CIE 127-1997

rJj L f ISBN 3 900 734 84 4 COMMISSION INTERNATIONALE DE L'ÉCLAIRAGE INTERNATIONAL COMMISSION ON ILLUMINATION INTERNATIONALE BELEUCHTUNGSKOMMISSION MEASUREMENT of LEDs CIE 127 - 1997 UDC: 53.085.342 Descriptors: Light sources, indicating devices 535.24 Photometry 621.3.032.32 Light-emitting elements Copyright International Commission on Illumination Provided by IHS under license with CIE Not for ResaleNo reproduction or networking permitted without license from IHS --```,,-`-`,,`,,`,`,,`--- STD-CIE L27-ENGL 1777 = 900bLLI5 000587'4 b74 THE INTERNATIONAL COMMISSION ON ILLUMINATION The International Commission on Illumination (CIE) is an organisation devoted to international co-operation and exchange of infomation among its member countries on all matters relating to the art and science of lighting. Its membership consists of the National Committees in 40 countries and one geographical area and of 12 individual members. The objectives of the CIE are : 1. To provide an international 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 provide 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 in the fields of light and lighting. 5. To maintain liaison and technical interaction with other international organisations concerned with matters related to the science, technology, standardisation and art in the fields of light and lighting. The work of the CIE is carried on by seven Divisions each with about 20 Technical Committees. 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 at which the work of the Divisions and Technical Committees is reviewed, reported and plans are made for the future. The CIE is recognised as the authority on all aspects of light and lighting. As such it occupies an important position among intemational organisations. LA COMMISSION INTERNATIONALE DE L'ÉCLAIRAGE La Commission Internationale de I'Eclairage (CIE) est une organisation qui se donne pour but la coopération internationale et l'échange d'informations entre les Pays membres sur toutes les questions relatives a l'art et a la science de l'éclairage. Elle est composée de Comités Nationaux représentant 40 pays plus un territoire géographique, et de 12 membres individuels. Les objectifs de la CIE sont : 1. De constituer un centre d'étude intemational pour toute matire relevant de la science, de la technologie et de l'art de la lumière et de l'éclairage et pour l'échange entre pays d'informations dans ces domaines. 2. D'élaborer des normes et des méthodes de base pour la métrologie dans les domaines de la lumière et de l'éclairage. 3. De donner des directives pour l'application des principes et des méthodes d'élaboration de normes internationales et nationales dans les domaines de la lumière et de l'éclairage. 4. De préparer et publier des normes, rapports et autres textes, concernant toutes matières relatives a la science, la technologie et l'art dans les domaines de la lumihre et de l'éclairage. 5. De maintenir une liaison et une collaboration technique avec les autres organisations intemationales concernées par des sujets relatifs a la science, la technologie, la normalisation et l'art dans les domaines de la lumière et de l'éclairage. Les travaux de la CIE sont effectues par 7 Divisions, ayant chacune environ 20 Comités Techniques. Les sujets d'études s'étendent des questions fondamentales, a tous les types d'applications de I'édairage. Les nonnes et les rapports techniques élaborés par ces Divisions Internationales de la CIE sont reconnus dans le monde entier. Tous les quatre ans. une Session plénière passe en revue le travail des Divisions et des Comités Techniques, en fait rapport et établit les projets de travaux pour l'avenir. La CIE est reconnue comme la plus haute autorité en ce qui concerne tous les aspects de la lumière et de l'éclairage. Elle occupe comme telle une position importante panni les organisations internationales. DIE INTERNATIONALE BELEUCHTUNGSKOMMISSION Die Intemationale Beleuchtungskommission (CIE) ist eine Organisation. die sich der internationalen Zusammenarbeit und dem Austausch von Informationen zwischen ihren Mitgliedsländem bezüglich der Kunst und Wissenschaft der Lichttechnik widmet. Die Mitgliedschafi besteht aus den Nationalen Komitees in 40 Ländern und einem geographischen Gebiet und aus 12 persönlichen Mitgliedern. Die Ziele der CIE sind : 1. Ein internationaler Mittelpunkt für Diskussionen aller Fragen auf dem Gebiet der Wissenschaft, Technik und Kunst der Lichttechnik und für den Informationsaustausch auf diesen Gebieten zwischen den einzelnen Ländern zu sein. 2. Grundnormen und Verfahren der Meßtechnik auf dem Gebiet der Lichttechnik zu entwickeln. 