CIE 225-2017 Optical Measurement of High-Power LEDs.pdf

1、 TECHNICAL REPORT Optical Measurement of High-Power LEDs CIE 225:2017 UDC: 535.24 Descriptor: Photometry 535.65 Colorimetry 535.243 Spectrophotometry ISBN 978-3-902842-12-1 DOI: 10.25039/TR.225.2017 THE INTERNATIONAL COMMISSION ON ILLUMINATION The International Commission on Illumination (CIE) is an

2、 organization devoted to international co -operation and exchange of information among its member countries on all matters relating to the art and science of lighting. Its membership consists of the National Committees in about 40 countries. The objectives of the CIE are: 1. To provide an internatio

3、nal forum for the discussion of all matters relating to the science, technology and art in the fields of light and lighting and for the interchange of information in these fields between countries. 2. To develop basic standards and procedures of metrology in the fields of light and lighting. 3. To p

4、rovide guidance in the application of principles and procedures in the development of international and national standards in the fields of light and lighting. 4. To prepare and publish standards, reports and other publications concerned with all matters relating to the science, technology and art i

5、n the fields of light and lighting. 5. To maintain liaison and technical interaction with other international organizations concerned with matters related to the science, technology, standardization and art in the fields of light and lighting. The work of the CIE is carried out by Technical Committe

6、es, organized in seven Divisions. This work covers subjects ranging from fundamental matters to all types of lighting applications. The standards and technical reports developed by these international Divisions of the CIE are accepted throughout the world. A plenary session is held every four years

7、at which the work of the Divisions and Technical Committees is reported and reviewed, and plans are made for the future. The CIE is recognized as the authority on all aspects of light and lighting. As such it occupies an important position among international organizations. LA COMMISSION INTERNATION

8、ALE DE LECLAIRAGE La Commission Internationale de lEclairage (CIE) est une organisation qui se donne pour but la coopration internationale et lchange dinformations entre les Pays membres sur toutes les questions relatives lart et la science de lclairage. Elle est compose de Comits Nationaux reprsent

9、ant environ 40 pays. Les objectifs de la CIE sont : 1. De constituer un centre dtude international pour toute matire relevant de la science, de la technologie et de lart de la lumire et de lclairage et pour lchange entre pays dinformations dans ces domaines. 2. Dlaborer des normes et des mthodes de

10、base pour la mtrologie dans les domaines de la lumire et de lclairage. 3. De donner des directives pour lapplication des principes et des mthodes dlaboration de normes internationales et nationales dans les domaines de la lumire et de lclairage. 4. De prparer et publier des normes, rapports et autre

11、s textes, concernant toutes matires rel atives la science, la technologie et lart dans les domaines de la lumire et de lclairage. 5. De maintenir une liaison et une collaboration technique avec les autres organisations internationales concernes par des sujets relatifs la science, la technologie, la

12、normalisation et lart dans les domaines de la lumire et de lclairage. Les travaux de la CIE sont effectus par Comits Techniques, organiss en sept Divisions. Les sujets dtudes stendent des questions fondamentales, tous les types dapplications de lclairage. Les normes et les rapports techniques labors

13、 par ces Divisions Internationales de la CIE sont reconnus dans le monde entier. Tous les quatre ans, une Session plnire passe en revue le travail des Divisions et des Comits Tech niques, en fait rapport et tablit les projets de travaux pour lavenir. La CIE est reconnue comme la plus haute autorit e

14、n ce qui concerne tous les aspects de la lumire et de lclairage. Elle occupe comme telle une position importante parmi les organisations internationales. DIE INTERNATIONALE BELEUCHTUNGSKOMMISSION Die Internationale Beleuchtungskommission (CIE) ist eine Organisation, die sich der internationalen Zusa

