技術(shù)干貨分享：色溫均勻性對LED前照燈的重要性

LED汽車前照燈作為LED在車燈領(lǐng)域的最高端應(yīng)用，尚處于起步階段。一方面，LED作為前照燈的一種新型光源，本身需要攻克的基本技術(shù)難點有很多，所以目前開發(fā)精力主要集中在實現(xiàn)良好的遠近光光型分布、總光通量的輸出表現(xiàn)、燈具的散熱方案、控制技術(shù)、外觀造型上。

另一方面國內(nèi)外LED前照燈標準只涉及顏色范圍，顏色穩(wěn)定性及顯色性指標等，而對于使用時視覺舒適性的研究較少。人眼長期處于混合色溫中看東西易造成視覺疲勞和其他不舒適感，研究顯示混合色溫車燈比單一色溫車燈更能探測到目標，所以，色溫不均勻性會影響駕駛安全。

此外，色溫均勻性差的LED前照燈主觀評價時將占據(jù)明顯不利地位，其也影響車燈美觀和舒適性。

圖1 LED車燈色溫均勻測試

此外，色溫均勻性差的LED前照燈主觀評價時將占據(jù)明顯不利地位，其也影響車燈美觀和舒適性。我們選擇一種LED前照燈做為實驗樣本，實驗結(jié)果顯示此燈不論近光或遠光的色溫均勻性都不是很好。首先、遠近光燈最大色溫點和最小色溫差距在1600K、1300K以上。有研究認為人眼極可分辨色溫最小可達50-100K.我們測量色溫差值的數(shù)據(jù)為它的10倍。這樣嚴重的色溫離散性出乎人們意料。

從遠近光的空間色溫分布圖中可觀察到Gamma角方向上，0度到30度范圍的色溫均值要高于0到-30°范圍內(nèi)的色溫，而在這個區(qū)域內(nèi)，0-10度范圍內(nèi)的色溫明顯高于其他區(qū)域。這與前照燈的出光角度有關(guān)，前照燈的投射目標是行駛路面，所以中心光強會水平向下偏離10°左右。

由于前照燈的光束角又十分窄，主光束角以外的色溫往往不被實際使用。根據(jù)以上現(xiàn)象我們得出結(jié)論：分布式光度計上測量的前照燈色溫分布無法直觀地反映出色溫分布規(guī)律。因此我們改用這種燈對測試屏色溫分布進行觀測。

在評價前照燈色溫均勻性時，我們參考了背光的均勻性測試方法，也就是將光型投射到一定距離的測試屏幕上，以一定的間隔采集測試點上的色溫值。結(jié)果顯示，近光燈的色溫最大差為725K，遠光燈為642K。這兩個數(shù)值均比先前測試的空間色溫發(fā)布差小了一半，同樣的，色溫的標準差也是之前測試值的一半。這與兩者的測試有效數(shù)據(jù)和樣本數(shù)量有關(guān)，不同色溫的光線在測試屏上相互疊加也會減少極端色溫值的出現(xiàn)。雖然不均勻性沒有那么嚴重，但從另一個角度反映了前照燈色溫不均勻現(xiàn)象的存在。

圖2 LED車燈色溫平均分布圖

有些現(xiàn)象應(yīng)該引起重視，即最大色溫點和最小色溫點都位于光斑邊緣若把測試屏幕色溫分布劃分為縱、縱塊，計算其平均色溫就會發(fā)現(xiàn)：中間區(qū)域色溫比邊緣區(qū)域高，中間區(qū)域色溫均勻性比邊緣區(qū)域高。

上述兩種測試都反應(yīng)出了LED前照燈存在色溫不均勻現(xiàn)象。我們推測LED光源是最有可能導致這些現(xiàn)象的原因。經(jīng)過調(diào)研，我們選取了目前前裝市場上主流應(yīng)用的幾款LED器件型號，前兩者均屬于單顆器件集成封裝、3號樣品為前照燈專門研發(fā)COB器件，4號樣品則為EMC封裝的單顆器件，需通過線路板焊接使用，該器件也是上文測試中整燈使用的光源。利用近場光學測試系統(tǒng)對上述四個樣品的發(fā)光表面的色溫分布進行測試，每個樣品上約采集2000個點。從4個樣品的色溫真彩圖上我們就能清晰的看到，器件的邊緣偏黃，中間的色溫相對冷一些。