3. Richtlinien für die Anwendung von Prinzipien und Vorgängen in der Entwicklung internationaler und nationaler Normen auf dem Gebiet der Lichttechnik zu erstellen. 4. Normen, Berichte und andere Publikationen zu erstellen und zu veröffentlichen, die alle Fragen auf dem Gebiet der Wissenschaft. Technik und Kunst der Lichttechnik betreffen. 5. Liaison und technische Zusammenarbeit mit anderen internationalen Organisationen zu unterhalten, die mit Fragen der Wissenschaft, Technik, Normung und Kunst auf dem Gebiet der Lichttechnik LU tun haben. Die Arbeit der CIE wird in 7 Divisionen, jede mit etwa 20 Technischen Komitees, geleistet. Diese 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 von der ganzen Welt anerkannt. Tagungen werden alle vier Jahre abgehalten, in der die Arbeiten der Divisionen überprüft und berichtet und neue Pläne fur die Zukunft ausgearbeitet werden. Die CIE wird als höchste Autorität für alle Aspekte des Lichtes und der Beleuchtung angesehen. Auf diese Weise unterhält sie eine bedeutende Stellung unter den internationalen Organisationen. Published by the COMMISSION INTERNATIONALE DE L'ECIAIFWGE CIE Central Bureau Kegelgasse 27. A-1030 Vienna. AUSTRIA Tel: +43(01)714 31 87 O. Fax: +43(01)713 08 38 18 e-mail: ciecb@ping.at, W: http://www.cie.co.at/cie/home.html Copyright International Commission on Illumination Provided by IHS under license with CIE Not for ResaleNo reproduction or networking permitted without license from IHS - - ` ` ` , , - ` - ` , , ` , , ` , ` , , ` - - - S T D - C I E 127-ENGL 1777 900bLY5 0005875 500 CIE 127- 1997 This Technical Report has been prepared by CIE Technical Committee 2-34 of Division 2 “Physical measurement of light and radiation” and has been approved by the Board of Administration of the Commission Internationale de I’Eclairage 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 should be noted, however, that the status of this document is advisory and not mandatory. The latest CIE proceedings or CIE NEWS should be consulted regarding possible subsequent amendments. Ce rapport technique a été préparé par le Comité Technique CIE 2-34 de la Division 2 “Mesures physiques de la lumière et des radiations“ et a été approuvé par le Bureau d’Administration de la Commission Internationale de I’Eclairage, pour étude et application. Le document traite des connaissances courantes et de i’expérience dans le domaine spécifique indiqué de la lumière et de l’éclairage, et il est établi pour l’usage des membres de la CIE et autres groupements intéressés. II faut cependant noter que ce document est indicatif et non obligatoire. Pour connaître d’éventuels amendements, consulter les plus récents comptes rendus de la CIE ou le CIE NEWS. Dieser Technische Bericht ist vom CIE Technischen Komitee 2-34 der Division 2 “Physikalische Messungen von Licht und Strahlung” ausgearbeitet und vom Vorstand der Commission Internationale de I’Eclairage gebilligt worden. Das Dokument berichtet über den derzeitigen Stand des 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. Die neuesten CIE-Tagungsberichte oder das CIE NEWS sollten im Hinblick auf mögliche spätere hderungen zu Rate gezogen werden. Any mention of organisations or products does 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 d’organisme ou de produit n’implique pas une préférence de la CIE. Malgré le soin apporte à la compilation de tous les documents jusqu’à la mise sous presse, ce travail ne saurait être exhaustif. Die Erwähnung von Organisationen oder Erzeugnissen bedeutet keine Billigung durch die CIE. Obgleich große Sorgfalt bei der Erstellung von Verzeichnissen bis zum Zeitpunkt der Drucklegung angewendet wurde, ist es möglich, daß diese nicht vollständig sind. O CIE 1997 II Copyright International Commission on Illumination Provided by IHS under license with CIE Not for ResaleNo reproduction or networking permitted without license from IHS - - ` ` ` , , - ` - ` , , ` , , ` , ` , , ` - - - ~ ~~~ ~ STD-CIE 127-ENGL 1 9 9 7 700bL45 000587b 997 CIE 127- 1997 The following members of TC 2-34 LED Measurements took part in the preparation of this technical report. TC 2-34 comes under Division 2 (Physical measurement of light and radiation). Members: Angerstein, Jorg , Distl, Richard Goodman, Teresa M Heidel, Günther Moore, John Muray, Kathleen, Chair Ohno, Yoshi Rastello, Maria Luisa Sauter, Georg Schanda, János