Berapa banyak ilmuwan pengukuran yang diperlukan untuk mengkalibrasi bola lampu LED? Bagi para peneliti di National Institute of Standards and Technology (NIST) di Amerika Serikat, jumlah ini adalah setengah dari jumlah beberapa minggu lalu. Pada bulan Juni, NIST telah mulai menyediakan layanan kalibrasi yang lebih cepat, akurat, dan hemat tenaga kerja untuk mengevaluasi kecerahan lampu LED dan produk pencahayaan solid-state lainnya. Pelanggan layanan ini termasuk produsen lampu LED dan laboratorium kalibrasi lainnya. Misalnya, lampu yang dikalibrasi dapat memastikan bahwa bohlam LED setara 60 watt di lampu meja benar-benar setara dengan 60 watt, atau memastikan bahwa pilot di jet tempur memiliki penerangan landasan yang sesuai.

Produsen LED perlu memastikan bahwa lampu yang mereka produksi benar-benar seterang desainnya. Untuk mencapai hal ini, kalibrasi lampu tersebut dengan fotometer, yaitu alat yang dapat mengukur kecerahan pada semua panjang gelombang dengan tetap mempertimbangkan sensitivitas alami mata manusia terhadap warna yang berbeda. Selama beberapa dekade, laboratorium fotometrik NIST telah memenuhi permintaan industri dengan menyediakan layanan kecerahan LED dan kalibrasi fotometrik. Layanan ini mencakup pengukuran kecerahan LED pelanggan dan lampu solid-state lainnya, serta kalibrasi fotometer milik pelanggan. Hingga saat ini, laboratorium NIST telah mengukur kecerahan bohlam dengan ketidakpastian yang relatif rendah, dengan kesalahan antara 0,5% dan 1,0%, yang sebanding dengan layanan kalibrasi umum.
Kini, berkat renovasi laboratorium, tim NIST telah melipatgandakan ketidakpastian ini menjadi 0,2% atau lebih rendah. Pencapaian ini menjadikan layanan kecerahan LED dan kalibrasi fotometer baru menjadi salah satu yang terbaik di dunia. Para ilmuwan juga secara signifikan mempersingkat waktu kalibrasi. Pada sistem lama, melakukan kalibrasi untuk pelanggan akan memakan waktu hampir satu hari penuh. Peneliti NIST Cameron Miller menyatakan bahwa sebagian besar pekerjaan digunakan untuk mengatur setiap pengukuran, mengganti sumber cahaya atau detektor, memeriksa jarak antara keduanya secara manual, dan kemudian mengkonfigurasi ulang peralatan untuk pengukuran berikutnya.
Namun kini, laboratorium tersebut terdiri dari dua meja peralatan otomatis, satu untuk sumber cahaya dan satu lagi untuk detektor. Meja bergerak pada sistem lintasan dan menempatkan detektor pada jarak 0 hingga 5 meter dari cahaya. Jaraknya dapat dikontrol dalam 50 bagian per juta satu meter (mikrometer), yaitu kira-kira setengah lebar rambut manusia. Zong dan Miller dapat memprogram tabel untuk bergerak relatif satu sama lain tanpa memerlukan campur tangan manusia terus menerus. Dulunya memakan waktu sehari, tapi sekarang bisa selesai dalam beberapa jam. Tidak perlu lagi mengganti peralatan apa pun, semuanya ada di sini dan dapat digunakan kapan saja, memberikan banyak keleluasaan bagi peneliti untuk melakukan banyak hal dalam waktu bersamaan karena sepenuhnya otomatis.
Anda dapat kembali ke kantor untuk melakukan pekerjaan lain saat sedang berjalan. Peneliti NIST memperkirakan bahwa basis pelanggan akan berkembang seiring dengan penambahan beberapa fitur tambahan pada laboratorium. Misalnya, perangkat baru ini dapat mengkalibrasi kamera hiperspektral, yang mengukur panjang gelombang cahaya jauh lebih banyak dibandingkan kamera biasa yang biasanya hanya menangkap tiga hingga empat warna. Dari pencitraan medis hingga analisis citra satelit Bumi, kamera hiperspektral menjadi semakin populer. Informasi yang diberikan oleh kamera hiperspektral berbasis ruang angkasa tentang cuaca dan vegetasi bumi memungkinkan para ilmuwan memprediksi kelaparan dan banjir, serta dapat membantu masyarakat dalam merencanakan bantuan darurat dan bencana. Laboratorium baru ini juga dapat mempermudah dan efisien bagi para peneliti untuk mengkalibrasi tampilan ponsel pintar, serta tampilan TV dan komputer.