從數(shù)據(jù)上看：4個樣品的平均色溫十分接近，均在5500K左右。他們的色溫的最大值與最小值之差均大于2500K。1號和2號樣品的色溫最大值與其平均色溫比較接近，但他們的最小色溫與其平均色溫均相差2000K以上。3號和4號樣品的最大值與最小值都與其平均值相差較大。這些數(shù)據(jù)讓我們感覺到器件本身的色溫不均勻性比整燈要高出許多。

圖3 器件出光面色溫分布圖

器件出光面的色溫分布與車燈分布的規(guī)律有相似性：

中間色溫比邊緣色溫高，與前文肉眼觀測發(fā)光面現(xiàn)象一致，且與以前試驗整燈色溫的分布規(guī)律相似。

這些LED器件以各自幾何中心為中心，半徑不等圓周色溫非常相近。半徑越大圓周的色溫越低。

再看器件的色溫離散度，主要是通過色溫的標準差來反映的：

如果我們計算某一圓周范圍內(nèi)的色溫離散性，會發(fā)現(xiàn)4個器件色溫標準差隨著圓周半徑的擴大逐步加大，該趨勢近似線性。說明色溫隨著測試范圍的擴大其均勻性越差。

色溫的標準差曲線在測試范圍擴大到發(fā)光面邊緣時出現(xiàn)明顯的陡增，說明器件的邊緣處有明顯的色溫離散性。3號器件的離散度最大，其屬于COB封裝樣件，它的熒光粉涂覆均勻性工藝難度較大。

我們知道，汽車使用環(huán)境遠比普通消費電子惡劣得多，其使用溫度可在一20~30攝氏度或40攝氏度以上，太陽下直射溫度更高達70攝氏度。LED器件色溫均勻性在各種使用情況下會發(fā)生變化嗎？我們在其他條件都不變的情況下，改變了器件的輸入電流，也就是改變其使用功率。

總體觀察發(fā)現(xiàn)器件總體色溫隨功率增加而升高。兩器件邊緣色溫變化趨勢比較一致，中心附近色溫變化趨勢比較大，三號器件尤為顯著。以上現(xiàn)象可能是由兩方面因素造成的：一是功率增大后發(fā)光效率下降，釋放較多熱量使熒光粉對黃綠光激發(fā)能力減弱，總體色溫升高。通常器件PN結(jié)溫度為該LED溫度最高處，芯片通常靠近封裝結(jié)構(gòu)幾何中心。因此，發(fā)光表面中心區(qū)域的色溫變化受到溫度的影響更為顯著。二是LED芯片輸出光波長在注入電流，溫度及時間等因素作用下會發(fā)生變化，出現(xiàn)“藍移”；激發(fā)波長的變化引起整體色溫的改變。

整體的色溫離散性也有所變化，均隨著功率的增加，離散性變大，色溫均勻性變差。

所以我們在研發(fā)LED前照燈時，需將使用功率和色溫的關(guān)系考慮進去，做好散熱設(shè)計，確保其色溫的均勻性及其穩(wěn)定性。

圖4 器件在前照燈反射器模型下的結(jié)果

為了仿真出路面的色溫分布情況，我們將3#和4#器件導入到同一個前照燈反射器模型中，仿真結(jié)果顯示。

首先，隨著功率的增大，路面和測試屏上的整體色溫都隨著器件的色溫升高而升高。

其次是測試屏上色溫分布圖形和照度分布圖形非常相近，存在明顯水平截止線和15度截止線。色溫不均勻性則主要集中于圖形邊緣處，通常呈“黃色輪廓”狀，中間色溫較高而邊緣色溫較低的情況符合LED器件色溫不均勻性的規(guī)律。路面色溫不均勻現(xiàn)象較測試屏更為嚴重，呈現(xiàn)更為顯著的“色斑”；光束在不同視角下色溫變化較為顯著，色溫區(qū)間不一，且有時存在明顯分界線。主要發(fā)生于車頭1-5米處,5米后區(qū)域色溫均勻性較好。

我們可考慮提高LED前照燈色溫均勻性，具體如下。例如選擇色溫均勻性更好的LED器件時，尤其注意邊緣色溫。用作封裝廠改進熒光粉涂覆工藝以保證藍光各角光學路徑均勻。采用多種可能散熱措施提高器件散熱性能以保證光輸出穩(wěn)定。對光學設(shè)計師而言，怎樣把高度不均勻性的邊緣光線掩蓋或者清除掉，同樣是一個值得我們花費時間去考慮的問題。