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CIE127中文版可编辑修改word版
CIE技术报告
CIE127:
2007
代替CIE127:
1997
LED的测量
MeasurementofLEDs
国际照明委员会
前言
本技术报告由国际照明委员会（CIE）TC2-45技术委员会第二分委会“光和辐射的物理测量”起草，CIE董事会批准。
本报告是基于灯具和照明这个专业领域的现有知识和经验编制的，可供CIE成员或其他感兴趣的组织使用。
本报告是非强制性的。
CIE的最新活动和信息可以查阅随后可能出版的修改稿。
TC2-45的下列成员参加了本报告的起草，他们来自TC2-45第二分委会“光和辐射的物理测量”。
本报告代替CIE127:
1997。
起草人员：
Goodman,T.Heidel,G.Muray,K.Ohno,Y.Sauter,G.Schanda,J.Steudtner,W.Young,R
英国德国
美国（主编）美国
德国匈牙利德国美国
顾问：
Ashdown,IBando,K.Distl,R.
Gugg-Helminger,T.Mckee,G.Sapritsky,V.Schutte,J.
Sliney,D.Sperling,A.Stlyarevskaya,R.
Valenti,T.
加拿大日本德国德国美国俄罗斯德国美国德国俄罗斯美国
摘要
1.引言
1.1使用范围
1.2术语
1.3目的
1.4LED测量方法的分类
1.4.1实验室方法
1.4.2批量检验方法
2.LED的性能
2.1LEDs的光学性能
2.1.1空间分布
2.1.2光谱分布
2.1.3发射区域
2.2电学特性
2.2.1电器使用条件
2.2.2参考标准的使用
2.2.3与时间有关的操作
2.2.4正向电压
2.2.5环境温度
2.3温度对辐射的影响
2.3.1峰值随温度的漂移
2.3.2温度对效率和功效的影响
2.4产品公差
3.亮度计和辐射计的性能要求
3.1探测器
3.2亮度计和辐射计的角度和空间响应
3.3亮度计和辐射计的光谱响应
3.3.1用亮度计测量白光LED
3.3.2用亮度计测量彩色（非白光）LED
4.定义空间关系的量
4.1标准化因子和相对空间分布
4.2方向量的测量
4.2.1发光强度
4.2.2照度
4.2.3有效发光表面的定位4.2.4“近场”和“远场”条件
4.3平均LED强度
4.4空间性能和方向性能的测量
5.平均LED强度的测量
5.1替代法
5.1.1较少标准时的替代法
5.2光谱失配修正应用
5.3分光光度计的使用
5.4以探测器作标准的方法6．光通量的测试
6.1被测量
6.1.1总光通量
6.1.2部分LED通量
6.2光通量测量方法
6.2.1测角光度计（分布光度计）法
6.2.2积分球法
6.2.3积分球校准和修正方法
7.光谱测量
7.1光谱分布的概念
7.1.1光谱密度
7.1.2标准化因子和相对光谱分布
7.2与光谱分布有关的量
7.2.1峰值
7.2.2半强水平时的光谱带宽
7.2.3半强带宽的中间波长
7.2.4形心波长
7.3光谱分布决定的比色量
7.3.1主波长
7.3.2纯度
7.4LED的光谱测量
7.4.1发光模式
7.4.2总通量模式
7.4.3部分通量模式
7.4.4光谱带宽和扫描间隔的确定
7.4.5其他不确定因素
8.参考文献
LED的测量
摘要
本报告是CIE技术报告CIE127-1997的修订版
LED和其他光源有很大的区别，这就使得CIE有必要引入精确定义测量条件的量来区分它们之间的区别。
这些新的量就是“平均LED强度”和“部分LED光通量”。
