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高解析度Matrix矩陣LED的汽車大燈技術將汽車照明技術帶入了新的階段

nDFv_cnledw2013 ? 來源:lp ? 2019-04-12 09:56 ? 次閱讀

摘要

高解析度Matrix矩陣LED的汽車大燈技術將汽車照明技術帶入了新的階段,傳統(tǒng)測量方法已經(jīng)很難滿足其性能評價需要。需要創(chuàng)新的測量評估技術。本文從快速配光測試及LED像素亮度測量兩個方面進行了詳細描述,包括測試原理、測試方案、數(shù)據(jù)處理、算法,以及影響因素等。其中的快速配光測試方案,也可適用其它AFS智能大燈產(chǎn)品。

當前市場上的自適應頭燈中,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組件的開關或強度,并且需要針對不同場景設定照明配光模式。隨著LED技術的發(fā)展,智能高分辨率頭燈的問世將自適應大燈帶入了新的發(fā)展階段。

典型產(chǎn)品如歐司朗的μAFSLED前燈,包含3個LED光源,每個光源還有1024個獨立可控的點光源(像素)。這意味著頭燈可準確適應具體的交通狀況,確保隨時保持最優(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頭燈,對測試技術提出了新的挑戰(zhàn),除了需要滿足傳統(tǒng)的配光測試需求外,還需要考慮另外兩個特點:

1)復雜多變的配光測試:在較短的時間內完成多種場景下的配光測量

2)LED像素的光學性能評價:測試到每個像素的亮度信息。

快速配光測試

汽車前燈的空間光強分布通常通過角度計,在規(guī)定距離,進行掃描測試。這種測試方法不僅需要較大的測試空間(通常為25米測試距離),而且需要花費大量的時間(從幾十分鐘到幾個小時)。對于自適應智能大燈,僅僅通過法規(guī)測試不能滿足要求,最好可以滿足一下特點:

1)測試速度快:即可在較短的時間內完成不同模式下配光測試,還可監(jiān)控配光本身的穩(wěn)定性,例如通過動態(tài)測試,監(jiān)控明暗截止線或肘點的穩(wěn)定性。

2) 具備自動明暗截止線、肘點識別及Re-aim功能,以滿足法規(guī)測試需求

3)鑒于白光LED的空間顏色不均勻特點,最好能兼顧顏色特性測試。

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)生一個照度值,這樣可以通過圖像解析的亮度計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算得到相應的照度分布以及光強分布。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,是一個非常有吸引力的快速測試方法,只需要幾秒就可以完成前燈的光學測量。

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

測試原理

兩維的亮度空間分布L(x,y)是一個與人眼視覺系統(tǒng)相關的物理量。然而,在大燈測試評價領域,人們更加關心照度值。所以,必須進行必要的光度學轉換。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(?,?)就與光束的方向無關,L(x,y,?,?)=L(x,y)≠f(?,?),換種說法,即不同的測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)。如果一個反射表面滿足完全漫反射條件,就可以通過圖像解析的亮度測試技術直接得到空間的照度分布。

由于采用了漫反射屏作為測試中介,因此我們稱之為間接法測量。

圖3:間接法快速配光測試原理示意圖

雜散光

在對光進行測試時,必須注意,只能讓被測量的光進入光接收器件(LMK成像亮度計),否則,光源在任意表面產(chǎn)生的反射光都有可能進入光接收器,從而使得測試結果偏離。所有非測試需要的光統(tǒng)稱為雜散光,反應在亮度圖像上,可以在全部或局部增加亮度,在本測試項目中,雜散光對暗區(qū)影響,導致亮度值增大,實際上,在該區(qū)域,亮度應該更弱,甚至完全沒有強度信號。這樣就影響了最終的測試結果。實際測試發(fā)現(xiàn),在對比度超過1:200的情況下,與真實值的偏離將非常嚴重,而且,圖像的對比度將會降低。

雜散光來源分析及消除

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:雜散光來源分析示意圖

亮度圖像測試系統(tǒng)的雜散光可以通過設計減小雜散光(消光漆、設置光闌)。房間導致的雜散光主要有照射表面,光源本身,可以通過減低表面反射率,設置遮光光闌限制天花板或地面的反射光影響等。因此要獲得準確的測試結果,需要對房間進行嚴格的設計和精確的安裝。圖5是一個理想的實際測試暗室的布置示意圖。

圖5:快速配光測試暗室房間仿真設計圖

通過軟件進行雜散光修正補償

在測試系統(tǒng)中,雜散光無法完全消除,任何殘留的雜散光都必須通過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比。

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

測試實例

對于汽車前燈測試來講,通常會用25米距離的照度分布來計算其光強分布。這種方法主要是將被測試的光源放在一個可以在J,j方向進行轉動的角度計上,來得到照度分布。為了快速得到一個可靠的測試結果,間接法快速配光測試的最佳測試距離采用10米。

