百家號科學徵文：校準一個led燈泡需要多少測量科學家？| 百家號科學

高精度的測角儀器是什麼

本文參加百家號科學#了不起的前沿科技#系列徵文

校準一個LED燈泡需要多少測量科學家？對於美國國家標準與技術研究所（NIST）的研究人員來說，這個數字是幾周前的一半。6月份，NIST開始提供更快、更準確、更省力的校準服務，用於評估LED燈和其他固態照明產品的亮度，這項服務的客戶包括LED燈製造商，和其他校準實驗室等。例如，校準好的燈可以確保檯燈中60瓦當量LED燈泡真正相當於60瓦，或者確保戰鬥機中的飛行員有適當的跑道照明。

LED製造商需要確保製造的燈，真的像設計的那樣明亮。為了做到這一點，用光度計校準這些燈，光度計是一種工具，可以測量所有波長的亮度，同時考慮到人眼對不同顏色的自然敏感度。幾十年來，NIST的光度實驗室一直透過提供LED亮度和光度計校準服務來滿足行業需求。這項服務涉及測量客戶的LED和其他固態燈亮度，以及校準客戶自己的光度計。直到現在，NIST實驗室一直在以相當低的不確定度測量燈泡亮度，誤差在0。5%到1。0%之間，與主流校準服務不相上下。

現在，多虧了實驗室的改造，NIST團隊將這些不確定性降低了三倍，降至0。2%或更低。這一成就使新的LED亮度和光度計校準服務成為世界上最好的服務之一。科學家們也大幅縮短了校準時間，在舊的系統中，為客戶做一次校準幾乎要花一整天的時間。NIST研究員卡梅隆·米勒（Cameron Miller）表示，大部分工作都用於設定每次測量，更換光源或探測器，手動檢查兩者之間的距離，然後重新配置裝置，以便進行下一次測量。

但現在，實驗室由兩個自動化裝置表組成，一個用於光源，另一個用於探測器。桌子在軌道系統上移動，將探測器放置在距離燈0至5米的任何地方。距離可以控制在一米（微米）的百萬分之五十以內，這大約是人類頭髮寬度的一半。Zong和Miller可以對桌子進行程式設計，使其在不需要持續人工干預的情況下相對於彼此移動。過去需要一天，現在可以在幾個小時內完成。不再需要更換任何裝置，一切都在這裡，隨時可以使用，也給了研究人員很多同時做很多事情的自由，因為它是完全自動化的。

可以在它執行的時候回到辦公室做其他工作。NIST的研究人員表示，預計客戶基礎將會擴大，因為實驗室已經增加了幾項額外的功能。例如，新裝置能校準高光譜相機，其測量的光波長比通常只捕獲三到四種顏色的典型攝像機多得多。從醫學成像到分析地球的衛星影象，高光譜相機正變得越來越受歡迎。天基高光譜相機提供的關於地球天氣和植被的資訊使科學家能夠預測饑荒和洪水，並可以幫助社群計劃應急和救災。新實驗室還能讓研究人員更輕鬆、更高效地校準智慧手機顯示器以及電視和計算機顯示器。

正確的距離

為了校準客戶的光度計，NIST的科學家使用寬頻光源照亮探測器，這本質上是包含多個波長（顏色）的白光，其亮度非常清楚，因為使用NIST標準光度計進行測量。與鐳射不同，這種白光是不相干的，這意味著所有不同波長的光彼此不同步。理想情況下，為了進行最精確測量，研究人員將使用可調諧鐳射器產生的光，其波長可以控制，以便一次只有一個波長的光照射到探測器上，使用可調諧鐳射增加了測量的信噪比。

然而，在過去，可調諧鐳射器不能用於校準光度計，因為單波長鐳射以一種方式干擾自身，根據使用的波長向訊號新增不同量的噪聲。作為實驗室改進的一部分，Zong創造了一種定製的光度計設計，將這種噪音降到了“可以忽略不計的程度”。這使得首次使用可調諧鐳射器進行光度計校準具有小的不確定度成為可能。新設計的額外好處是使採光裝置更容易清潔，因為精緻的光圈現在被保護在密封的玻璃窗後面。強度測量要求準確地知道探測器離光源有多遠。

直到現在，像大多數其他測光實驗室一樣，NIST實驗室還沒有一種高精度的方法來測量這個距離。這在一定程度上是因為探測器的光圈，透過它收集光，太微妙，無法被測量裝置觸控。一種常見的解決方法是，研究人員首先測量光源的照度，並用一定的面積照亮一個表面。接下來，使用這些資訊來確定這些距離使用平方反比定律，該定律描述了光源的強度是如何隨著距離增加而呈指數下降。這種兩步測量不容易實施，並引入了額外的不確定性。有了新系統，團隊現在可以放棄反平方方法而直接確定距離。

該方法使用基於顯微鏡的攝像機，一個顯微鏡坐在光源臺上，聚焦在檢測器臺上的位置標記上。第二顯微鏡位於檢測器工作臺上，並聚焦在光源工作臺上的位置標記上。透過調整探測器的孔徑和光源到其各自顯微鏡的焦點的位置來確定距離。顯微鏡對散焦非常敏感，幾微米遠，顯微鏡都能識別。新的距離測量也使研究人員能夠測量LED“真實強度”，這是一個單獨的數字，表明LED發出的光量與距離無關。

除了這些新功能，NIST的科學家們還增加了一些儀器，比如一種被稱為測角儀的裝置，能旋轉LED燈來測量在不同角度發射了多少光。在接下來的幾個月裡，Miller和Zong希望將測角光度計用於一種新型的服務：測量LED的紫外線（UV）輸出。產生紫外線的LED潛在用途包括對食品進行輻照以延長其貨架期，以及對供水和醫療裝置進行消毒，傳統上，商業照射使用水銀蒸汽燈發出的紫外光。

博科園｜研究/來自：美國國家標準與技術研究院

博科園｜科學、科技、科研、科普