本报告详细描述了平均LED强度、总LED通量和部分LED通量以及光谱功率分布的测量条件。
表面上看似乎采用标准LED进行替换的测量方法更简单。
但实际上，对相同颜色的LED进行比较或用颜色修正对测量结果进行修正是非常重要的。
标准LED必须是国家计量院或能溯源到国家计量院的实验室校准过的。
1.前言
CIE127:
2007是CIE127:
1997的修订版，并取代CIE127:
1997。
CIE127:
1997制订
在大功率LED普及之前。
自CIE127:
1997发布以来，LED技术取得了巨大进步，尤其是包括白光在内的各式各样的的大功率LED的出现，使LED测量技术出现了很大的变化，一些新的知识可以获得，CIE127:
2007反映了这些变化，并用测量重复性更好的、改进的LED测量方法进行了更新告。
1.1范围
光辐射半导体元件可以分为明显的两组：
发光二极管（即光发射二极管或LED）和激光二极管。
本报告关心的是第一组，即LED，且只涉及单个LED的测量，不涉及LED串、LED阵列或固定装置使用的LED，也不涉及具有大发光表面的有机发光二极管（OLED）。
本报告涵盖了LED的光度、辐射度和颜色量的测量以及在校准实验室的测量，但不包括生产线上的测量过程，它需要另外考虑。
从实验室中获取高质量的工作标准来保证生产控制用检测设备能恰当的测量已定义的量是设备生产商和使用者的责任。
生产线上的测量建议将会在另一报告中介绍。
检测设备设计和安装后，实验室测量条件造成的偏差和可能的误差来源应仔细检查。
1.2术语
严格地说，“LED”只能用于发射可见光的二极管，发射近红外光线的二极管准确的应该称之为“IRED”，即红外发射二极管。
然而，通常情况下，两种二极管都称为LED，因为两种二极管的大多数测量技术和特点都是相同的。
本报告中的术语LED也包含这两种二极管，而且同样用于发射紫外线的二极管。
与光度、颜色量有关的章节只适用于发射可见光的
二极管，但如果有任何混淆，本报告以适当的注解使其更清楚。
本报告使用了以下几个CIE词汇中没有定义的术语：
•平均LED强度
•部分LED通量
请参看本文的准确定义。
1.3本报告的目的
LED是大批量生产的，且有各种各样的型号规格以满足不同用途的不同规格。
当检测各式各样规格的LED时，必须在检测过程中考虑光辐射的多维空间上特点，这些特点不但与发射二极管有关，还影响接收辐射的探测器。
对检测结果的可能影响的范围也是相当大的，相应的测量不确定度变得很大。
某些LED发射功率的低水平会限制光谱和空间分布的分辨率。
为了增强探测器的信号，在LED辐射场内以一个相当大的角度、以较近的距离测量LED的发光强度成为惯例。
在这种情况下，LED不作为一种点光源测量，测量结果非常依赖测量时所采用的几何学条件，为了减少测量结果的这种偏差，本报告对这种几何条件进行了标准化以便使不同使用者的测量结果具有可比性和重复性。
本报告收集和提供了表征LED性能的、给出一些测量限制条件的各种辐射、光度和颜色量的定义。
本报告给出的新的CIE标准测量条件能用于LED性能的分类。
发射可见光的LED被广泛用于用人眼观察的场合或照明用，因此本报告讨论辐射功率的特征时，不单涉及与辐射度有关的量，适用时还涉及与光度和颜色有关的量。
不管是辐射度还是光度，都应采用适当的SI单位进行测量。
为了描述LED的特征，测量时通常使用稳态条件的直流电源，这种假设的前提是热平衡。
如果电源改为多路工作方式或调制模式，即使这种方式和模式调整成LED在相同有效功率消耗下试验，测量结果是时间的平均值，LED的特性会被严重改变。
产生这种变化的原因和可能的影响需要讨论。
本报告是根据CIETC2-34的以及其后TC2-45的专家的经验和知识制订的，但只能反映本报告出版时的LED领域的知识和发展状态。
