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LED前照燈開(kāi)發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的色溫不均勻現(xiàn)象,及其規(guī)律,來(lái)源及一些建議

h1654155972.6010 ? 來(lái)源:未知 ? 作者:胡薇 ? 2018-06-07 10:55 ? 次閱讀

LED汽車(chē)前照燈作為L(zhǎng)ED在車(chē)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(kāi)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)外關(guān)于LED前照燈的標(biāo)準(zhǔn)僅涉及到顏色范圍、顏色穩(wěn)定性和顯色性指標(biāo),對(duì)使用過(guò)程中的視覺(jué)舒適性鮮有研究。人眼長(zhǎng)時(shí)間在混合色溫下觀察事物,容易引起視覺(jué)疲勞等不舒適感,有研究表明混合色溫的車(chē)燈對(duì)目標(biāo)的探測(cè)率低于單一色溫的車(chē)燈,因此色溫的不均勻性將會(huì)對(duì)駕駛安全產(chǎn)生影響。

另外,色溫均勻性較差的LED前照燈在主觀評(píng)價(jià)時(shí)會(huì)占明顯劣勢(shì),它還會(huì)影響到車(chē)燈的美觀性與舒適性。

圖1 LED車(chē)燈色溫均勻測(cè)試

在評(píng)價(jià)燈具的色溫均勻性時(shí),我們最先想到的就是利用分布式光度計(jì)測(cè)試LED遠(yuǎn)近光燈的空間色溫分布。我們選取了一個(gè)LED前照燈作為測(cè)試樣品,測(cè)試結(jié)果表明該燈無(wú)論近光還是遠(yuǎn)光在色溫均勻性方面表現(xiàn)均不理想。首先,遠(yuǎn)近光燈的最大色溫點(diǎn)與最小色溫差距分別大于1600K和1300K。一些研究中提出,人眼極端可分辨的色溫最低可達(dá)50-100K,我們測(cè)得色溫差值數(shù)據(jù)是其10倍之多,如此嚴(yán)重的色溫離散性是始料未及的。

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?;谏鲜霈F(xiàn)象,我們認(rèn)為在分布式光度計(jì)上測(cè)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(cè)試屏上的色溫分布情況。

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(méi)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(chē)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(diǎn)與最小色溫點(diǎn)均處于光斑的邊緣如果將測(cè)試屏幕上的色溫分布分成縱向與縱向的區(qū)塊,計(jì)算他們的平均色溫,則會(huì)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(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(guò)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(mén)研發(fā)COB器件,4號(hào)樣品則為EMC封裝的單顆器件,需通過(guò)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(jué)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(chē)燈分布的規(guī)律有相似性:

中間色溫高于邊緣色溫,這與上文中肉眼觀察到的發(fā)光面現(xiàn)象相符合,也和之前測(cè)試的整燈色溫分布情況類(lèi)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(guò)色溫的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)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(shuō)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(shuō)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(chē)的使用環(huán)境比一般的消費(fèi)電子要嚴(yán)酷很多,使用的溫度可以是一20—30攝氏度,也可以是40攝氏度以上的高溫,太陽(yáng)下直射的溫度更可以達(dá)到70攝氏度以上。在不同使用條件下,LED器件的色溫均勻性是否會(huì)發(fā)生改變呢?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。

整體觀察,隨著功率的增大, 器件的整體色溫均會(huì)增大。兩個(gè)器件的邊緣色溫變化趨勢(shì)較一致,而靠近中心的色溫趨勢(shì)變化較大,三號(hào)器件特別明顯。上述現(xiàn)象的原因可能有兩點(diǎn):首先,當(dāng)功率增加時(shí),發(fā)光效率降低,更多的熱量被放出導(dǎo)致熒光粉激發(fā)黃綠光的能力下降,整體色溫變大。一般來(lái)說(shuō)器件PN結(jié)的溫度是這個(gè)LED溫度的最高點(diǎn)所在,而芯片一般位于封裝結(jié)構(gòu)的幾何中心附近。所以發(fā)光表面的中心區(qū)域色溫變化受溫度影響更明顯。其次LED芯片的輸出光波長(zhǎng)會(huì)隨注入電流、溫度和時(shí)間的影響而變化,發(fā)生 “藍(lán)移”,激發(fā)波長(zhǎng)發(fā)生改變導(dǎo)致整體色溫變化。

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,測(cè)試屏上的色溫分布圖形與照度分布圖形十分接近,有明顯的水平截止線與15度截止線。而色溫的不均勻性主要集中在圖形的邊緣,一般表現(xiàn)為“黃色的輪廓”,中間色溫高,邊緣色溫低的現(xiàn)象與LED器件的色溫不均勻性規(guī)律一致。路面上的色溫不均勻情況比測(cè)試屏上的情況更嚴(yán)重,表現(xiàn)為更明顯的“色斑”,不同角度的光束的色溫會(huì)有比較明顯的差異,不同色溫間隔出現(xiàn),有時(shí)會(huì)有明顯的分界線。主要出現(xiàn)在車(chē)頭1-5米的區(qū)域,5米以后的區(qū)域色溫均勻性相對(duì)好一些。

我們可以考慮從以下幾個(gè)方面來(lái)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。作為封裝廠,改善熒光粉的涂覆工藝,確保藍(lán)光在各個(gè)角度上的光學(xué)路徑都是一致的。利用各種可能的散熱措施改善器件的的散熱性能,確保其光輸出的穩(wěn)定性。對(duì)于光學(xué)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō),如何將不均勻性較高的邊緣光線隱藏或去除也是值得花時(shí)間思考的課題之一。

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