根據(jù)之前的描述,通過投影墻上的亮度分布可以得到照度分布??梢园凑請D5的要求建立暗室,對房間進行定標,包含:空間位置校正、光學校正、雜散光校正。經(jīng)過這些校正,結合亮度計在室內的位置、前燈到墻的距離、前燈的高度等來計算各種光學量的空間分布:

1) 投影幕墻上的照度分布

2) 球面坐標下的照度分布 (例如r = 25 m)

3) 光強分布,以及在路面上的水平或垂直方向的照度分布

圖7:從投影幕墻上測得的亮度分布,計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(或信號燈測試的3.16米暗室)基礎上,進行改造,節(jié)省空間和預算。其中測試幕墻上開孔,讓光線可以穿過到達25米遠處光度探頭。開孔部分的光學數(shù)據(jù)可以通過轉動燈具補測給與補償修正。

圖8:通過改造后的25米配光測試暗室兼具快速配光測試功能

肘點(elbow point)識別及Re-aim功能

由于采用成像的方法進行配光光型測試,因此在近光燈測試的時候,可以通過圖像處理算法在光強分布圖上識別到其肘點(elbowpoint)。找到肘點后,就可以自動將光強分布圖進行坐標平移,移至基準中心點(0;0=HV),這樣在實際測試的時候,只需將燈具進行粗略的對準,即可開始測試。

由于需要與相關的測試法規(guī)一致,用戶通常需要根據(jù)測試法規(guī)進行Re-aim操作,即在檢測到的肘點的一定區(qū)域內尋找替代肘點,對指定的測試點,如HV,B50L,等,依據(jù)法規(guī)進行合規(guī)性判斷。只有測試區(qū)域的所有點滿足了測試指標,才可以認為該前燈符合法規(guī)。Re-aim功能在圖像處理上,非常容易實現(xiàn)。

圖9:可視化展示肘點(ElbowPoint)及ECE測試點

得到肘點elbowpoint,無論是這一點還是HV點,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),例如通過位置移動通過法規(guī)的測試點數(shù)量,相對于肘點的任意位置點的光強值。通過若干模組測試的統(tǒng)計,或不同時間的測試結果,可以分析一些趨勢信息,例如肘點位置相對于光軸的變化信息、最大值、最小值,(與光軸相關肘點偏離、多個測試中的最大、最小值等),明暗截止線(AK31)的強度等,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,尤其是測試墻的寬度,水平方向單次測量的寬度有限,例如6米寬度約±24°,通過轉動燈具(3X45°),分別測試,然后進行拼接,可實現(xiàn)大范圍測量。轉臺可以采用獨立的轉臺,或現(xiàn)有的25米配光角度計的轉臺。

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

對明暗截止線附近的顏色特性進行分析

傳統(tǒng)的鹵素燈或氙氣燈,由于光學元件的色散,在明暗截止線區(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,疊加光學色散現(xiàn)象,因此對該位置進行色彩測量非常必要。本測試方案中的LMK具備色彩測量功能,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:明暗截止線區(qū)顏色分布特性測試

在更小的空間進行測量

上文所述的車燈測試方法,需要較大的空間,通過專門定制的聚焦消色散透鏡可壓縮光束尺寸,從而在一個緊湊的測試暗箱里完成測試。測試原理與前面所述完全一樣,只是加入了一個透鏡來縮短測試距離,整體尺寸LxWxH:95cmx50cmx43cm。

圖12:緊湊型測試暗箱原理示意圖

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

Matrix LED 像素亮度測量

大部分的矩陣LED大燈LED組件少,可以通過成像式亮度計進行整體測量,進行發(fā)光體識別,進而得到亮度。而高解析度MatrixLED像素密度高、像素小,自動識別發(fā)光體已經(jīng)不太現(xiàn)實,尤其是像素與像素之間沒有明顯的亮度區(qū)隔。

本測試使用樣品:MatrixLED像素數(shù)量32X32,尺寸:4mmX4mm。

圖13:測試用MatrixLED實物

使用Labsoft圖像測試及處理軟件,通過設定Mask來實現(xiàn)對矩陣中的每個LED亮度測量。要保證每個像素的測試精度,需要多個像素對應一個LED像素,因此需要高解析度相機以及遠心鏡頭。本實驗采用LMK5相機配合遠心鏡頭進行測試。

由于樣品與相機不可能出現(xiàn)理想的對準情況,不可避免傾斜、偏轉。通過建立測試mask,將傾斜的圖像進行坐標變換,與Mask匹配,從而鎖定每個LED像素位置,進而輸出得到各個像素的亮度。

圖14:原始亮度圖像圖15:32X32測試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試技術以及高解析度MatrixLED的測量技術,這兩種技術對于新型的汽車智能大燈測量具有獨特優(yōu)勢,對于新型智能燈具的研發(fā)、生產(chǎn)、質量管理都有非常大的借鑒和使用價值。

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原文標題:技術丨用成像式亮度計對高解析度Matrix LED大燈測量的技術研究及實例

文章出處:【微信號:cnledw2013,微信公眾號:CNLED網(wǎng)】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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