这是一个制造和测试技术变化很快的领域，未来的发展完全可能使本报告中某些内容变成过时。
事实也证明，对本报告进行不断的修订以满足新的发展是必须的，如波长更短、亮度更高的LED，这样才能保证本报告的现行有效。
1.4LED测量方法的分类
LED测量方法可以分为两类：
1.4.1实验室方法
大部分LED制造商和大规模使用LED的用户都首先会在先进实验室里标定它的特性。
对每类不同的LED，工作标准用于产品质量控制。
1.4.2批量检验方法
批量检验用于生产质量控制和元件的进货检验。
检测设备运行速度很快以满足大批量元件检验的要求，因此往往对标准的检验条件进行了简化或调整。
这种简化和调整所得到的检测结果只要经过修正就能获得与实验室相同的检测结果。
这种日常检测方法在实验室外使用时，最重要的是要获得稳定的、与被测LED具有相同空间和光谱特性的校准过的标准LED。
因此，如果能保证这种条件，只要可能，只要能保证检测结果的准确性，检测就可以在简单的、相同类型设备（LED）之间直接替代的基础上进行。
2.LED的性能
2.1LED的光学性能
LED的辐射可以用辐射度和光谱辐射度来表示。
如果LED发射是可见辐射，就需要用光度和颜色来定量的表示辐射对人眼的影响。
因此，辐射度、光谱辐射度、光度、色度和它们相应的单位都必须用于表示LED光学辐射特性。
应该注意的是，每个辐射量都有一个类似的光度量（CIE，1983）。
唯一的不同就是，对辐射量而言，辐射是用功率单位来评价的，而对光度量而言，辐射是用光谱亮度效率函数，即V（λ）×Km来表示（Km＝683lm/W）。
为了避免不必要的重复，本报告中凡是注解都适用于辐射量和光度量，而参考只适用于光度量。
如果测量方法是用于辐射量的，那么光度量术语就可以用等效的辐射量代替。
LED光学特性应该建立在其他光源相同的方法和技术的基础上。
各种光度、辐射度、颜色量都收录在国际照明词汇（CIE，1987a）中，比色法的基本概念在CIE的出版物中有描述（CIE，1983；CIE，2004）。
更丰富、更通用的光学和颜色测量方面的内容在参考文献中能找到（如GrumandBartelson1980、WyszeckiandStiles1982）。
市场上有成千上百种LED，它们的辐射不但在光谱分布上不同，而且在空间分布上也不同，范围从近似朗布分布到近似平行光束。
因此，用一些表征灯具辐射的量来描述LED的辐射是合理的。
2.1.1空间分布
LED产生的光辐射是由以某种方式封装起来的半导体薄片发出的。
这种封装在操作、与电器组装、支撑半导体片时起到保护作用。
值得注意的是，通过内置反射体、反射镜、有时掺入其他物质、加滤色镜、荧光层，这种封装经常会改变半导体片发射功率的光谱分布和空间分布。
图1选择了一些LED中发现的空间分布不同的发光强度示意图。
从图1可以看出，数量巨大的分布类型以及由此带来的定义一个统一的测量方法和特性表示方法的困难。
图1经过选择的不同LED的几种发光强度的空间分布图。
该图用标准化的最大发光强度绘制
2.1.2光谱分布
LED光辐射的光谱分布反应了LED的特点以及与其他光源发射的光谱分布在各个方面的不同。
典型的单色LED光谱既不是单色光谱（如激光）也不是宽带光谱（如白炽灯），而是介于两者之间（准单色光谱），它的带宽大约几十个纳米。
典型的LED可见光区域的相对光谱分布如图2所示。
应该注意，LED的发光效率的变化很大程度上取决于峰值波长。
图2一组典型的LED相对光谱功率分布
2.1.3发射区域
用于LED的半导体小包装有各种不同的尺寸和发光表面形状。
发射区域用发光表面的形状、尺寸以及穿过它的光线的型式来表示它的特征。