Schumancher, K. Sojourner, Spike Germany Germany Great Britain Germany Great Britain USA USA Italy Germany Hungary Germany USA Advisers: Byrn, Mkie USA Hwang Jyh-Der China Kerr, Kevin USA Lester, Steve USA Scarangello, John USA Editor of the publication was Kathleen Muray, chair of TC 2-34 Main authors of the publication were: Moore, John Great Britain M uray , Kathleen, USA Sauter, Georg Germany Schanda, János Hungary Copyright International Commission on Illumination Provided by IHS under license with CIE Not for ResaleNo reproduction or networking permitted without license from IHS - - ` ` ` , , - ` - ` , , ` , , ` , ` , , ` - - - ~ ~ _ _ _ _ ~ S T D - C I E 127-ENGL 1777 700bLLi5 0005877 3 8 3 H CIE 127- 1997 Con tents: I. Introduction 1.1 Scope 1.2 Terminology I .3 1.4 Categories of LED measurement Purpose of the Report 2. Properties of LEDs 2.1 Optical properties of LEDs 2.1 .I Spatial distribution 2.1.2 Spectral distribution 2.1.3 Area of emittance 2.2 Electrical characteristics 2.2.1 Electrical operating conditions 2.2.2 Time dependent operation 2.2.3 Forward voltage 2.2.4 Ambient temperature Influence of temperature on the radiation 2.3.1 Shift of peak wavelength with temperature 2.3.2 Effects of temperature on efficiency and efficacy 2.3 2 2 3 3 4 4 4 6 7 8 9 9 9 3. Production tolerances 9 4. Properties of the detector 10 4.1 Spectral responsivity of the detector I O 4.2 LED measurements with a detector using the comparison method 11 5. Quantities defining spatial relations 5. I 5.2 Measurement of directional quantities Normalization factor and relative spatial distribution 5.2.1 Luminous intensity 5.2.2 Illuminance 5.2.3 Location of the effective emitting surface 5.2.4 "Near-field" and "far-field" measurement conditions 5.3 Averaged LED intensity 5.4 Measurement of spatial and directional properties 6. Measurement of total luminous flux 6.1 Goniophotometer method 6.2 Integrating sphere method 12 12 13 13 14 14 14 14 16 16 16 17 7. Quantities related to spectral distribution 17 IV Copyright International Commission on Illumination Provided by IHS under license with CIE Not for ResaleNo reproduction or networking permitted without license from IHS - - ` ` ` , , - ` - ` , , ` , , ` , ` , , ` - - - ~ S T D - C I E L27-ENGL 1777 '700bL45 0005878 21T CIE 127- 1997 7.1 The concept of spectral distribution 7.1.1 Spectral concentration 7.1.2 Normalization factor and relative spectral distribution Characteristic wavelengths and spectral bandwidth 7.2.1 Peak wavelength 7.2.2 Spectral bandwidth at half intensity level 7.2.3 Centre wavelength of half intensity bandwidth 7.2.4 Centroid wavelength Colorimetric quantities determined from the spectral distribution 7.3.1 Dominant wavelength 7.3.2 Purity Measurement of the spectral distribution 7.2 7.3 7.4 17 17 18 18 18 18 18 19 19 20 20 21 8. Bibliography 21 Summary Measurement of LEDs There are significant differences between LEDs and other light sources which made it necessary for the CIE to introduce a new quantity for their characterization with precisely defined measurement conditions. The new quantity has been given the name "Averaged LED Intensity". It can be used to provide meaningful and reproducible data for many of the different types of LEDs now on the market. The evaluation of the luminous flux must be carried out with caution, utilizing specially constructed integrating spheres. Best results will be obtained if luminous intensity and luminous flux are measured using a comparison method and every laboratory should have available a standard, temperature controlled and calibrated LED with the same spectral and spatial power distribution as the test LEDs to allow measurements to be made on this basis. Spectroradiometric measurements can be performed using the same technique as for other light sources with careful alignment along the optical axis. Résumé Mesure des diodes électroluminescentes (DEL) Les différences significatives existant entre les diodes électroluminescentes et les autres sources de rayonnement rendent nécessaire la définition d'une nouvelle grandeur pour les caractériser : "l'intensité moyenne de la diode électroluminescente" mesurée dans des conditions parfaitement définies. Cette grandeur permet d'obtenir des valeurs numériques reproductibles et significatives pour la plupart des diodes électroluminescentes disponibles sur le marché. La détermination du flux lumineux demande une attention particulière et nécessite I'utilisation d'une sphère d'intégration réalisée