【技术文章】汽车LED灯具视觉效果与光学性能优化研究

原文：《汽车LED灯具视觉效果与光学性能优化研究》

作者：李雪梅¹,张雅梦¹,谢延青¹,占丽萍¹

(1.上汽大众汽车有限公司,上海市201805)

简介：汽车灯具作为实现照明安全的关键零件，其亮度与颜色对行驶安全和外观造型至关重要，因LED的发光特性，汽车灯具在位置灯匹配和测试方面存在一定误差，本文从LED光学特性、设计、材料与工艺、测试与匹配等方面展开，研究影响光色匹配的各项因素并提出降低误差和提高匹配效果的有效措施。

关键词：汽车灯具、亮度、色度、测试与匹配

编译：复旦大学林燕丹课题组 许珺婷

指导：林燕丹

本研究深度适配汽车LED照明全产业链应用场景，覆盖    从灯具研发设计、样品测试验证到批量生产落地的全流程，核心聚焦乘用车的位置灯、日间行车灯、格栅灯等关键照明部件。适配环境涵盖-40℃~150℃宽温域及不同湿度工况，包括高温高湿沿海地区、低温严寒北方地区、昼夜温差显著的高原地区等多元气候场景，同时兼容PWM脉冲驱动、恒流驱动等主流驱动模式，满足城市道路、高速公路、乡村小路等不同行驶场景下的照明安全与外观造型需求，尤其针对LED光源复用（如位置灯与日间行车灯共用LED）的复杂应用场景，解决实际使用中因工况变化导致的光色匹配难题。

本研究旨在系统解析LED空间特性、温度特性、电流特性与汽车灯具光色性能的内在关联，精准定位位置灯匹配及测试过程中亮度偏差、色度偏移的核心成因；量化分析光学结构设计、材料选型、加工工艺参数对LED灯具光色均匀性与一致性的影响程度，明确各环节的关键优化控制点；建立兼顾法规符合性（符合GB4785-2019标准及CIE色度系统要求）、视觉效果与测试准确性的光色匹配评价体系，解决测试数据与肉眼观测不符的行业痛点；提出针对性强、可工程化落地的设计优化方案与测试规范，有效降低LED灯具光色偏差，提升不同灯具间（大灯与格栅灯）的光色匹配度，保障行驶安全并优化车辆外观造型表现。

发光二极管(LED)是一种能把电能转化为光能的固体器件，它的结构主要由PN结芯片、电极和光学等系统组成。LED的基本工作原理是一个电光转换的过程，当一个正向偏压施加于PN结两端，由于PN结势垒的降低，P区的正电荷将向N区扩N区的电子也向P区扩散，同时在两个区域形成非平衡电荷的积累。LED的发光是基于半导体的特性将电能转换为光能的过程，如图1所示，LED的核心结构是PN结芯片，由P型半导体和N型半导体组成，当半导体两端施加正向导通电压时，PN结的平衡状态被打破，外加电场使内建电场对多子扩散过程的抑制作用减弱，P区正电荷和N区电子各自向载流子浓度高的区域扩散，P型半导体中的空穴和N型半导体中的电子在势垒区剧烈碰撞复合产生光子，并以光子的形式释放能量。在这个过程中，LED的发光效率会受到多重因素的影响。

(a)

(b)

图1 LED发光原理

而同时LED的色度和亮度也随LED本身的发光效率产生变化，白光LED通常是使用蓝光LED芯片涂覆黄色荧光粉复合产生，其光色由蓝光激发荧光粉后叠加的混合光谱决定。国际照明委员会CIE定义了光谱三刺激值和色度坐标来表示颜色，汽车灯具根据CIE推荐采用标准色度系统表示颜色，即采用三刺激值X、Y、Z和色品坐标x、y、z表示颜色。汽车灯具标准GB4785-2019对光色的要求在CIE色度图中的边界如图2所示。

图2 CIE色度图与法规边界

色度图通过R、G、B三原色展示了人眼能识别到的颜色，完整的色度图即人类视觉的色域，曲线边界是“光谱轨迹”对应于单色光，色度可以理解为颜色的基本饱和度和混合程度，色温则是光线的温度特性。色温主要表征光源的冷暖特性，相同的色温对应多个色度坐标，能产生不同颜色的感知。

对于存在颜色偏差的情况下使用色度数据更能直观体现差异，色温与色度的近似公式如下

亮度是光源在某方向上单位投影面在单位立体角中发射的光通量

式中，Ф(λ)为光源的光通量。

亮度与外加电流密度和温度有关，电流密度增加，光输出增加，而环境温度升高，会导致复合效率下降。同时电流的增加会引起PN结结温增加，从而一定程度上影响输出光的光色。

LED的发光效果如图3所示，其发光面并不是标准的点光源，PN结处发出的光子经过荧光粉复合后通过外部封装射出，因封装光学设计和荧光粉涂覆方式的均匀程度存在差异，LED在不同角度具有不同的输出光谱和光强分布，从而颜色也随空间距离和角度的不同产生变化。

图3 LED的空间特性

由于LED的空间特性，可以发现汽车灯具在不同角度观察到的颜色效果会存在一定的差异，因进行光学设计的时候需考虑到光源出射角度的一致性。

LED的光学特性受温度影响较大，包括环境温度和PN结结温。环境温度较高时，LED的主波长会向长波长漂移，影响灯具的光色，这主要是由于温度升高产生的热效应会引起带隙收缩，从而影响载流子分布和迁移效率。