整个发光表面的亮度是整个发射区域的亮度分布的平均值。
光束出口中心的亮度最大，边缘要小得多。
但是，像LED灯具，亮度亮度分布又是完全不同的。
在某些场合，LED半导体光线出口和探测器之间的距离较小，此时，发光表面相当于被扩展，那么，光源就不能按点光源处理。
在这种情况下，不同距离产生的照度比不再服从平方反比定律，光发射形式取决于发光物的距离。
这种情况称之为“近场”条件。
有关“远场”条件的内容请看参考文献（GoureandMassot,1982）。
相比之下，“远场”条件存在于，发射区域与测量距离相比是足够小，此时平方反比定律其作用，或发射形式不在取决于发射物的距离。
“近场”条件和“远场”条件将在第4部分讨论。
2.2电学特性
2.2.1电器使用条件
LED通常使用正向电压为VF、稳定电流为IF的正向电流，电压在LED的接点测得。
为了保证测量的准确性，建议使用（四极插座）独立连接的电源为LED提供电流和测定电压。
对典型的单次激发LED或多路工作方式LED则需要更高的电流。
LED消耗的功率按下列
公式计算
P＝VF×IF
（1）
低电流时，LED的辐射功率（光通量）比电器功率（开始时）上升的速度快，高电流时（最大功率区域），斜度变得平缓。
这种变化主要是由LED片的发热造成的。
在正常的工作状态下（即启动时和最大功率之间），LED发出的光辐射与电流成线性关系。
因此，要测量LED的特性，建议在恒定电流下进行。
传统的光源，光通量和消耗功之间需要很大的修正，而LED就不同。
在恒定电流下，LED的正向电压随着环境温度的升高而降低。
如果只通过调整电器的使用条件来保证LED消耗功率的不变将会改变LED片的温度，从而影响LED的压降。
因此不建议采用稳定电器功率的方法改善LED辐射输出的稳定性。
2.2.2参考标准的选择和校准
用于测量LED的设备要用经过精心挑选的参考标准进行校准。
电流和LED片的温度都要保持恒定。
当辅助加热装置用于控制LED片的温度时，与正向电压无关的温度可以作为
指示用以维持规定的LED片温度。
当LED用作参考标准时，可以在封装LED内加装独立的电阻或晶体管进行专门制作，这样可以使加热器和LED片之间的热接触最优化。
图3给出了这种参考标准的图示。
强烈建议所有标准LED都采用这种方法。
图3温度稳定的标准LED
最高标准的校准应由国家计量院或能够溯源到国家计量院的实验室进行。
每一个被校准的标准LED都要准确地描述校准方法和测量不确定度，并给出国家计量院的识别。
以特殊方式封装的标准LED应该是某类需要试验的LED的代表性LED。
标准LED事先应经过挑选和老化，如等级评定中的500h老化。
不建议采用大电流的加速老化。
用作标准的LED的光谱和空间分布特性也应与被检测的LED的特性尽可能一致，这点很重要。
封装的标准LED内部应安装恒温器以保持设定的温度和恒定的电流，从而保证LED稳定的光输出。
2.2.3与时间有关的操作
在许多场合，LED在非稳定状态条件下使用，如调制模式、单稳模式或多路工作模式。
因为LED的输出特性受这些条件的影响，因此报告LED的性能数据时，对测量模式作出说明是非常重要的。
2.2.3.1调制电流
电流的增加会同时增加光输出和提高半导体片的温度，然后影响光输出。
在调制电流的情况下，半导体片的温度是波动的，即使调制电流的平均值和稳定电流的值相同，LED的输出也是不同的。
因此，即使LED始终在启动后和最大功率区间内，发光效率he，即发光功率Φe和电流出入功率P的比值，是平均电流的函数。
2.2.3.2脉冲状态工作
在生产过程控制中，测量结果用来表示单颗LED的性能，测量是在单稳电流情况下进行的，测量时间只有几分之一秒，因此近似于典型的稳定电流状态。
