致茂电子光电仪器事业部孙启能。
一、前言。发光二极管(light emitting diode; led)是半导体材料制成的组件，为一种微细的固态光源，可将电能转换为光，其发光原理是在一顺偏之二极管p-n接合面处，自由电子与电洞发生复合作用(recombination)，因自由电子由高能阶掉到能量较低的价带时，释放出能量而产生光与热，其不但体积小，且具有寿命长、驱动电压低、反应速率快、耐震性佳、耗电少、发热少、色彩纯度高等特性，不仅能够配合各种应用设备的轻、薄及小型化之需求，随着蓝光led的开发，亦使得led display得以全彩化，再加上白光led的相继推出，更被誉为是下一代照明工业的主流。综上所述，随着led应用的多元化，在其旋光性与电性的测试筛选上，自然较以往严格许多，试想，在一块显示看板上所使用的led，若其彼此的光电特性差异过大，将造成各点亮度与颜色的不同，降低了整体均匀度，而影响呈现的品质，如此可见led在品管测试上的重要性。
以下本文将就led的特性、旋光性相关量测单位、量测项目与cie建议测试规范做一简介。
二、led的特性与影响因素。
空间辐射(spatial radiation)分布。
led封装后的树脂外壳，除了具有保护晶粒的作用外，亦会影响led发光的方向性，而所谓空间辐射分布，系指不同视角与led的相对发光强度变化关系，即用以描述不同方向下，led的发光强度变化，其系取决于led的封装方式，如内建微透镜将可改变不同视角与相对发光强度的分布关系，以因应用途需求而强化其发光指向性(集中)或扩散性(分散)。
光谱(spectrum)分布。
因使用材料的不同，led可设计出红、橙、黄、绿、蓝、紫等各颜色不同波段的光，以及红外、紫外等不可见光led，且封装外壳颜色亦会对其光谱产生影响，其光谱半波宽(fwhm, full width half maximum)通常较窄，约数十奈米(nm)左右。
工作电流。led的光强度与**电流关系密切，是以量测时之**电流须稳定，以免影响量测结果。
三、旋光性量测单位。
全光通量(total luminous flux; φ
不同波长之光辐射通量对人眼有不同权重之感应，光源之辐射通量依照其内各波长相对应之权重造**眼所感应的通量，称之为光通量，单位为流明(lumen; lm)，而全光通量则定义为光源向各方向所发射光通量之总和，其示意图如下。
光强度(luminous intensity; iv)
光强度定义为单位立体角所发射出的光通量，单位为烛光(candela, cd)。一般而言，光源会向不同方向以不同强度放射出其光通量，在特定方向单位立体角所放出之可见光辐射强度即称之为光强度。示意图如下。
色度(chromaticity)
人眼对色彩的感知是一种错综复杂的过程，为了将色彩的描述加以量化，国际照明协会（cie）根据标准观测者的视觉实验，将人眼对不同波长的辐射能所引起的视觉感加以纪录，计算出红、绿、蓝三原色的配色函数，经过数学转换后即得所谓的cie 1931 color matching function(x(()y(()z(()如下图所示。而根据此一配色函数，后续发展出数种色彩度量定义，使人们得以对色彩加以描述运用。
根据cie 1931配色函数，将人眼对可见光的刺激值以xyz表示，经下列公式换算得到x, y值，即cie 1931(x, y)色度坐标，透过此统一标准，对色彩的描述便得以量化并加以控制。
x, y ：cie 1931 色度坐标值 (chromaticity coordinates)
然而，由于以(x, y)色度坐标所建构之色域为非均匀性，使色差难以量化表示，所以cie于2023年将cie 1931色度坐标加以转换，使其所形成之色域为接近均匀之色度空间，让色彩差异得以量化表示，即cie 1976 ucs(uniform chromaticity scale)色度坐标，以(u', v')表示，计算公式如下所示：
主波长(λd)
其亦为表达颜色的方法之一，在得到待测件的色度坐标(x, y)后，将其标示于cie色度坐标图(如下图)上，连结e光源色度点(色度坐标(x,y)=(0.333, 0.333))与该点并延伸该连结线，此延长线与光谱轨迹(马蹄形)相交的波长值即称之为该待测件的主波长。
惟应注意的是，此种标示方法下相同主波长将代表多个不同色度点，是以用于待测件色度点邻近光谱轨迹时较具意义，而白光led则无法以此种方式描述其颜色特性。
纯度(purity)
其为以主波长描述颜色时之辅助表示，以百分比计，定义为待测件色度坐标与e光源之色度坐标直线距离与e光源至该待测件主波长之光谱轨迹(spectral locus)色度坐标距离的百分比，纯度愈高，代表待测件的色度坐标愈接近其该主波长的光谱色，是以纯度愈高的待测件，愈适合以主波长描述其颜色特性，led即是一例。
色温(color temperature)
