技術(shù)干貨分享：色溫均勻性對(duì)LED前照燈的重要性

LED汽車前照燈作為L(zhǎng)ED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(diǎn)有很多，所以目前開發(fā)精力主要集中在實(shí)現(xiàn)良好的遠(yuǎn)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(guó)內(nèi)外LED前照燈標(biāo)準(zhǔn)只涉及顏色范圍，顏色穩(wěn)定性及顯色性指標(biāo)等，而對(duì)于使用時(shí)視覺舒適性的研究較少。人眼長(zhǎng)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(cè)到目標(biāo)，所以，色溫不均勻性會(huì)影響駕駛安全。

此外，色溫均勻性差的LED前照燈主觀評(píng)價(jià)時(shí)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(cè)試

此外，色溫均勻性差的LED前照燈主觀評(píng)價(jià)時(shí)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(shí)驗(yàn)樣本，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示此燈不論近光或遠(yuǎn)光的色溫均勻性都不是很好。首先、遠(yuǎn)近光燈最大色溫點(diǎn)和最小色溫差距在1600K、1300K以上。有研究認(rèn)為人眼極可分辨色溫最小可達(dá)50-100K.我們測(cè)量色溫差值的數(shù)據(jù)為它的10倍。這樣嚴(yán)重的色溫離散性出乎人們意料。

從遠(yuǎn)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(gè)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(biāo)是行駛路面，所以中心光強(qiáng)會(huì)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(shí)際使用。根據(jù)以上現(xiàn)象我們得出結(jié)論：分布式光度計(jì)上測(cè)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(duì)測(cè)試屏色溫分布進(jìn)行觀測(cè)。

在評(píng)價(jià)前照燈色溫均勻性時(shí)，我們參考了背光的均勻性測(cè)試方法，也就是將光型投射到一定距離的測(cè)試屏幕上，以一定的間隔采集測(cè)試點(diǎn)上的色溫值。結(jié)果顯示，近光燈的色溫最大差為725K，遠(yuǎn)光燈為642K。這兩個(gè)數(shù)值均比先前測(cè)試的空間色溫發(fā)布差小了一半，同樣的，色溫的標(biāo)準(zhǔn)差也是之前測(cè)試值的一半。這與兩者的測(cè)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(cè)試屏上相互疊加也會(huì)減少極端色溫值的出現(xiàn)。雖然不均勻性沒有那么嚴(yán)重，但從另一個(gè)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(diǎn)和最小色溫點(diǎn)都位于光斑邊緣若把測(cè)試屏幕色溫分布劃分為縱、縱塊，計(jì)算其平均色溫就會(huì)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(cè)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(cè)LED光源是最有可能導(dǎo)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(chǎng)上主流應(yīng)用的幾款LED器件型號(hào)，前兩者均屬于單顆器件集成封裝、3號(hào)樣品為前照燈專門研發(fā)COB器件，4號(hào)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(cè)試中整燈使用的光源。利用近場(chǎng)光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)上述四個(gè)樣品的發(fā)光表面的色溫分布進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)樣品上約采集2000個(gè)點(diǎn)。從4個(gè)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(duì)冷一些。

從數(shù)據(jù)上看：4個(gè)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(hào)和2號(hào)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(hào)和4號(hào)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(cè)發(fā)光面現(xiàn)象一致，且與以前試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)差來反映的：

如果我們計(jì)算某一圓周范圍內(nèi)的色溫離散性，會(huì)發(fā)現(xiàn)4個(gè)器件色溫標(biāo)準(zhǔn)差隨著圓周半徑的擴(kuò)大逐步加大，該趨勢(shì)近似線性。說明色溫隨著測(cè)試范圍的擴(kuò)大其均勻性越差。

色溫的標(biāo)準(zhǔn)差曲線在測(cè)試范圍擴(kuò)大到發(fā)光面邊緣時(shí)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(hào)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(yuǎn)比普通消費(fèi)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(yáng)下直射溫度更高達(dá)70攝氏度。LED器件色溫均勻性在各種使用情況下會(huì)發(fā)生變化嗎？我們?cè)谄渌麠l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(shì)比較一致，中心附近色溫變化趨勢(shì)比較大，三號(hào)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(duì)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?？拷庋b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(zhǎng)在注入電流，溫度及時(shí)間等因素作用下會(huì)發(fā)生變化，出現(xiàn)“藍(lán)移”；激發(fā)波長(zhǎng)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?cè)谘邪l(fā)LED前照燈時(shí)，需將使用功率和色溫的關(guān)系考慮進(jìn)去，做好散熱設(shè)計(jì)，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(dǎo)入到同一個(gè)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(cè)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(cè)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(cè)試屏更為嚴(yán)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(shí)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(shí)，尤其注意邊緣色溫。用作封裝廠改進(jìn)熒光粉涂覆工藝以保證藍(lán)光各角光學(xué)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(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)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(gè)值得我們花費(fèi)時(shí)間去考慮的問題。