spécialement pour ces composants. La mesure de l'intensité lumineuse et du flux lumineux par méthode de comparaison permet d'obtenir les meilleurs résultats; dans chaque laboratoire, une diode électroluminescente étalon, stabilisée en température et étalonnée, ayant les mêmes distributions spectrale et spatiale que les diodes électroluminescentes a mesurer devrait être disponible pour les mesures par comparaison, Les mesures spectro-radiométriques peuvent être effectuées selon les mêmes techniques que celles utilisées pour les sources classiques mais en prenant soin d'aligner correctement la diode électroluminescente selon l'axe optique du système de mesure. V Copyright International Commission on Illumination Provided by IHS under license with CIE Not for ResaleNo reproduction or networking permitted without license from IHS - - ` ` ` , , - ` - ` , , ` , , ` , ` , , ` - - - S T D - C I E 127-ENGL 1797 m 7006145 0005877 L5 b m CIE 127- 1997 Zusammenfassung LED Messungen Wesentliche Unterschiede in den Abstrahleigenschaften von LEDs zu anderen Lichtquellen haben die Einführung einer neuen Einheit für deren Charakterisierung erforderlich gemacht: Der “LED- lntensitätsmittelwert” (engl.: Averaged LED Intensity) mit genau festgelegten Meßbedingungen. Diese Größe kann bei einer großen Vielzahl von am Markt befindlichen LEDs angewendet werden um aussagefähige und reproduzierbare Meßwerte zu erhalten. Die Bestimmung des Lichtstromes muß sehr sorgfältig durchgeführt werden, wobei hierfür speziell für LEDs konstruierte Ulbricht-Kugeln verwendet werden sollen. Für die Messung der Lichtstärke und des Lichtstromes können die besten Ergebnisse nach der Vergleichsmethode erzielt werden. Deshalb sollte in jedem Meßlabor eine kalibrierte und temperaturstabilisierte Standard-LED verfügbar sein. Diese sollte ferner eine gleiche Verteilung der spektralen und räumlichen Leistung wie die Test-LEDs aufweisen, um so Vergleichsmessungen zu erlauben. Spektralradiometrische Messungen können nach den gleichen Methoden wie für andere Lichtquellen erfolgen. Hierbei ist eine sorgfältige Ausrichtung der optischen Achse wichtig. VI Copyright International Commission on Illumination Provided by IHS under license with CIE Not for ResaleNo reproduction or networking permitted without license from IHS - - ` ` ` , , - ` - ` , , ` , , ` , ` , , ` - - - CIE 127 - 1997 Measurement of LEDs I. Introduction 1.1 Scope Semiconductor devices which emit optical radiation can be divided into two distinct groups, luminescent diodes, usually known as Light Emitting Diodes or LEDs, and laser diodes. The present report is concerned only with the first group, conventional LEDs. Laser diodes, like other types of lasers, emit radiation in a coherent, spatially narrow beam with quasi-monochromatic spectral characteristics. They require a completely different measurement technique to ordinary LEDs and are not dealt with in this report. I .2 Terminology Strictly speaking, the term LED should only be applied to those diodes which emit visible light. Those which emit radiation in the near infrared should, more correctly, be called IREDs (Infrared Emitting Diodes). In general, however, both groups are widely referred to as LEDs and, since most of the measurement techniques and characterizations are identical for the two groups, the term LED is used throughout this report to cover both types. The sections relating to photometric and colorimetric quantities clearly apply only to those devices emitting visible light, but if there is any uncertainty this will be made clear at the appropriate point. 1.3 Purpose of the Report LEDs are produced in enormous quantities and in a wide range of different types to meet the very different specifications of a variety of applications. When the wide range of different types of LEDs is combined with the multi-dimensional properties of the emitted optical radiation which must be considered during a measurement, not only in relation to the emitting diode but also as they affect the receiving detector, the range of possible influences on the result of a measurement is considerable and the related measurement uncertainty becomes correspondingly high. The low level of the radiant power emitted by some LEDs can limit the resolution with which the spectral and spatial distributions can be measured and, in order to increase the signal at the detector, it has become common practice to measure an averaged value of a spatial quantity such as directional intensity. Until the publication o