技术干货分享：色温均匀性对LED前照灯的重要性

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，LED作为前照灯的一种新型光源，本身需要攻克的基本技术难点有很多，所以目前开发精力主要集中在实现良好的远近光光型分布、总光通量的输出表现、灯具的散热方案、控制技术、外观造型上。

 

另一方面国内外LED前照灯标准只涉及颜色范围，颜色稳定性及显色性指标等，而对于使用时视觉舒适性的研究较少。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。

 

此外，色温均匀性差的LED前照灯主观评价时将占据明显不利地位，其也影响车灯美观和舒适性。

 

图1  LED车灯色温均匀测试

 

此外，色温均匀性差的LED前照灯主观评价时将占据明显不利地位，其也影响车灯美观和舒适性。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.我们测量色温差值的数据为它的10倍。这样严重的色温离散性出乎人们意料。

 

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。根据以上现象我们得出结论：分布式光度计上测量的前照灯色温分布无法直观地反映出色温分布规律。因此我们改用这种灯对测试屏色温分布进行观测。

 

在评价前照灯色温均匀性时，我们参考了背光的均匀性测试方法，也就是将光型投射到一定距离的测试屏幕上，以一定的间隔采集测试点上的色温值。结果显示，近光灯的色温最大差为725K，远光灯为642K。这两个数值均比先前测试的空间色温发布差小了一半，同样的，色温的标准差也是之前测试值的一半。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

 

有些现象应该引起重视，即最大色温点和最小色温点都位于光斑边缘若把测试屏幕色温分布划分为纵、纵块，计算其平均色温就会发现：中间区域色温比边缘区域高，中间区域色温均匀性比边缘区域高。

 

上述两种测试都反应出了LED前照灯存在色温不均匀现象。我们推测LED光源是最有可能导致这些现象的原因。经过调研，我们选取了目前前装市场上主流应用的几款LED器件型号，前两者均属于单颗器件集成封装、3号样品为前照灯专门研发COB器件，4号样品则为EMC封装的单颗器件，需通过线路板焊接使用，该器件也是上文测试中整灯使用的光源。利用近场光学测试系统对上述四个样品的发光表面的色温分布进行测试，每个样品上约采集2000个点。从4个样品的色温真彩图上我们就能清晰的看到，器件的边缘偏黄，中间的色温相对冷一些。

 

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，且与以前试验整灯色温的分布规律相似。

 

这些LED器件以各自几何中心为中心，半径不等圆周色温非常相近。半径越大圆周的色温越低。

 

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：

 

如果我们计算某一圆周范围内的色温离散性，会发现4个器件色温标准差随着圆周半径的扩大逐步加大，该趋势近似线性。说明色温随着测试范围的扩大其均匀性越差。

 

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。

 

总体观察发现器件总体色温随功率增加而升高。两器件边缘色温变化趋势比较一致，中心附近色温变化趋势比较大，三号器件尤为显着。以上现象可能是由两方面因素造成的：一是功率增大后发光效率下降，释放较多热量使荧光粉对黄绿光激发能力减弱，总体色温升高。通常器件PN结温度为该LED温度最高处，芯片通常靠近封装结构几何中心。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。

 

所以我们在研发LED前照灯时，需将使用功率和色温的关系考虑进去，做好散热设计，确保其色温的均匀性及其稳定性。

 

图4 器件在前照灯反射器模型下的结果

 

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。

 

我们可考虑提高LED前照灯色温均匀性，具体如下。例如选择色温均匀性更好的LED器件时，尤其注意边缘色温。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。