LED车灯在开发过程中出现的色温均匀现象、规律及来源

 

 

本文介绍LED前照车灯开发过程中发现的色温不均匀现象，及其规律，来源及一些建议。

 

LED汽车前照灯作为LED在车灯领域的最高端应用，尚处于起步阶段。一方面，前照灯新型光源——LED自身要克服的基础技术难点较多，因此当前的研制重点是实现远近光光型的良好分布、总光通量输出性能，灯具散热方案，控制技术，外观造型等方面。

 

另一方面，国内外关于LED前照灯的标准仅涉及到颜色范围、颜色稳定性和显色性指标，对使用过程中的视觉舒适性鲜有研究。人眼长期处于混合色温中看东西易造成视觉疲劳和其他不舒适感，研究显示混合色温车灯比单一色温车灯更能探测到目标，所以，色温不均匀性会影响驾驶安全。

 

另外，色温均匀性较差的LED前照灯在主观评价时会占明显劣势，它还会影响到车灯的美观性与舒适性。

 

图1  LED车灯色温均匀测试

 

在评价灯具的色温均匀性时，我们最先想到的就是利用分布式光度计测试LED远近光灯的空间色温分布。我们选择一种LED前照灯做为实验样本，实验结果显示此灯不论近光或远光的色温均匀性都不是很好。首先远近光灯最大色温点和最小色温差距在1600K、1300K以上。有研究认为人眼极可分辨色温最小可达50-100K.我们测量色温差值数据为它的10倍。这样严重的色温离散性令人意想不到。

 

从远近光的空间色温分布图中可观察到Gamma角方向上，0度到30度范围的色温均值要高于0到-30°范围内的色温，而在这个区域内，0-10度范围内的色温明显高于其他区域。这与前照灯的出光角度有关，前照灯的投射目标是行驶路面，所以中心光强会水平向下偏离10°左右。

 

由于前照灯的光束角又十分窄，主光束角以外的色温往往不被实际使用。基于上述现象，我们认为在分布式光度计上测得的前照灯色温分布不能直观的反映其色温分布规律。于是，我们转而观察该灯具在测试屏上的色温分布情况。

 

在对前照灯进行色温均匀性评估时，借鉴背光均匀性检测方法，即把光型投影至测试屏幕一定距离处，并按一定间隔时间收集测试点处色温。结果表明：近光灯最大色温差在725K左右，远光灯在642K左右。这两个值都比以前试验空间色温发布差小一半，同样地，色温标准差就是以前试验值的一半。这与两者的测试有效数据和样本数量有关，不同色温的光线在测试屏上相互叠加也会减少极端色温值的出现。虽然不均匀性没有那么严重，但从另一个角度反映了前照灯色温不均匀现象的存在。

 

图2 LED车灯色温平均分布图

 

有一些现象值得我们注意，最大色温点与最小色温点均处于光斑的边缘如果将测试屏幕上的色温分布分成纵向与纵向的区块，计算他们的平均色温，则会发现：中间区域的色温高于边缘区域，其中间区域的色温均匀性也要高于边缘区域。

 

上述两种测试都反应出了LED前照灯存在色温不均匀现象。们猜测,LED光源最容易造成上述现象。经研究，本文选择了当前前装市场主流使用的多款LED器件类型，其中前二者属于单颗器件集成封装,3号样作为前照灯专用COB器件开发,4号样作为EMC封装单颗器件开发，需要经过线路板的焊接才能投入使用，本装置在上述试验中同样作为整灯所用光源。用近场光学测试系统对以上4个样品发光表面色温分布情况进行了测试，在每一个样品上采集了2000个左右点。由四幅试样色温真彩图可以明显地看出器件边缘是黄色，而中间色温则冷一些。

 

从数据上看：4个样品的平均色温十分接近，均在5500K左右。他们的色温的最大值与最小值之差均大于2500K。1号和2号样品的色温最大值与其平均色温比较接近，但他们的最小色温与其平均色温均相差2000K以上。3号和4号样品的最大值与最小值都与其平均值相差较大。这些数据让我们感觉到器件本身的色温不均匀性比整灯要高出许多。

 

图3 器件出光面色温分布图

 

器件出光面的色温分布与车灯分布的规律有相似性：

 

中间色温比边缘色温高，与前文肉眼观测发光面现象一致，且与前人检测整灯色温的分布规律相似。

 

这些LED器件在以其几何中心为圆心的不同半径的圆周上的色温十分接近。半径越大的圆周，其色温也越低。

 

再看器件的色温离散度，主要是通过色温的标准差来反映的：

 

若计算一定圆周范围内色温的离散性就可以看出四种器件色温标准差随圆周半径增大而逐渐增大，这种变化趋势近似于线性。表明色温随测试范围增加，均匀性变差。

 

色温的标准差曲线在测试范围扩大到发光面边缘时出现明显的陡增，说明器件的边缘处有明显的色温离散性。3号器件的离散度最大，其属于COB封装样件，它的荧光粉涂覆均匀性工艺难度较大。

 

我们知道，汽车使用环境远比普通消费电子恶劣得多，其使用温度可在一20~30摄氏度或40摄氏度以上，太阳下直射温度更高达70摄氏度。LED器件色温均匀性在各种使用情况下会发生变化吗？我们在其他条件都不变的情况下，改变了器件的输入电流，也就是改变其使用功率。

 

整体观察，随着功率的增大， 器件的整体色温均会增大。两个器件的边缘色温变化趋势较一致，而靠近中心的色温趋势变化较大，三号器件特别明显。

 

上述现象的原因可能有两点：首先，当功率增加时，发光效率降低，更多的热量被放出导致荧光粉激发黄绿光的能力下降，整体色温变大。一般来说器件PN结的温度是这个LED温度的最高点所在，而芯片一般位于封装结构的几何中心附近。因此，发光表面中心区域的色温变化受到温度的影响更为显着。二是LED芯片输出光波长在注入电流，温度及时间等因素作用下会发生变化，出现“蓝移”；激发波长的变化引起整体色温的改变。

 

整体的色温离散性也有所变化，均随着功率的增加，离散性变大，色温均匀性变差。

 

因此在LED前照灯的研究与开发过程中，需要考虑到使用功率与色温之间的关系，并做好散热设计工作，以保证其色温均匀性和稳定性。

 

 

 

为了仿真出路面的色温分布情况，我们将3#和4#器件导入到同一个前照灯反射器模型中，仿真结果显示。

 

首先，随着功率的增大，路面和测试屏上的整体色温都随着器件的色温升高而升高。

 

其次是测试屏上色温分布图形和照度分布图形非常相近，存在明显水平截止线和15度截止线。色温不均匀性则主要集中于图形边缘处，通常呈“黄色轮廓”状，中间色温较高而边缘色温较低的情况符合LED器件色温不均匀性的规律。路面色温不均匀现象较测试屏更为严重，呈现更为显着的“色斑”；光束在不同视角下色温变化较为显着，色温区间不一，且有时存在明显分界线。主要发生于车头1-5米处,5米后区域色温均匀性较好。

 

我们可以考虑从以下几个方面来改善LED前照灯的色温均匀性。比如选用色温均匀性较好的LED器件，特别关注边缘色温。用作封装厂改进荧光粉涂覆工艺以保证蓝光各角光学路径均匀。采用多种可能散热措施提高器件散热性能以保证光输出稳定。对光学设计师而言，怎样把高度不均匀性的边缘光线掩盖或者清除掉，同样是一个值得我们花费时间去考虑的问题。