière. La distance peut être contrôlée à moins de 50 parties par million d'un mètre (micromètre), soit environ la moitié de la largeur d'un cheveu humain. Zong et Miller peuvent programmer des tables pour qu'elles se déplacent les unes par rapport aux autres sans nécessiter une intervention humaine continue. Auparavant, cela prenait une journée, mais maintenant cela peut être réalisé en quelques heures. Il n'est plus nécessaire de remplacer aucun équipement, tout est là et peut être utilisé à tout moment, ce qui donne aux chercheurs une grande liberté pour faire plusieurs choses en même temps car il est entièrement automatisé.
Vous pouvez retourner au bureau pour effectuer d'autres tâches pendant son fonctionnement. Les chercheurs du NIST prédisent que la clientèle va s'élargir à mesure que le laboratoire a ajouté plusieurs fonctionnalités supplémentaires. Par exemple, le nouvel appareil peut calibrer des caméras hyperspectrales, qui mesurent une longueur d'onde lumineuse beaucoup plus grande que les caméras classiques qui ne capturent généralement que trois à quatre couleurs. De l’imagerie médicale à l’analyse des images satellite de la Terre, les caméras hyperspectrales sont de plus en plus populaires. Les informations fournies par les caméras hyperspectrales spatiales sur la météo et la végétation de la Terre permettent aux scientifiques de prédire les famines et les inondations et peuvent aider les communautés à planifier les secours d'urgence et les catastrophes. Le nouveau laboratoire peut également permettre aux chercheurs de calibrer plus facilement et plus efficacement les écrans des smartphones, ainsi que les écrans des téléviseurs et des ordinateurs.

Distance correcte
Pour calibrer le photomètre du client, les scientifiques du NIST utilisent des sources de lumière à large bande pour éclairer les détecteurs, qui sont essentiellement une lumière blanche avec plusieurs longueurs d'onde (couleurs), et sa luminosité est très claire car les mesures sont effectuées à l'aide de photomètres standard du NIST. Contrairement aux lasers, ce type de lumière blanche est incohérente, ce qui signifie que toutes les lumières de longueurs d’onde différentes ne sont pas synchronisées les unes avec les autres. Dans un scénario idéal, pour obtenir la mesure la plus précise, les chercheurs utiliseront des lasers accordables pour générer de la lumière avec des longueurs d’onde contrôlables, de sorte qu’une seule longueur d’onde de lumière soit irradiée sur le détecteur à la fois. L'utilisation de lasers accordables augmente le rapport signal/bruit de la mesure.
Cependant, dans le passé, les lasers accordables ne pouvaient pas être utilisés pour calibrer les photomètres, car les lasers à longueur d'onde unique interféraient avec eux-mêmes d'une manière qui ajoutait différentes quantités de bruit au signal en fonction de la longueur d'onde utilisée. Dans le cadre de l'amélioration du laboratoire, Zong a créé une conception de photomètre personnalisée qui réduit ce bruit à un niveau négligeable. Cela permet d'utiliser pour la première fois des lasers accordables pour calibrer des photomètres avec de faibles incertitudes. L'avantage supplémentaire du nouveau design est qu'il facilite le nettoyage de l'équipement d'éclairage, car l'ouverture raffinée est désormais protégée derrière la fenêtre en verre scellée. La mesure de l'intensité nécessite une connaissance précise de la distance entre le détecteur et la source lumineuse.
Jusqu'à présent, comme la plupart des autres laboratoires de photométrie, le laboratoire NIST ne dispose pas encore de méthode de haute précision pour mesurer cette distance. Cela est dû en partie au fait que l'ouverture du détecteur, à travers laquelle la lumière est collectée, est trop subtile pour être touchée par l'appareil de mesure. Une solution courante consiste pour les chercheurs à mesurer d’abord l’éclairement de la source lumineuse et à éclairer une surface avec une certaine zone. Ensuite, utilisez ces informations pour déterminer ces distances à l’aide de la loi du carré inverse, qui décrit comment l’intensité d’une source lumineuse diminue de façon exponentielle avec l’augmentation de la distance. Cette mesure en deux étapes n’est pas facile à mettre en œuvre et introduit une incertitude supplémentaire. Avec le nouveau système, l'équipe peut désormais abandonner la méthode du carré inverse et déterminer directement la distance.
Cette méthode utilise une caméra basée sur un microscope, avec un microscope placé sur l'étage de la source lumineuse et se concentrant sur les marqueurs de position sur l'étage du détecteur. Le deuxième microscope est situé sur l'établi du détecteur et se concentre sur les marqueurs de position sur l'établi de la source lumineuse. Déterminez la distance en ajustant l’ouverture du détecteur et la position de la source lumineuse au foyer de leurs microscopes respectifs. Les microscopes sont très sensibles à la défocalisation et peuvent reconnaître même à quelques micromètres. La nouvelle mesure de distance permet également aux chercheurs de mesurer la « véritable intensité » des LED, qui est un nombre distinct indiquant que la quantité de lumière émise par les LED est indépendante de la distance.
En plus de ces nouvelles fonctionnalités, les scientifiques du NIST ont également ajouté certains instruments, comme un appareil appelé goniomètre, capable de faire pivoter les lumières LED pour mesurer la quantité de lumière émise sous différents angles. Dans les mois à venir, Miller et Zong espèrent utiliser un spectrophotomètre pour un nouveau service : mesurer la puissance ultraviolette (UV) des LED. Les utilisations potentielles des LED pour générer des rayons ultraviolets incluent l’irradiation des aliments pour prolonger leur durée de conservation, ainsi que la désinfection de l’eau et du matériel médical. Traditionnellement, l'irradiation commerciale utilise la lumière ultraviolette émise par les lampes à vapeur de mercure.