高解析度Matrix矩陣LED的汽車(chē)大燈技術(shù)將汽車(chē)照明技術(shù)帶入了新的階段

摘要

高解析度Matrix矩陣LED的汽車(chē)大燈技術(shù)將汽車(chē)照明技術(shù)帶入了新的階段，傳統(tǒng)測(cè)量方法已經(jīng)很難滿(mǎn)足其性能評(píng)價(jià)需要。需要?jiǎng)?chuàng)新的測(cè)量評(píng)估技術(shù)。本文從快速配光測(cè)試及LED像素亮度測(cè)量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)描述，包括測(cè)試原理、測(cè)試方案、數(shù)據(jù)處理、算法，以及影響因素等。其中的快速配光測(cè)試方案，也可適用其它AFS智能大燈產(chǎn)品。

當(dāng)前市場(chǎng)上的自適應(yīng)頭燈中，多采用多顆LED組件彼此并排排列安裝在頭燈中，需要額外安裝電子元件控制LED組件的開(kāi)關(guān)或強(qiáng)度，并且需要針對(duì)不同場(chǎng)景設(shè)定照明配光模式。隨著LED技術(shù)的發(fā)展，智能高分辨率頭燈的問(wèn)世將自適應(yīng)大燈帶入了新的發(fā)展階段。

典型產(chǎn)品如歐司朗的μAFSLED前燈，包含3個(gè)LED光源，每個(gè)光源還有1024個(gè)獨(dú)立可控的點(diǎn)光源（像素）。這意味著頭燈可準(zhǔn)確適應(yīng)具體的交通狀況，確保隨時(shí)保持最優(yōu)照明效果。

圖1：歐司朗μAFS高解析度MatrixLED頭燈

這種高解析度的自適應(yīng)頭燈，對(duì)測(cè)試技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，除了需要滿(mǎn)足傳統(tǒng)的配光測(cè)試需求外，還需要考慮另外兩個(gè)特點(diǎn)：

1)復(fù)雜多變的配光測(cè)試：在較短的時(shí)間內(nèi)完成多種場(chǎng)景下的配光測(cè)量

2）LED像素的光學(xué)性能評(píng)價(jià)：測(cè)試到每個(gè)像素的亮度信息。

快速配光測(cè)試

汽車(chē)前燈的空間光強(qiáng)分布通常通過(guò)角度計(jì)，在規(guī)定距離，進(jìn)行掃描測(cè)試。這種測(cè)試方法不僅需要較大的測(cè)試空間（通常為25米測(cè)試距離），而且需要花費(fèi)大量的時(shí)間（從幾十分鐘到幾個(gè)小時(shí)）。對(duì)于自適應(yīng)智能大燈，僅僅通過(guò)法規(guī)測(cè)試不能滿(mǎn)足要求，最好可以滿(mǎn)足一下特點(diǎn)：

1)測(cè)試速度快：即可在較短的時(shí)間內(nèi)完成不同模式下配光測(cè)試，還可監(jiān)控配光本身的穩(wěn)定性，例如通過(guò)動(dòng)態(tài)測(cè)試，監(jiān)控明暗截止線(xiàn)或肘點(diǎn)的穩(wěn)定性。

2) 具備自動(dòng)明暗截止線(xiàn)、肘點(diǎn)識(shí)別及Re-aim功能，以滿(mǎn)足法規(guī)測(cè)試需求

3)鑒于白光LED的空間顏色不均勻特點(diǎn)，最好能兼顧顏色特性測(cè)試。

如果前燈的光束直接照射在投影幕墻上，投射到幕墻上的光通量在墻上產(chǎn)生一個(gè)照度值，這樣可以通過(guò)圖像解析的亮度計(jì)得到該墻面的亮度分布。如果該墻面及房間參數(shù)足夠理想，就可以從亮度圖像計(jì)算得到相應(yīng)的照度分布以及光強(qiáng)分布。除此之外，可以得到任意平面的照度分布圖（如路面照度分布，10米遠(yuǎn)處的投影屏照度分布等），也可以得到半球空間的照度分布（就像ECE規(guī)定的25米半徑的前照燈照度分布）。

如上所述，是一個(gè)非常有吸引力的快速測(cè)試方法，只需要幾秒就可以完成前燈的光學(xué)測(cè)量。

圖2：25米半球范圍內(nèi)的車(chē)燈（近光燈）照度分布圖，用偽彩色表示照度值，坐標(biāo)為角度坐標(biāo)

