技术文章 ￨ LED前照灯色温均匀性的研究作者丨Zhuang Meilin 编译丨卢妍 本文介绍LED前照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，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。人眼长时间在混合色温下观察事物，容易引起视觉疲劳等不舒适感，有研究表明混合色温的车灯对目标的探测率低于单一色温的车灯，因此色温的不均匀性将会对驾驶安全产生影响。 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。我们选取了一个LED前照灯作为测试样品，测试结果表明该灯无论近光还是远光在色温均匀性方面表现均不理想。首先，远近光灯的最大色温点与最小色温差距分别大于1600K和1300K。一些研究中提出，人眼极端可分辨的色温最低可达50-100K，我们测得色温差值数据是其10倍之多，如此严重的色温离散性是始料未及的。 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。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： • 中间色温高于边缘色温，这与上文中肉眼观察到的发光面现象相符合，也和之前测试的整灯色温分布情况类似。 • 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： • 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。 我们知道汽车的使用环境比一般的消费电子要严酷很多，使用的温度可以是一20—30摄氏度，也可以是40摄氏度以上的高温，太阳下直射的温度更可以达到70摄氏度以上。在不同使用条件下，LED器件的色温均匀性是否会发生改变呢？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。所以发光表面的中心区域色温变化受温度影响更明显。其次LED芯片的输出光波长会随注入电流、温度和时间的影响而变化，发生 “蓝移”，激发波长发生改变导致整体色温变化。 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，测试屏上的色温分布图形与照度分布图形十分接近，有明显的水平截止线与15度截止线。而色温的不均匀性主要集中在图形的边缘，一般表现为“黄色的轮廓”，中间色温高，边缘色温低的现象与LED器件的色温不均匀性规律一致。路面上的色温不均匀情况比测试屏上的情况更严重，表现为更明显的“色斑”，不同角度的光束的色温会有比较明显的差异，不同色温间隔出现，有时会有明显的分界线。主要出现在车头1-5米的区域，5米以后的区域色温均匀性相对好一些。 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。作为封装厂，改善荧光粉的涂覆工艺，确保蓝光在各个角度上的光学路径都是一致的。利用各种可能的散热措施改善器件的的散热性能，确保其光输出的稳定性。对于光学设计师来说，如何将不均匀性较高的边缘光线隐藏或去除也是值得花时间思考的课题之一。 文章来源于ifal论文集 |
