本文介紹LED前照車燈開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)的色溫不均勻現(xiàn)象，及其規(guī)律，來源及一些建議。

LED汽車前照燈作為L(zhǎng)ED在車燈領(lǐng)域的最高端應(yīng)用，尚處于起步階段。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)使用過程中的視覺舒適性鮮有研究。人眼長(zhǎng)期處于混合色溫中看東西易造成視覺疲勞和其他不舒適感，研究顯示混合色溫車燈比單一色溫車燈更能探測(cè)到目標(biāo)，所以，色溫不均勻性會(huì)影響駕駛安全。

另外，色溫均勻性較差的LED前照燈在主觀評(píng)價(jià)時(shí)會(huì)占明顯劣勢(shì)，它還會(huì)影響到車燈的美觀性與舒適性。

圖1 LED車燈色溫均勻測(cè)試

在評(píng)價(jià)燈具的色溫均勻性時(shí)，我們最先想到的就是利用分布式光度計(jì)測(cè)試LED遠(yuǎn)近光燈的空間色溫分布。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。首先遠(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)量色溫差值數(shù)據(jù)為它的10倍。這樣嚴(yán)重的色溫離散性令人意想不到。

從遠(yuǎn)近光的空間色溫分布圖中可觀察到Gamma角方向上，0度到30度范圍的色溫均值要高于0到-30°范圍內(nèi)的色溫，而在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，0-10度范圍內(nèi)的色溫明顯高于其他區(qū)域。這與前照燈的出光角度有關(guān)，前照燈的投射目標(biāo)是行駛路面，所以中心光強(qiáng)會(huì)水平向下偏離10°左右。

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的反映其色溫分布規(guī)律。于是，我們轉(zhuǎn)而觀察該燈具在測(cè)試屏上的色溫分布情況。

在對(duì)前照燈進(jìn)行色溫均勻性評(píng)估時(shí)，借鑒背光均勻性檢測(cè)方法，即把光型投影至測(cè)試屏幕一定距離處，并按一定間隔時(shí)間收集測(cè)試點(diǎn)處色溫。結(jié)果表明：近光燈最大色溫差在725K左右，遠(yuǎn)光燈在642K左右。這兩個(gè)值都比以前試驗(yàn)空間色溫發(fā)布差小一半，同樣地，色溫標(biāo)準(zhǔn)差就是以前試驗(yàn)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車燈色溫平均分布圖

有一些現(xiàn)象值得我們注意，最大色溫點(diǎn)與最小色溫點(diǎn)均處于光斑的邊緣如果將測(cè)試屏幕上的色溫分布分成縱向與縱向的區(qū)塊，計(jì)算他們的平均色溫，則會(huì)發(fā)現(xiàn)：中間區(qū)域的色溫高于邊緣區(qū)域，其中間區(qū)域的色溫均勻性也要高于邊緣區(qū)域。

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。們猜測(cè),LED光源最容易造成上述現(xiàn)象。經(jīng)研究，本文選擇了當(dāng)前前裝市場(chǎng)主流使用的多款LED器件類型，其中前二者屬于單顆器件集成封裝,3號(hào)樣作為前照燈專用COB器件開發(fā),4號(hào)樣作為EMC封裝單顆器件開發(fā)，需要經(jīng)過線路板的焊接才能投入使用，本裝置在上述試驗(yàn)中同樣作為整燈所用光源。用近場(chǎng)光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)以上4個(gè)樣品發(fā)光表面色溫分布情況進(jìn)行了測(cè)試，在每一個(gè)樣品上采集了2000個(gè)左右點(diǎn)。由四幅試樣色溫真彩圖可以明顯地看出器件邊緣是黃色，而中間色溫則冷一些。

從數(shù)據(jù)上看：4個(gè)樣品的平均色溫十分接近，均在5500K左右。他們的色溫的最大值與最小值之差均大于2500K。1號(hào)和2號(hào)樣品的色溫最大值與其平均色溫比較接近，但他們的最小色溫與其平均色溫均相差2000K以上。3號(hào)和4號(hào)樣品的最大值與最小值都與其平均值相差較大。這些數(shù)據(jù)讓我們感覺到器件本身的色溫不均勻性比整燈要高出許多。

圖3 器件出光面色溫分布圖

器件出光面的色溫分布與車燈分布的規(guī)律有相似性：

中間色溫比邊緣色溫高，與前文肉眼觀測(cè)發(fā)光面現(xiàn)象一致，且與前人檢測(cè)整燈色溫的分布規(guī)律相似。

這些LED器件在以其幾何中心為圓心的不同半徑的圓周上的色溫十分接近。半徑越大的圓周，其色溫也越低。

再看器件的色溫離散度，主要是通過色溫的標(biāo)準(zhǔn)差來反映的：

若計(jì)算一定圓周范圍內(nèi)色溫的離散性就可以看出四種器件色溫標(biāo)準(zhǔn)差隨圓周半徑增大而逐漸增大，這種變化趨勢(shì)近似于線性。表明色溫隨測(cè)試范圍增加，均勻性變差。

色溫的標(biāo)準(zhǔn)差曲線在測(cè)試范圍擴(kuò)大到發(fā)光面邊緣時(shí)出現(xiàn)明顯的陡增，說明器件的邊緣處有明顯的色溫離散性。3號(hào)器件的離散度最大，其屬于COB封裝樣件，它的熒光粉涂覆均勻性工藝難度較大。

我們知道，汽車使用環(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。一般來說器件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。因此，發(fā)光表面中心區(qū)域的色溫變化受到溫度的影響更為顯著。二是LED芯片輸出光波長(zhǎng)在注入電流，溫度及時(shí)間等因素作用下會(huì)發(fā)生變化，出現(xiàn)“藍(lán)移”；激發(fā)波長(zhǎng)的變化引起整體色溫的改變。

整體的色溫離散性也有所變化，均隨著功率的增加，離散性變大，色溫均勻性變差。

因此在LED前照燈的研究與開發(fā)過程中，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)工作，以保證其色溫均勻性和穩(wěn)定性。

為了仿真出路面的色溫分布情況，我們將3#和4#器件導(dǎo)入到同一個(gè)前照燈反射器模型中，仿真結(jié)果顯示。

首先，隨著功率的增大，路面和測(cè)試屏上的整體色溫都隨著器件的色溫升高而升高。

其次是測(cè)試屏上色溫分布圖形和照度分布圖形非常相近，存在明顯水平截止線和15度截止線。色溫不均勻性則主要集中于圖形邊緣處，通常呈“黃色輪廓”狀，中間色溫較高而邊緣色溫較低的情況符合LED器件色溫不均勻性的規(guī)律。路面色溫不均勻現(xiàn)象較測(cè)試屏更為嚴(yán)重，呈現(xiàn)更為顯著的“色斑”；光束在不同視角下色溫變化較為顯著，色溫區(qū)間不一，且有時(shí)存在明顯分界線。主要發(fā)生于車頭1-5米處,5米后區(qū)域色溫均勻性較好。

我們可以考慮從以下幾個(gè)方面來改善LED前照燈的色溫均勻性。比如選用色溫均勻性較好的LED器件，特別關(guān)注邊緣色溫。用作封裝廠改進(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)間去考慮的問題。