本文介紹在研制LED前照燈時發(fā)現(xiàn)色溫不均勻的情況以及其變化規(guī)律、產(chǎn)生根源和幾點建議。

LED汽車前照燈是LED在車燈領(lǐng)域最高端的應(yīng)用，目前還處在起步階段。一方面，前照燈新型光源——LED自身要克服的基礎(chǔ)技術(shù)難點較多，因此當前的研制重點是實現(xiàn)遠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，國內(nèi)外關(guān)于LED前照燈的標準僅涉及到顏色范圍、顏色穩(wěn)定性和顯色性指標，對使用過程中的視覺舒適性鮮有研究。人眼長時間在混合色溫下觀察事物，容易引起視覺疲勞等不舒適感，有研究表明混合色溫的車燈對目標的探測率低于單一色溫的車燈，因此色溫的不均勻性將會對駕駛安全產(chǎn)生影響。

此外，色溫均勻性差的LED前照燈主觀評價時將占據(jù)明顯不利地位，其也影響車燈美觀和舒適。

圖1 LED車燈色溫均勻測試

此外，色溫均勻性差的LED前照燈主觀評價時將占據(jù)明顯不利地位，其也影響車燈美觀和舒適。我們選擇一種LED前照燈做為實驗樣本，實驗結(jié)果顯示此燈不論近光或遠光的色溫均勻性都不是很好。一、遠近光燈最大色溫點和最小色溫差距在1600K、1300K以上。有研究認為人眼極可分辨色溫最小可達50-100K.我們測量色溫差值的數(shù)據(jù)為它的10倍。這樣嚴重的色溫離散性出乎人們意料。

由遠近光空間色溫分布圖可以看出，在Gamma角方向,0度至30度色溫均值比0°至-30°色溫均值高，而且該地區(qū)占0-10度色溫顯著高于其他地區(qū)。這和前照燈出光角度相關(guān)，前照燈投影的目標就是行駛路面，因此中心光強水平向下大約偏離10°。

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際使用?；谏鲜霈F(xiàn)象，我們認為在分布式光度計上測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)而觀察該燈具在測試屏上的色溫分布情況。

在評價前照燈色溫均勻性時，我們參考了背光的均勻性測試方法，也就是將光型投射到一定距離的測試屏幕上，以一定的間隔采集測試點上的色溫值。結(jié)果顯示，近光燈的色溫最大差為725K，遠光燈為642K。這兩個數(shù)值均比先前測試的空間色溫發(fā)布差小了一半，同樣的，色溫的標準差也是之前測試值的一半。這與兩者的測試有效數(shù)據(jù)和樣本數(shù)量有關(guān)，不同色溫的光線在測試屏上相互疊加也會減少極端色溫值的出現(xiàn)。雖然不均勻性沒有那么嚴重，但從另一個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

有些現(xiàn)象應(yīng)該引起重視，即最大色溫點和最小色溫點都位于光斑邊緣若把測試屏幕色溫分布劃分為縱、縱塊，計算其平均色溫就會發(fā)現(xiàn)：中間區(qū)域色溫比邊緣區(qū)域高，中間區(qū)域色溫均勻性比邊緣區(qū)域高。

上述兩種測試都反應(yīng)出了LED前照燈存在色溫不均勻現(xiàn)象。我們推測LED光源是最有可能導(dǎo)致這些現(xiàn)象的原因。經(jīng)過調(diào)研，我們選取了目前前裝市場上主流應(yīng)用的幾款LED器件型號，前兩者均屬于單顆器件集成封裝、3號樣品為前照燈專門研發(fā)COB器件，4號樣品則為EMC封裝的單顆器件，需通過線路板焊接使用，該器件也是上文測試中整燈使用的光源。利用近場光學(xué)測試系統(tǒng)對上述四個樣品的發(fā)光表面的色溫分布進行測試，每個樣品上約采集2000個點。從4個樣品的色溫真彩圖上我們就能清晰的看到，器件的邊緣偏黃，中間的色溫相對冷一些。