Jarak yang benar
Untuk mengkalibrasi fotometer pelanggan, Ilmuwan di NIST menggunakan sumber cahaya broadband untuk menerangi detektor, yang pada dasarnya adalah cahaya putih dengan berbagai panjang gelombang (warna), dan kecerahannya sangat jelas karena pengukuran dilakukan menggunakan fotometer standar NIST. Berbeda dengan laser, jenis cahaya putih ini tidak koheren, artinya semua cahaya dengan panjang gelombang berbeda tidak tersinkronisasi satu sama lain. Dalam skenario yang ideal, untuk pengukuran yang paling akurat, para peneliti akan menggunakan laser yang dapat disetel untuk menghasilkan cahaya dengan panjang gelombang yang dapat dikontrol, sehingga hanya satu panjang gelombang cahaya yang disinari pada detektor pada satu waktu. Penggunaan laser merdu meningkatkan rasio signal-to-noise pada pengukuran.
Namun, di masa lalu, laser merdu tidak dapat digunakan untuk mengkalibrasi fotometer karena laser dengan panjang gelombang tunggal mengganggu dirinya sendiri sehingga menambahkan jumlah kebisingan yang berbeda ke sinyal berdasarkan panjang gelombang yang digunakan. Sebagai bagian dari perbaikan laboratorium, Zong telah menciptakan desain fotometer khusus yang mengurangi kebisingan hingga tingkat yang dapat diabaikan. Hal ini memungkinkan penggunaan laser merdu untuk pertama kalinya untuk mengkalibrasi fotometer dengan ketidakpastian kecil. Keuntungan tambahan dari desain baru ini adalah membuat peralatan pencahayaan lebih mudah dibersihkan, karena bukaan yang indah kini terlindungi di balik jendela kaca yang tertutup rapat. Pengukuran intensitas memerlukan pengetahuan yang akurat tentang seberapa jauh jarak detektor dari sumber cahaya.
Hingga saat ini, seperti kebanyakan laboratorium fotometri lainnya, laboratorium NIST belum memiliki metode presisi tinggi untuk mengukur jarak tersebut. Hal ini sebagian disebabkan karena bukaan detektor, tempat cahaya dikumpulkan, terlalu halus untuk disentuh oleh alat pengukur. Solusi yang umum dilakukan adalah para peneliti terlebih dahulu mengukur iluminasi sumber cahaya dan menyinari suatu permukaan dengan luas tertentu. Selanjutnya, gunakan informasi ini untuk menentukan jarak menggunakan hukum kuadrat terbalik, yang menjelaskan bagaimana intensitas sumber cahaya berkurang secara eksponensial seiring bertambahnya jarak. Pengukuran dua langkah ini tidak mudah untuk diterapkan dan menimbulkan ketidakpastian tambahan. Dengan sistem baru, tim kini dapat meninggalkan metode kuadrat terbalik dan langsung menentukan jarak.
Metode ini menggunakan kamera berbasis mikroskop, dengan mikroskop diletakkan pada panggung sumber cahaya dan fokus pada penanda posisi pada panggung detektor. Mikroskop kedua terletak di meja kerja detektor dan berfokus pada penanda posisi di meja kerja sumber cahaya. Tentukan jarak dengan mengatur bukaan detektor dan posisi sumber cahaya terhadap fokus mikroskop masing-masing. Mikroskop sangat sensitif terhadap pengaburan, dan dapat mengenali bahkan pada jarak beberapa mikrometer. Pengukuran jarak baru ini juga memungkinkan para peneliti mengukur “intensitas sebenarnya” dari LED, yang merupakan angka terpisah yang menunjukkan bahwa jumlah cahaya yang dipancarkan oleh LED tidak bergantung pada jarak.
Selain fitur baru tersebut, ilmuwan NIST juga menambahkan beberapa instrumen, seperti alat bernama goniometer yang dapat memutar lampu LED untuk mengukur seberapa banyak cahaya yang dipancarkan pada berbagai sudut. Dalam beberapa bulan mendatang, Miller dan Zong berharap dapat menggunakan spektrofotometer untuk layanan baru: mengukur keluaran ultraviolet (UV) dari LED. Potensi penggunaan LED untuk menghasilkan sinar ultraviolet termasuk menyinari makanan untuk memperpanjang umur simpannya, serta mendisinfeksi air dan peralatan medis. Secara tradisional, iradiasi komersial menggunakan sinar ultraviolet yang dipancarkan oleh lampu uap merkuri.