对大多数LED来说，在这么短的时间内要使半导体片的温度达到稳定状态，半导体片和封装LED的热容和热导太大了。
这种测量方法改变了LED的特征值。
幸运的是，单稳状态的测量结果能够很好地修正到稳定状态的结果。
一旦得到了特定的LED的修正系数，正确的结果就能通过计算得到。
2.2.3.3多路工作状态
在多路工作状态下，高电流在短时间内被不停地开、关，单位时间内的平均电流值与正常状态下的直流电流值相同。
和单发状态一样，必须建立多路工作状态下的光电输出比和稳定直流电流状态的光输出比之间的修正关系。
这种关系也可以通过一些辅助测量建立。
本报告只限于讨论稳定电流下的工作状态，这种状况下的电学测量方法可以扩展到具有相似调整状态的其他条件下。
光学测量部分不变，但必须保证光度头和光电测量设备取得光线的线性平均值。
2.2.4正向电压
正向电压取决于LED所用的半导体的材料。
不同的材料，正向电压可以相差5倍。
在常用的工作点上，电流设置为20mA，IRED的电压是1.2V，蓝光LED的电压可以达到6.5V。
单个LED的电压VF也取决于电流IF和半导体结点温度TC，结点温度可以用半导体片温度
近似地代替。
VF＝VF（TC，IF）
（2）
总微分dVF分解了两个影响量
dVF＝∂VF.dIF+∂VF.dTC（3）
2.2.4.1由电流决定的正向电压量
∂IF
∂TC
在温度稳定状态下，LED的正向电压和电流之间的关系都遵循一种对所有半导体二极管都普遍的方式。
在通常的工作区间内，即在启动后到最大功率之间，电压和电流存在近似
的线性关系
∂VF≈10（V/A）（4）
∂IF
如果LED在电流IFO和正向电压VFO的额定点工作，电阻的变化
RFO＝∆VFO
∆IFO
那么，电流和电压的关系可以近似地用下式表示
（5）
VF（IF）＝RFO.log（bIF-1）
IFO
式中
（6）
b=exp（VFO）（7）
RFO⨯IFO
图4给出了单额定点LEDVFO=2V，IFO=20mA、四个不同的电阻值时的电流和正向电压的关系
图4典型LED在额定点时不同RF0时正向电压和电流之间的关系。
VFO=2V，IFO=20mA
2.2.4.2由温度决定的正向电压分量
在常温环境下，对大多数LED而言，稳定电流下正向电压的温度影响系数在一个区间
内，即
2.2.5环境温度
∂VF≈（－1.5～2.5）（mV/K）（8）
∂TC
除非特别说明，环境温度Tamb＝25℃作为LED的特征温度。
由于LED消耗功率，半导体片的温度在LED做功后开始上升，然后逐渐稳定，Tchip＞Tamb。
温度的变化速度由LED的输入功率、热容量和热电阻决定。
达到热平衡后，Tchip决定于半导体片与环境间的传热。
传热主要通过半导体片的衬底进行（如果发生结构老化，传热通过导线进行）。
连接LED的连接件的热学性能、连接半导体片和散热器间导线的长短都会严重影响测量结果。
在短时间、单稳状态下，LED半导体片的温度多少会保持一定的不变性，但是在稳定电流状态下，温度经常会发生微小的变化。
调制和多路工作状态下发生的温度变化已经在
2.2.3.1中讨论过。
2.3温度对辐射的影响
2.3.1峰值波长随温度的变化
稳定的电流和温度稳定的电压将使LED的电能消耗稳定。
然而需要注意的是，使功率稳定而不控制温度将导致完全不同的工作条件。
相对光谱分布在两个方面会受到影响：
一方面光谱分布的形状会发生轻微变化，另一方面，当温度上升时，整个光谱分布将发生严重偏移。
GaAsP式LED的光谱向波长更长的方向偏移，而GalnN式LED光谱向波长较短方向偏移。
典型的LED波长的偏移
∂p
∂TC
2.3.2温度对效率和功效的影响
≈（0.1～0.3）（nm/K）（9）