測(cè)試原理

兩維的亮度空間分布L(x,y)是一個(gè)與人眼視覺(jué)系統(tǒng)相關(guān)的物理量。然而，在大燈測(cè)試評(píng)價(jià)領(lǐng)域，人們更加關(guān)心照度值。所以，必須進(jìn)行必要的光度學(xué)轉(zhuǎn)換。入射的光通量中的一部分被反射表面所反射（反射率ρ），另外的被吸收，反射部分可以是鏡面反射，也可以是漫反射，也可以是二者混合。如果反射是理想的漫反射，則亮度值L(?,?)就與光束的方向無(wú)關(guān)，L(x,y,?,?)=L(x,y)≠f(?,?)，換種說(shuō)法，即不同的測(cè)試方向得到的亮度值與該處的照度值E(x,y).的比值為一固定常數(shù)。如果一個(gè)反射表面滿(mǎn)足完全漫反射條件，就可以通過(guò)圖像解析的亮度測(cè)試技術(shù)直接得到空間的照度分布。

由于采用了漫反射屏作為測(cè)試中介，因此我們稱(chēng)之為間接法測(cè)量。

圖3：間接法快速配光測(cè)試原理示意圖

雜散光

在對(duì)光進(jìn)行測(cè)試時(shí)，必須注意，只能讓被測(cè)量的光進(jìn)入光接收器件（LMK成像亮度計(jì)），否則，光源在任意表面產(chǎn)生的反射光都有可能進(jìn)入光接收器，從而使得測(cè)試結(jié)果偏離。所有非測(cè)試需要的光統(tǒng)稱(chēng)為雜散光，反應(yīng)在亮度圖像上，可以在全部或局部增加亮度，在本測(cè)試項(xiàng)目中，雜散光對(duì)暗區(qū)影響，導(dǎo)致亮度值增大，實(shí)際上，在該區(qū)域，亮度應(yīng)該更弱，甚至完全沒(méi)有強(qiáng)度信號(hào)。這樣就影響了最終的測(cè)試結(jié)果。實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在對(duì)比度超過(guò)1：200的情況下，與真實(shí)值的偏離將非常嚴(yán)重，而且，圖像的對(duì)比度將會(huì)降低。

雜散光來(lái)源分析及消除

雜散光由不符合要求的反射、光源以及一些透射材料產(chǎn)生，這些現(xiàn)象既產(chǎn)生于圖像系統(tǒng)本身（如鏡片之間的反射），也產(chǎn)生于房間布置的本身。

圖4：雜散光來(lái)源分析示意圖

亮度圖像測(cè)試系統(tǒng)的雜散光可以通過(guò)設(shè)計(jì)減小雜散光（消光漆、設(shè)置光闌）。房間導(dǎo)致的雜散光主要有照射表面，光源本身，可以通過(guò)減低表面反射率，設(shè)置遮光光闌限制天花板或地面的反射光影響等。因此要獲得準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果，需要對(duì)房間進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計(jì)和精確的安裝。圖5是一個(gè)理想的實(shí)際測(cè)試暗室的布置示意圖。

圖5：快速配光測(cè)試暗室房間仿真設(shè)計(jì)圖

通過(guò)軟件進(jìn)行雜散光修正補(bǔ)償

在測(cè)試系統(tǒng)中，雜散光無(wú)法完全消除，任何殘留的雜散光都必須通過(guò)軟件的方法予以修正，下圖是近光燈照度分布圖在雜散光修正前后的對(duì)比。

圖6：10米墻面的亮度圖像，左邊有雜散光，右邊是軟件對(duì)雜散光修正后的亮度圖像

測(cè)試實(shí)例

對(duì)于汽車(chē)前燈測(cè)試來(lái)講，通常會(huì)用25米距離的照度分布來(lái)計(jì)算其光強(qiáng)分布。這種方法主要是將被測(cè)試的光源放在一個(gè)可以在J,j方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的角度計(jì)上，來(lái)得到照度分布。為了快速得到一個(gè)可靠的測(cè)試結(jié)果，間接法快速配光測(cè)試的最佳測(cè)試距離采用10米。

