本文介紹在研制LED前照燈時(shí)發(fā)現(xiàn)色溫不均勻的情況以及其變化規(guī)律、產(chǎn)生根源和幾點(diǎn)建議。

LED汽車(chē)前照燈是LED在車(chē)燈領(lǐng)域最高端的應(yīng)用，目前還處在起步階段。一方面，前照燈新型光源——LED自身要克服的基礎(chǔ)技術(shù)難點(diǎn)較多，因此當(dāng)前的研制重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)近光光型的良好分布、總光通量輸出性能，燈具散熱方案，控制技術(shù)，外觀(guān)造型等方面。

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(guān)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。

此外，色溫均勻性差的LED前照燈主觀(guān)評(píng)價(jià)時(shí)將占據(jù)明顯不利地位，其也影響車(chē)燈美觀(guān)和舒適。

圖1 LED車(chē)燈色溫均勻測(cè)試

此外，色溫均勻性差的LED前照燈主觀(guān)評(píng)價(jià)時(shí)將占據(jù)明顯不利地位，其也影響車(chē)燈美觀(guān)和舒適。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。一、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。

由遠(yuǎn)近光空間色溫分布圖可以看出，在Gamma角方向,0度至30度色溫均值比0°至-30°色溫均值高，而且該地區(qū)占0-10度色溫顯著高于其他地區(qū)。這和前照燈出光角度相關(guān)，前照燈投影的目標(biāo)就是行駛路面，因此中心光強(qiáng)水平向下大約偏離10°。

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。基于上述現(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(guān)的反映其色溫分布規(guī)律。于是，我們轉(zhuǎn)而觀(guān)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(xiàn)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(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(zhuān)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(xiàn)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。

資料顯示：4個(gè)樣品的平均色溫十分接近，均在5500K左右。其色溫最大值和最小值差值都在2500K以上。1號(hào)份和2號(hào)份試樣色溫最大值與平均色溫相近，但其最小色溫與平均色溫相差2000K以上。3號(hào)份,4號(hào)份樣品最大值，最小值均與平均值有很大差異。數(shù)據(jù)使我們覺(jué)得器件自身色溫不均勻性遠(yuǎn)高于整燈。

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：

1.中間色溫高于邊緣色溫，這與上文中肉眼觀(guān)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。

2.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(guò)色溫的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)反映的：

1.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(xiàn)性。說(shuō)明色溫隨著測(cè)試范圍的擴(kuò)大其均勻性越差。

2.色溫之標(biāo)準(zhǔn)差曲線(xiàn)于測(cè)試范圍延伸至發(fā)光面邊緣處呈現(xiàn)顯著陡增現(xiàn)象，顯示器件邊緣處具有顯著之色溫離散性。3號(hào)器件離散度最高，屬于COB封裝樣件且其熒光粉包覆均勻性技術(shù)難。

我們知道，汽車(chē)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。

整體觀(guān)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。

總體色溫離散性亦有改變，都是隨功率增大而離散性增大，色溫均勻性惡化。

因此在LED前照燈的研究與開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要考慮到使用功率與色溫之間的關(guān)系，并做好散熱設(shè)計(jì)以保證其色溫均勻性和穩(wěn)定性。

圖4 器件在前照燈反射器模型下的結(jié)果

為模擬道路上色溫分布，本文在同一前照燈反射器模型上引入3#,4#裝置，模擬結(jié)果表明。

首先、前言隨功率增加，路面及測(cè)試屏整體色溫均隨器件色溫的增加而增加。

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(xiàn)與15度截止線(xiàn)。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(xiàn)。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(chǎng)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(xiàn)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(wèn)題。