微小的温度变化对LED辐射效率的影响很小，绿光LED的发光效率非常稳定。
因为峰值波长已经接近电压波长函数V（λ）的最大值。
而峰值波长在电压波长函数V（λ）的斜线处的彩色LED，发光效率就会受到光谱分布变化的严重影响，因此红光和蓝光LED的发光效率会随温度的微小变化而产生很大的变化。
既然LED的光谱分布同时取决于消耗的功率和半导体片的温度，那么稳定的电流和温度就是控制工作条件、保证稳定的光谱分布的最好方法。
2.4制造公差
一些表征LED光辐射特性的最重要的量都是与方向有关的。
因此，精确的安装LED对测量非常重要。
不幸的是，在光线前进方向上有两根旋转的轴。
一根轴以封装LED为基础，另一根以辐射的空间分布为基础，这两根轴很少一致。
形状、尺寸、结构都变化的发射区域常常没有一个得到很好定义的限定的孔，因此要确定准确的光线中心非常困难。
归纳典型的制造公差，可以归结为在角度和位置调整上的困难，这些公差导致了测量不确定度的增加。
图5说明了封装LED发射光在几何轴和光学轴的不一致。
在过程检验中，往往没有足够的时间在测量装置中使光强的测量在光学轴上进行。
在选择LED作为标准装置时，只选用几何轴和光学轴一致的LED是很重要的。
图5几何轴和光学轴方向不一致的LED
3.光度计和辐射计
在LED检测中，光度计或辐射计或分光辐射计的使用取决于是否测量辐射量还是光学量还是两者都测量。
分光辐射测量在第7部分中介绍。
典型的光度计和辐射计由探测器、光栅、光入射孔和一个电子电路去放大和测量检测器的输出。
标准光度计的通用要求请看参考文献（即将出版的CIEa）。
下面将叙述与LED检测的有关特定信息和要求。
3.1探测器
硅光电二极管是用于制造检测LED的光度计和辐射计的典型例子。
硅光电二极管对紫外线直至波长大约1100nm的近红外光谱非常敏感，峰值响应900nm左右。
在数十辐射通量范围内，硅光电二极管都有线性响应，在可见光区域，温度影响几乎可以忽略不计。
光栅则更不受温度的影响。
3.2光度计和辐射计的角度和空间响应
测量平均LED发光强度和辐射强度的光度计和辐射计并不需要有余弦响应特性，因为光线是从一个很小的角度射进来的。
只要在LED射入光度计或辐射计的角度范围内有一致的响应即可，因此，在光度计或照度计的前端面上测量辐射强度时通常不需要进行余弦修正。
因此，辐射强度测量时，光度计或辐射计的前端通常不需要进行余弦修正；然而，通过扩散器能够发现一个比探测器的光敏区域要大得多的光敏区域（值得注意的是，如果探测器离光源较近，探测器就需要一个比光度计前入射孔大得多的光敏区域）。
另一方面，如果光度计或辐射计与积分球一起用于光通量或辐射通量的测量就需要进行余弦修正。
当测量平均LED强度（见4.3）时，经过光度计/辐射计入射孔的响应应该均匀以保证被测量的进入入射孔的辐射的比例相同。
有些LED的光束角较小或者强度分布不规则，这就会在入射孔内产生不均匀的照度分布。
如果经过入射孔的响应不均匀，就会使LED平均强度误差很大，特别是像CIE-B类LED。
一个具有很好空间均匀性的光度计通常是一个不带扩散器的光度计（见即将出版的CIEa）（它需要一个大面积的发光二极管），或用一个小型积分球作为光源。
扩散器（如猫眼石）经常用于这种目的，特别是在使用小发光二极管时。
一般情况下，使用扩散器更难获得好的空间均匀性，因此需要仔细设计和挑选扩散器材料以获得足够好的空间均匀性。
3.3光度计和辐射度计的光谱响应
光度计和辐射度计的光谱响应可以通过一个绝对常数和一个相对函数来表达
S（λ）=S0•Sr（λ）（10）
在决定光度探头的光谱响
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