15、mmenarbeit und dem Austausch von Informationen zwischen ihren Mitgliedslndern bezglich der Kunst und Wissenschaft der Lichttechnik widmet. Die Mitgliedschaft besteht aus den Nationalen Komitees in rund 40 Lndern. Die Ziele der CIE sind: 1. Ein internationales Forum fr Diskussionen aller Fragen auf d

16、em Gebiet der Wissenschaft, Technik u nd Kunst der Lichttechnik und fr den Informationsaustausch auf diesen Gebieten zwischen den einzelnen Lndern zu sein. 2. Grundnormen und Verfahren der Messtechnik auf dem Gebiet der Lichttechnik zu entwickeln. 3. Richtlinien fr die Anwendung von Prinzipien und V

17、orgngen in der Entwicklung internationaler und nationaler Normen auf dem Gebiet der Lichttechnik zu erstellen. 4. Normen, Berichte und andere Publikationen zu erstellen und zu verffentlichen, die alle Fragen auf dem Gebiet der Wissenschaft, Technik und Kunst der Lichttechnik betreffen. 5. Liaison un

18、d technische Zusammenarbeit mit anderen internationalen Organisationen zu unterhalten, die mit Fragen der Wissenschaft, Technik, Normung und Kunst auf dem Gebiet der Lichttechnik zu tun haben. Die Arbeit der CIE wird durch Technische Komitees geleistet, die in sieben Divisionen organisiert sind. Die

19、se Arbeit betrifft Gebiete mit grundlegendem Inhalt bis zu allen Arten der Lichtanwendung. Die Normen und Technischen Berichte, die von diesen international zusammengesetzten Divisionen ausgearbeitet werden, sind auf der ganzen Welt anerkannt. Alle vier Jahre findet eine Session statt, in der die Ar

20、beiten der Divisionen berichtet und berprft werden, sowie neue Plne fr die Zukunft ausgearbeitet werden. Die CIE wird als hchste Autoritt fr alle Aspekte des Lichtes und der Beleuchtung angesehen. Auf diese Weise unterhlt sie eine bedeutende Stellung unter den internationalen Organisationen. Publish

21、ed by the COMMISSION INTERNATIONALE DE LECLAIRAGE CIE Central Bureau Babenbergerstrasse 9, A-1010 Vienna, AUSTRIA Tel: +43(1)714 31 87 e-mail: ciecbcie.co.at www.cie.co.at CIE 2017 - All rights reserved TECHNICAL REPORT Optical Measurement of High-Power LEDs CIE 225:2017 UDC: 535.24 Descriptor: Phot

22、ometry 535.65 Colorimetry 535.243 Spectrophotometry ISBN 978-3-902842-12-1 DOI: 10.25039/TR.225.2017 CIE 225:2017 II This Technical Report has been prepared by CIE Technical Committee 2-63 of Division 2 “Physical Measurement of Light and Radiation” and has been approved by the Board of Administratio

23、n as well as by Division 2 of the Commission Internationale de lEclairage for study and application. The document reports on current knowledge and experience within the specific field of light and lighting described, and is intended to be used by the CIE membership and other interested parties. It s

24、hould be noted, however, that the status of this document is advisory and not mandatory. Ce rapport technique a t labor par le Comit Technique CIE 2-63 de la Division 2 “Mesures Physiques de la Lumire et des Radiations“ et a t approuv par le Bureau et Division 2 de la Commission Internationale de lE

25、clairage, pour tude et emploi. Le document expose les connaissances et lexprience actuelles dans le domaine particulier de la lum ire et de lclairage dcrit ici. Il est destin tre utilis par les membres de la CIE et par tous les intresss. Il faut cependant noter que ce document est indicatif et non o

26、bligatoire. Dieser Technische Bericht ist vom Technischen Komitee CIE 2-63 der Division 2 “Physikalische Messungen von Licht und Strahlung“ ausgearbeitet und vom Vorstand sowie Division 2 der Commission Internationale de lEclairage gebilligt worden. Das Dokument berichtet ber den derzeitigen Stand d

