LED車燈在開發(fā)過程中出現(xiàn)的色溫均勻現(xiàn)象、規(guī)律及來源

本文介紹LED前照車燈開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)的色溫不均勻現(xiàn)象，及其規(guī)律，來源及一些建議。

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，前照燈新型光源——LED自身要克服的基礎(chǔ)技術(shù)難點較多，因此當前的研制重點是實現(xiàn)遠近光光型的良好分布、總光通量輸出性能，燈具散熱方案，控制技術(shù)，外觀造型等方面。

另一方面，國內(nèi)外關(guān)于LED前照燈的標準僅涉及到顏色范圍、顏色穩(wěn)定性和顯色性指標，對使用過程中的視覺舒適性鮮有研究。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。

另外，色溫均勻性較差的LED前照燈在主觀評價時會占明顯劣勢，它還會影響到車燈的美觀性與舒適性。

圖1 LED車燈色溫均勻測試

在評價燈具的色溫均勻性時，我們最先想到的就是利用分布式光度計測試LED遠近光燈的空間色溫分布。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.我們測量色溫差值數(shù)據(jù)為它的10倍。這樣嚴重的色溫離散性令人意想不到。

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?；谏鲜霈F(xiàn)象，我們認為在分布式光度計上測得的前照燈色溫分布不能直觀的反映其色溫分布規(guī)律。于是，我們轉(zhuǎn)而觀察該燈具在測試屏上的色溫分布情況。

在對前照燈進行色溫均勻性評估時，借鑒背光均勻性檢測方法，即把光型投影至測試屏幕一定距離處，并按一定間隔時間收集測試點處色溫。結(jié)果表明：近光燈最大色溫差在725K左右，遠光燈在642K左右。這兩個值都比以前試驗空間色溫發(fā)布差小一半，同樣地，色溫標準差就是以前試驗值的一半。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

有一些現(xiàn)象值得我們注意，最大色溫點與最小色溫點均處于光斑的邊緣如果將測試屏幕上的色溫分布分成縱向與縱向的區(qū)塊，計算他們的平均色溫，則會發(fā)現(xiàn)：中間區(qū)域的色溫高于邊緣區(qū)域，其中間區(qū)域的色溫均勻性也要高于邊緣區(qū)域。

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。們猜測,LED光源最容易造成上述現(xiàn)象。經(jīng)研究，本文選擇了當前前裝市場主流使用的多款LED器件類型，其中前二者屬于單顆器件集成封裝,3號樣作為前照燈專用COB器件開發(fā),4號樣作為EMC封裝單顆器件開發(fā)，需要經(jīng)過線路板的焊接才能投入使用，本裝置在上述試驗中同樣作為整燈所用光源。用近場光學測試系統(tǒng)對以上4個樣品發(fā)光表面色溫分布情況進行了測試，在每一個樣品上采集了2000個左右點。由四幅試樣色溫真彩圖可以明顯地看出器件邊緣是黃色，而中間色溫則冷一些。

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，且與前人檢測整燈色溫的分布規(guī)律相似。

這些LED器件在以其幾何中心為圓心的不同半徑的圓周上的色溫十分接近。半徑越大的圓周，其色溫也越低。

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：

若計算一定圓周范圍內(nèi)色溫的離散性就可以看出四種器件色溫標準差隨圓周半徑增大而逐漸增大，這種變化趨勢近似于線性。表明色溫隨測試范圍增加，均勻性變差。

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。

整體觀察，隨著功率的增大， 器件的整體色溫均會增大。兩個器件的邊緣色溫變化趨勢較一致，而靠近中心的色溫趨勢變化較大，三號器件特別明顯。

上述現(xiàn)象的原因可能有兩點：首先，當功率增加時，發(fā)光效率降低，更多的熱量被放出導致熒光粉激發(fā)黃綠光的能力下降，整體色溫變大。一般來說器件PN結(jié)的溫度是這個LED溫度的最高點所在，而芯片一般位于封裝結(jié)構(gòu)的幾何中心附近。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。

因此在LED前照燈的研究與開發(fā)過程中，需要考慮到使用功率與色溫之間的關(guān)系，并做好散熱設(shè)計工作，以保證其色溫均勻性和穩(wěn)定性。

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。

我們可以考慮從以下幾個方面來改善LED前照燈的色溫均勻性。比如選用色溫均勻性較好的LED器件，特別關(guān)注邊緣色溫。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。