根據(jù)之前的描述，通過(guò)投影墻上的亮度分布可以得到照度分布。可以按照?qǐng)D5的要求建立暗室，對(duì)房間進(jìn)行定標(biāo)，包含：空間位置校正、光學(xué)校正、雜散光校正。經(jīng)過(guò)這些校正，結(jié)合亮度計(jì)在室內(nèi)的位置、前燈到墻的距離、前燈的高度等來(lái)計(jì)算各種光學(xué)量的空間分布：

1) 投影幕墻上的照度分布

2) 球面坐標(biāo)下的照度分布 (例如r = 25 m)

3) 光強(qiáng)分布，以及在路面上的水平或垂直方向的照度分布

圖7:從投影幕墻上測(cè)得的亮度分布，計(jì)算出的路面垂直照度分布

除此之外，還可以在現(xiàn)有的25米暗室（或信號(hào)燈測(cè)試的3.16米暗室）基礎(chǔ)上，進(jìn)行改造，節(jié)省空間和預(yù)算。其中測(cè)試幕墻上開(kāi)孔，讓光線(xiàn)可以穿過(guò)到達(dá)25米遠(yuǎn)處光度探頭。開(kāi)孔部分的光學(xué)數(shù)據(jù)可以通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)燈具補(bǔ)測(cè)給與補(bǔ)償修正。

圖8:通過(guò)改造后的25米配光測(cè)試暗室兼具快速配光測(cè)試功能

肘點(diǎn)（elbow point）識(shí)別及Re-aim功能

由于采用成像的方法進(jìn)行配光光型測(cè)試，因此在近光燈測(cè)試的時(shí)候，可以通過(guò)圖像處理算法在光強(qiáng)分布圖上識(shí)別到其肘點(diǎn)（elbowpoint）。找到肘點(diǎn)后，就可以自動(dòng)將光強(qiáng)分布圖進(jìn)行坐標(biāo)平移，移至基準(zhǔn)中心點(diǎn)(0;0=HV)，這樣在實(shí)際測(cè)試的時(shí)候，只需將燈具進(jìn)行粗略的對(duì)準(zhǔn)，即可開(kāi)始測(cè)試。

由于需要與相關(guān)的測(cè)試法規(guī)一致，用戶(hù)通常需要根據(jù)測(cè)試法規(guī)進(jìn)行Re-aim操作，即在檢測(cè)到的肘點(diǎn)的一定區(qū)域內(nèi)尋找替代肘點(diǎn)，對(duì)指定的測(cè)試點(diǎn)，如HV,B50L,等，依據(jù)法規(guī)進(jìn)行合規(guī)性判斷。只有測(cè)試區(qū)域的所有點(diǎn)滿(mǎn)足了測(cè)試指標(biāo)，才可以認(rèn)為該前燈符合法規(guī)。Re-aim功能在圖像處理上，非常容易實(shí)現(xiàn)。

圖9：可視化展示肘點(diǎn)（ElbowPoint）及ECE測(cè)試點(diǎn)

得到肘點(diǎn)elbowpoint，無(wú)論是這一點(diǎn)還是HV點(diǎn)，可以直觀的顯示在軟件上，如圖9所示，而且還可以輸出其它數(shù)據(jù)，例如通過(guò)位置移動(dòng)通過(guò)法規(guī)的測(cè)試點(diǎn)數(shù)量，相對(duì)于肘點(diǎn)的任意位置點(diǎn)的光強(qiáng)值。通過(guò)若干模組測(cè)試的統(tǒng)計(jì)，或不同時(shí)間的測(cè)試結(jié)果，可以分析一些趨勢(shì)信息，例如肘點(diǎn)位置相對(duì)于光軸的變化信息、最大值、最小值，（與光軸相關(guān)肘點(diǎn)偏離、多個(gè)測(cè)試中的最大、最小值等），明暗截止線(xiàn)(AK31)的強(qiáng)度等，這些數(shù)據(jù)可以保存在文件中，也可以以圖形的形式輸出。

圖像拼接

受限于房間大小，尤其是測(cè)試墻的寬度，水平方向單次測(cè)量的寬度有限，例如6米寬度約±24°，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)燈具（3X45°），分別測(cè)試，然后進(jìn)行拼接，可實(shí)現(xiàn)大范圍測(cè)量。轉(zhuǎn)臺(tái)可以采用獨(dú)立的轉(zhuǎn)臺(tái)，或現(xiàn)有的25米配光角度計(jì)的轉(zhuǎn)臺(tái)。