27、es Wissens und Erfahrung in dem behandelten Gebiet von Licht und Beleuchtung; es ist zur Verwendung durch CIE-Mitglieder und durch andere Interessierte bestimmt. Es sollte jedoch beachtet werden, dass das Dokument eine Empfehlung und keine Vorschrift ist. Any mention of organizations or products doe

28、s not imply endorsement by the CIE. Whilst every care has been taken in the compilation of any lists, up to the time of going to press, these may not be comprehensive. Toute mention dorganisme ou de produit nimplique pas une prfrence de la CIE. Malgr le soin apport la compilation de tous les documen

29、ts jusqu la mise sous presse, ce travail ne saurait tre exhaustif. Die Erwhnung von Organisationen oder Erzeugnissen bedeutet keine Billigung durch die CIE. Obgleich groe Sorgfalt bei der Erstellung von Verzeichnissen bis zum Zeitpunkt der Drucklegung angewendet wurde, besteht die Mglichkeit, dass d

30、iese nicht vollstndig sind. CIE 2017 - All rights reserved CIE 225:2017 III The following members of TC 2-63 “Optical Measurement of High-Power LEDs” took part in the preparation of this Technical Report. The committee comes under Division 2 “Physical Measurement of Light and Radiation”. Authors: Zo

31、ng, Y. (Chair) USA Chou, P. Chinese Taipei Dekker, P. Netherlands Distl, R. Germany Godo, K. Japan Hanselaer, P. Belgium Heidel, G. Germany Hulett, J. USA Oshima, K. Japan Poppe, A. Hungary Sauter, G. Germany Schneider, M. Germany Shen, H. China Sisto, M.M. Canada Sperling, A. Germany Young, R. Germ

32、any Zhao, W. China Advisors: Cariou, N. France Csuti, P. Hungary Hua, S. China Kang, J. South Korea Kohmoto, K. Japan Lou, N. USA Mou, T. China Muray, K. USA Naegele, T. Germany Ohno, Y. USA Pan, J. China Schakel, M. Netherlands Venkataramanan, V. Canada Wagner, N. Germany Zhu, S. USA CIE 225:2017 I

33、V CONTENTS Summary VI Rsum VI Zusammenfassung VI 1 Introduction 1 2 Scope . 2 3 Terms and definitions . 3 4 Method for setting junction temperatures of HP-LEDs . 3 5 Measurement setups 7 5.1 Optical bench 7 5.2 Goniophotometer/gonioradiometer. 8 5.3 Integrating sphere . 9 5.3.1 2 integrating sphere

34、. 9 5.3.2 4 integrating sphere . 12 6 Photometric measurements 12 6.1 Luminous intensity 13 6.1.1 Using a photometer . 13 6.1.2 Using a spectroradiometer . 14 6.2 Total luminous flux 15 6.2.1 Goniophotometer method 15 6.2.2 Integrating sphere method . 16 7 Radiometric measurements 19 7.1 Radiant int

35、ensity . 19 7.1.1 Using a radiometer 19 7.1.2 Using a spectroradiometer . 20 7.2 Total radiant flux . 21 7.2.1 Gonioradiometer method . 21 7.2.2 Integrating sphere method . 22 8 Colorimetric measurements 24 9 Calculation of thermal resistance 24 10 Measurement uncertainties . 25 10.1 Contributions f

36、rom ambient and operational conditions 25 10.2 Contributions from non-perfect instruments . 26 Annex A Alternative method for setting junction temperatures of HP-LEDs by first measuring thermal resistance . 27 Annex B Extrapolation of forward voltage to UF(0) 29 Annex C Characteristics of HP-LEDs 33

37、 C.1 Electrical characteristics 33 C.2 Thermal characteristics . 34 C.2.1 Junction temperature . 34 C.2.2 Ambient temperature . 35 C.2.3 Optical characteristics . 35 Annex D Instrumentation . 36 D.1 Current sources and multimeters . 36 D.2 Photometers 36 CIE 225:2017 V D.3 Radiometers 36 D.4 Array s