資料顯示：4個樣品的平均色溫十分接近，均在5500K左右。其色溫最大值和最小值差值都在2500K以上。1號份和2號份試樣色溫最大值與平均色溫相近，但其最小色溫與平均色溫相差2000K以上。3號份,4號份樣品最大值，最小值均與平均值有很大差異。數(shù)據(jù)使我們覺得器件自身色溫不均勻性遠高于整燈。

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：

1.中間色溫高于邊緣色溫，這與上文中肉眼觀察到的發(fā)光面現(xiàn)象相符合，也和之前測試的整燈色溫分布情況類似。

2.這些LED器件以各自幾何中心為中心，半徑不等圓周色溫非常相近。半徑越大圓周的色溫越低。

再看器件的色溫離散度，主要是通過色溫的標準差來反映的：

1.如果我們計算某一圓周范圍內(nèi)的色溫離散性，會發(fā)現(xiàn)4個器件色溫標準差隨著圓周半徑的擴大逐步加大，該趨勢近似線性。說明色溫隨著測試范圍的擴大其均勻性越差。

2.色溫之標準差曲線于測試范圍延伸至發(fā)光面邊緣處呈現(xiàn)顯著陡增現(xiàn)象，顯示器件邊緣處具有顯著之色溫離散性。3號器件離散度最高，屬于COB封裝樣件且其熒光粉包覆均勻性技術(shù)難。

我們知道，汽車使用環(huán)境遠比普通消費電子惡劣得多，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70攝氏度。LED器件色溫均勻性在各種使用情況下會發(fā)生變化嗎？我們在其他條件都不變的情況下，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增大。兩個器件的邊緣色溫變化趨勢較一致，而靠近中心的色溫趨勢變化較大，三號器件特別明顯。上述現(xiàn)象的原因可能有兩點：首先，當功率增加時，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LED溫度的最高點所在，而芯片一般位于封裝結(jié)構(gòu)的幾何中心附近。所以發(fā)光表面的中心區(qū)域色溫變化受溫度影響更明顯。其次LED芯片的輸出光波長會隨注入電流、溫度和時間的影響而變化，發(fā)生 “藍移”，激發(fā)波長發(fā)生改變導(dǎo)致整體色溫變化。

總體色溫離散性亦有改變，都是隨功率增大而離散性增大，色溫均勻性惡化。

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)計以保證其色溫均勻性和穩(wěn)定性。

圖4 器件在前照燈反射器模型下的結(jié)果

為模擬道路上色溫分布，本文在同一前照燈反射器模型上引入3#,4#裝置，模擬結(jié)果表明。

首先、前言隨功率增加，路面及測試屏整體色溫均隨器件色溫的增加而增加。

其次，測試屏上的色溫分布圖形與照度分布圖形十分接近，有明顯的水平截止線與15度截止線。而色溫的不均勻性主要集中在圖形的邊緣，一般表現(xiàn)為“黃色的輪廓”，中間色溫高，邊緣色溫低的現(xiàn)象與LED器件的色溫不均勻性規(guī)律一致。路面上的色溫不均勻情況比測試屏上的情況更嚴重，表現(xiàn)為更明顯的“色斑”，不同角度的光束的色溫會有比較明顯的差異，不同色溫間隔出現(xiàn)，有時會有明顯的分界線。主要出現(xiàn)在車頭1-5米的區(qū)域，5米以后的區(qū)域色溫均勻性相對好一些。

我們可考慮提高LED前照燈色溫均勻性，具體如下。例如選擇色溫均勻性更好的LED器件時，尤其注意邊緣色溫。用作封裝廠改進熒光粉涂覆工藝以保證藍光各角光學(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。對光學(xué)設(shè)計師而言，怎樣把高度不均勻性的邊緣光線掩蓋或者清除掉，同樣是一個值得我們花費時間去考慮的問題。