一光源之辐射能量分布与某一绝对温度下之标准黑体 (black body radiator) 辐射能量分布相同时，其光源色度与此黑体辐射之色度相同，此时光源色度以所对应之绝对温度表之，此温度称之为色温( color temperature)，而在各温度下之黑体辐射所呈现之色度可在色度图上标出曲线，称之为蒲朗克轨迹(planckian locus)。标准黑体的温度愈高，其辐射出的光线对人眼产生蓝色刺激愈多，红色刺激成分亦相对减少。然而在实际量测上，无任何光源具有跟黑体相同的辐射能量分布，换言之，待测光源之色度通常并未落在蒲朗克轨迹上。
因此计算待测光源之色度坐标所最接近蒲朗克轨迹上某个坐标点，此点之黑体温度即定义为该光源之相关色温(correlated color temperature; cct)，通常以cie 1960 ucs ( u, v)色度图求之，并配合色差△uv加以描述。须注意的是，此种表示方式对光源色度邻近蒲朗克轨迹时方具意义，是以对于led量测而言，仅适用于白光led之颜色描述。
四、量测项目与方式。
以下对led的量测方式说明，系依据「国际照明协会」（cie）之led测试技术报告（cie 127-1997）中之测试规范加以汇整说明。
光强度与色度量测。
当待测光源为点光源时，其光强度值并不会因光源与光侦测器间的距离而改变，然而led并非点光源，因此其光强度会因为量测距离而改变，是以cie制定了条件a与条件b以量测不同辐射空间分布特性led之平均光强度，其分别代表立体角0.001 sr与0.01 sr的测试条件，且在规范光侦测器受光面积皆为100mm2下，led与光侦测器间的距离分别为316 mm及100 mm。
其规范汇整与量测架构示意如下。
半功率角量测。
所谓半功率角定义为仰角0度时，由led的几何中心点起算相对光强度为50﹪的两点间所张之角度。其量测方式系以光侦测器依led中心位置为0度，由-90度扫描至+90度，即可得该待测led之空间辐射分布图，如下图所示。再依定义求得半功率角，惟须注意的是光侦测器的受光面积不宜太大，以免影响量测分辨率。
全光通量量测。
光通量量测有双旋角光度计(goniophotometer)与积分球(integrating sphere)量测两种方式，虽然双旋角光度计可得到精确的量测值，但由于设备昂贵且复杂，一般均采用积分球量测方式，其架构示意如下。须注意的是随待测led大小不同，积分球开孔孔径亦会变化，使用之积分球大小亦须调整匹配。
结论。随着led产品从早期的显示用途扩展到照明设备的应用，以及封装方式的多元化，如何正确地量测led特性，并因应不同应用需求变化量测方式，已成为提升led产品品质的重要课题，是以在进行led量测时，须特别注意下列两个问题：
1. 测试方式是否依循国际公认之量测规范？
为使量测结果可通用比较，测试方式须基于相同条件下方得以沟通，为此，国际照明协会考量led的发光特性，制定了条件a与条件b二种不同测试条件，以量测不同辐射空间分布特性led之平均光强度（cie 127-1997），是以在选择测试设备时，须注意其系统设计是否依循cie测试规范？仪器校正是否追溯国家标准（如美国国家标准nist或中华**国家标准nml）？全光通量量测时积分球是否依待测led尺寸大小选择合适之规格？
以及积分球之几何设计是否合于cie规范？
2. led之特性描述是否完整？
为满足led的多元应用需求，使用之测试设备须可提供以下诸项之测试结果：iv、φ、x, y)、λd、λp 、△0.5、(u',v')、cct、purity、spectral distribution、spatial radiation、vf、ir、vbr、cvf 与 thy。
且为因应多晶封装led之测试需求，其测试系统之软硬件设计亦必须可支持。
综上所述，led业者若能对量测方式有正确认知并加以落实，将更能掌握led的各种特性，进而改善其产品规格，提升附加价值，以利于各式产品的应用。
发光二极管知识
发光二极管介绍。发光二极管简称为led。由镓 ga 与砷 as 磷 p 的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。它是半导体二极管的一种，可以把电...
LED发光二极管的基础知识详解
1l 流明 指1 cd烛光照射在距离为1厘米，面积为1平方厘米的平面上的光通量。1lux 勒克司 指1l的光通量均匀地分布在1平方米面积上的照度。一般主动发光体采用发光强度单位烛光cd，如白炽灯 led等 反射或穿透型的物体采用光通量单位流明l，如lcd投影机等 而照度单位勒克司lux，一般用于摄影...
LED发光二极管内部结构详解
led lamp led 灯 主要由支架 银胶 晶片 金线 环氧树脂五种物料所组成。一 支架 1 支架的作用 用来导电和支撑。2 支架的组成 支架由支架素材经过电镀而形成，由里到外是素材 铜 镍 铜 银这五层所组成。3 支架的种类 带杯支架做聚光型，平头支架做大角度散光型的lamp。a 2002杯 ...