38、pectroradiometers 36 Annex E Calibration standards 37 E.1 Spectral irradiance standard lamps . 37 E.2 2 total spectral radiant flux standards 37 E.3 4 total spectral radiant flux standard lamps 37 E.4 Standard HP-LEDs 37 References . 38 CIE 225:2017 VI OPTICAL MEASUREMENT OF HIGH-POWER LEDS Summary

39、Measurement results for light emitting diodes (LEDs) strongly depend on their thermal conditions. In order to achieve reproducible results with small uncertainties it is critical to accurately set and control the junction temperature of an LED during the time of optical measurement. This technical r

40、eport describes the methods and procedures for measurement of high-power LEDs (HP-LEDs) under DC operation to acquire photometric, radiometric, and colorimetric quantities at a specified junction temperature. MESURES OPTIQUES DE DELS HAUTE PUISSANCE Rsum Les rsultats de mesures optiques de diodes le

41、ctroluminescentes (LEDs) dpendent fortement de leur environnement thermique. Pour obtenir des rsultats reproductibles avec de faibles incertitudes, il est critique dajuster et de contrler prcisment la temprature de jonction de la LED au cours de la mesure optique. Ce document technique dcrit les mth

42、odes et les procdures de mesures pour lacquisition des donnes photomtriques, radiomtriques et colorimtriques de LEDs haute puissance (HP-LEDs), en mode DC (continu) et une temprature de jonction spcifie. OPTISCHE MESSUNGEN AN HOCHLEISTUNGS-LEDS Zusammenfassung Messergebnisse fr lichtemittierende Dio

43、den (LEDs) hngen stark von den technischen Bedingungen ab. Um reproduzierbare Ergebnisse mit geringen Unsicherheiten zu erhalten, ist es entscheidend, die Sperrschichttemperatur der LED whrend der Dauer der optischen Messung exakt festzulegen und zu kontrollieren. Dieser technische Bericht beschreib

44、t die Methoden und Prozeduren fr die Messung von Hochleistungs-LEDs unter Gleichspannungsbetrieb, um photometrische, radiometrische und farbmetrische Gren bei einer festgelegten Sperrschichttemperatur zu erlangen. CIE 225:2017 1 1 Introduction High-power light emitting diodes (HP-LEDs, see 3.1), mos

45、t of which are white HP-LEDs for lighting applications, are now widely used in all types of solid-state lighting products. The technical report CIE 127:2007 (CIE 2007) has addressed many issues with regard to the optical measurement of LEDs in general, but it does not cover HP-LEDs. Optical measurem

46、ent of HP-LEDs has been difficult because they are highly sensitive to their thermal conditions, in particular, their junction temperatures that vary significantly with operating conditions. LED manufacturers commonly measure HP-LEDs using a milliseconds-long single pulse or microseconds-long multip

47、le pulse train without mounting the HP-LEDs on a heat sink, and it is assumed that the pulse is short enough so that the junction temperature, TJ, is close to the ambient temperature (typically 25 C) (CIE 2017). Therefore, published HP-LED specifications normally refer to TJ=25 C. However, HP-LEDs i

48、n lighting applications are commonly operated in DC mode and at much higher temperatures (ranging from TJ=50 C to over TJ=120 C), where their photometric, radiometric, and colorimetric values deviate significantly. To meet the specifications of a lighting product, HP-LED users need to know the perfo

49、rmance of an HP-LED at a known, hot condition. To set or monitor the thermal condition of an HP-LED, “case temperature”, “pin temperature”, “board temperature”, “solder-point temperature”, or “heat sink temperature” is often used. Such a thermal reference is useful to ensure that the operating temperature of an HP-LED does not exceed the allowed maximum temperature or to reproduce the same thermal condition