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

摘要

高解析度Matrix矩陣LED的汽車大燈技術(shù)將汽車照明技術(shù)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(shù)。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(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組件的開關(guān)或強度，并且需要針對不同場景設(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(yīng)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(yīng)頭燈，對測試技術(shù)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(fù)雜多變的配光測試：在較短的時間內(nèi)完成多種場景下的配光測量

2）LED像素的光學(xué)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(yīng)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(nèi)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(yīng)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(xué)測量。

圖2：25米半球范圍內(nèi)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(guān)的物理量。然而，在大燈測試評價領(lǐng)域，人們更加關(guān)心照度值。所以，必須進行必要的光度學(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(?,?)就與光束的方向無關(guān)，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(shù)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(jié)果偏離。所有非測試需要的光統(tǒng)稱為雜散光，反應(yīng)在亮度圖像上，可以在全部或局部增加亮度，在本測試項目中，雜散光對暗區(qū)影響，導(dǎo)致亮度值增大，實際上，在該區(qū)域，亮度應(yīng)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(jié)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(shè)計減小雜散光（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。因此要獲得準確的測試結(jié)果，需要對房間進行嚴格的設(shè)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(shè)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(zhuǎn)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(jié)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。可以按照圖5的要求建立暗室，對房間進行定標，包含：空間位置校正、光學(xué)校正、雜散光校正。經(jīng)過這些校正，結(jié)合亮度計在室內(nèi)的位置、前燈到墻的距離、前燈的高度等來計算各種光學(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(chǔ)上，進行改造，節(jié)省空間和預(yù)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(xué)數(shù)據(jù)可以通過轉(zhuǎn)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(guān)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(nèi)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(jié)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(guān)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(zhuǎn)動燈具（3X45°），分別測試，然后進行拼接，可實現(xiàn)大范圍測量。轉(zhuǎn)臺可以采用獨立的轉(zhuǎn)臺，或現(xiàn)有的25米配光角度計的轉(zhuǎn)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(xué)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(xué)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(xué)透鏡的質(zhì)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(shè)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(yīng)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(zhuǎn)。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(shù)以及高解析度MatrixLED的測量技術(shù)，這兩種技術(shù)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(zhì)量管理都有非常大的借鑒和使用價值。