主波长与温度的关系

即结温每升高10℃,则波长向长波漂移1nm。结温作为LED的关键性能参数之一，其温度变化会影响到LED的光输出效率，但由于LED芯片的结温难以直接测量，通常在不同环境温度条件下测量其对光色的影响。如图4所示，某款LED在1000mA电流情况下，温度从-40℃到150℃变化时，色坐标均有不同程度的漂移，当温度超过某个值后，因荧光粉对蓝光的吸收和转换效率下降，从而导致LED中蓝光相对于黄光的比例增大，色温明显升高。

图4 色漂与温度关系曲线，1000mA

灯具从通电点亮到发光趋于稳定的这段时间内，LED芯片的结温是逐步上升的，波长向长波漂移，到达热平衡之前，LED的发光特性也随着环境温度的变化而变化。因此为了保证灯具光色的均匀性与一致性，合理的散热设计也是十分重要的。

LED的光输出受多种因素影响，虽然会随电流的增大而增强，但并不是成正比的关系，当实际工作电流小于额定电流时，LED的光谱会发生变化，因此PCBA的色度会随工作电流的变化产生偏差。这是因为LED的激发电流变化会引起峰值波长的变化，随着激发电流增大，产生的光波长发生变化，蓝光芯片的峰值波长蓝移，从而形成不同的颜色。如图5所示，在稳定温度条件下，色坐标随着正向电流的变化而产生不同程度的漂移，可以看出在输入电流远小于额定电流时产生的色漂最大，在额定电流附近状态最稳定。

图5 色漂与电流关系曲线，85℃

因此考虑到前部灯具中大灯与格栅灯的匹配关系，在LED选型时需考虑到电流产生的影响，避免因电流差异造成最终光色效果偏黄的现象产生。

前部灯具中，格栅灯、发光标志灯兼具法规合规与造型展示功能，大灯位置灯常与日间行车灯复用 LED，需通过 PWM 控制亮度且工作电流较高。受 LED 空间、温度、电流特性影响，灯具易出现颜色差异、色漂、光导发黄等问题，驱动电流不一致还会导致大灯与格栅灯色彩偏差。位置灯光色为低饱和度白光，偏蓝或偏黄会分别不符合法规、产生不匹配问题，此外光学结构设计、材料与加工工艺也会影响最终光色。

根据LED的空间、电流和温度特性，对车灯进行光学结构设计时需要综合考虑LED出射角度、输入电流以及散热方案对光色的影响。

LED输出光的颜色会随着角度的变化而变化，如图6所示，CIE色度坐标x,y随着CoA(Color over Angle)的不同会产生一定的漂移，主要以外侧大角度为主，这是由于LED涂覆荧光粉的不均匀性以及蓝光芯片的能量释放程度不均导致。

图6色度随角度变化曲线

同时由于CoA的影响，LED与光学件的相对位置会对灯具最终的光色产生影响，因此设计光学系统时尽量控制大角度色漂或未均匀混光的现象，通过精准的光学设计均匀混光和控制出光角度。

灯具的散热性能对LED的光色表现十分重要，特别是使用大功率LED的情况下，能量密度会非常集中，高效合理的散热系统能迅速将芯片产生的热量，释放到环境中，避免因热量聚集造成结温过高，从而导致荧光粉失配的现象发生。

除光学结构设计外，材料与加工工艺的选择也十分重要。

灯具开发需通过光学测试量化色度、亮度，因 CIE 色度图非均匀，常以分段色温检测。测试与肉眼观测易不符，源于测试偏差包括光电积分测色有固有误差、LED 空间特性及测试条件不一致会加剧误差和视觉感知差异包括人眼存在色貌、视亮度效应、PWM 脉冲驱动也会影响感知。可通过统一测试条件、补充多角度测量、建立闭环验证流程、控制目视评价环境来降低误差。

设计层面，LED选型与驱动需基于实际工作电流范围评估光色稳定性，选定合适colorbin范围，同时制定稳定驱动方案，减少电流波动，规避大灯偏蓝、格栅灯偏黄等色彩偏差；光学结构通过仿真模拟优化光路，精准调整LED与光学件相对位置及出射角度（CoA），采用光导或厚壁结构时保证PCBA入射角度精准，避免混光不均，且需规避曲率过大或复杂转折结构，提升出光效率；材料与工艺选型需平衡透光性与耐温性，高温工况优先选用PC材料，透光率要求高的场景可选用PMMA，同时优化注塑工艺参数（烘料温度、时间、模温等），提升光导齿加工精度，降低材料吸湿与发黄风险；针对大功率LED需设计高效散热系统，快速释放芯片热量，防止结温过高引发光衰与色漂。

工程应用中，需规范测试流程，统一测试距离与灯具固定位置，测试前校准设备，控制测试环境温湿度恒定，减少空气对流与背景杂散光干扰，同时补充不同角度色度测量，验证大角度光色均匀性；建立完善质量管控体系，将光色参数纳入批量生产检测指标，常规检测采用光电积分测色法，色漂明显时结合分光测色法精准分析，通过“光学仿真-裸板测试-样件实测”闭环验证流程降低误差，保障产品一致性；优化视觉评价环节，控制目视评价环境条件，减少色貌现象与视亮度效应带来的感知误差，建立主观评价与设备测试的映射规则，提升评价准确性；严格遵循GB4785-2019标准与CIE色度系统要求，确保灯具光色参数处于法规边界内，避免偏蓝超安全余量或偏黄不匹配的问题。

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