圖10：拼接圖像及測(cè)試定示意圖（圖中暗區(qū)黑洞為測(cè)試墻上的開(kāi)洞，用于25m探頭測(cè)試光強(qiáng)）

對(duì)明暗截止線(xiàn)附近的顏色特性進(jìn)行分析

傳統(tǒng)的鹵素?zé)艋螂瘹鉄?，由于光學(xué)元件的色散，在明暗截止線(xiàn)區(qū)域有明顯的色環(huán)現(xiàn)象，LED燈具本身具有空間的色不勻現(xiàn)象，疊加光學(xué)色散現(xiàn)象，因此對(duì)該位置進(jìn)行色彩測(cè)量非常必要。本測(cè)試方案中的LMK具備色彩測(cè)量功能，可以獲得色彩分布圖像，如圖，在水平–0.5°的位置，選取+2°到–2°的區(qū)間進(jìn)行色彩分析，圖表所示既是該位置的色彩變化特性。

圖11：明暗截止線(xiàn)區(qū)顏色分布特性測(cè)試

在更小的空間進(jìn)行測(cè)量

上文所述的車(chē)燈測(cè)試方法，需要較大的空間，通過(guò)專(zhuān)門(mén)定制的聚焦消色散透鏡可壓縮光束尺寸，從而在一個(gè)緊湊的測(cè)試暗箱里完成測(cè)試。測(cè)試原理與前面所述完全一樣，只是加入了一個(gè)透鏡來(lái)縮短測(cè)試距離，整體尺寸LxWxH:95cmx50cmx43cm。

圖12：緊湊型測(cè)試暗箱原理示意圖

由于采用了暗箱，環(huán)境光造成的雜散光可以不計(jì)。該測(cè)試暗箱有兩個(gè)部分組成。測(cè)試空間部分，有一個(gè)反射屏以及一個(gè)光闌，另外一個(gè)空間，放置待測(cè)的前燈以及測(cè)試用的亮度計(jì)。該測(cè)試箱體也被用于光學(xué)透鏡的質(zhì)量監(jiān)控。

Matrix LED 像素亮度測(cè)量

大部分的矩陣LED大燈LED組件少，可以通過(guò)成像式亮度計(jì)進(jìn)行整體測(cè)量，進(jìn)行發(fā)光體識(shí)別，進(jìn)而得到亮度。而高解析度MatrixLED像素密度高、像素小，自動(dòng)識(shí)別發(fā)光體已經(jīng)不太現(xiàn)實(shí)，尤其是像素與像素之間沒(méi)有明顯的亮度區(qū)隔。

本測(cè)試使用樣品：MatrixLED像素?cái)?shù)量32X32，尺寸：4mmX4mm。

圖13：測(cè)試用MatrixLED實(shí)物

使用Labsoft圖像測(cè)試及處理軟件，通過(guò)設(shè)定Mask來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)矩陣中的每個(gè)LED亮度測(cè)量。要保證每個(gè)像素的測(cè)試精度，需要多個(gè)像素對(duì)應(yīng)一個(gè)LED像素，因此需要高解析度相機(jī)以及遠(yuǎn)心鏡頭。本實(shí)驗(yàn)采用LMK5相機(jī)配合遠(yuǎn)心鏡頭進(jìn)行測(cè)試。

由于樣品與相機(jī)不可能出現(xiàn)理想的對(duì)準(zhǔn)情況，不可避免傾斜、偏轉(zhuǎn)。通過(guò)建立測(cè)試mask，將傾斜的圖像進(jìn)行坐標(biāo)變換，與Mask匹配，從而鎖定每個(gè)LED像素位置，進(jìn)而輸出得到各個(gè)像素的亮度。

圖14：原始亮度圖像圖15：32X32測(cè)試Mask圖16：修正后鎖定LED位置的亮度圖像

本文描述了快速配光測(cè)試技術(shù)以及高解析度MatrixLED的測(cè)量技術(shù)，這兩種技術(shù)對(duì)于新型的汽車(chē)智能大燈測(cè)量具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，對(duì)于新型智能燈具的研發(fā)、生產(chǎn)、質(zhì)量管理都有非常大的借鑒和使用價(jià)值。