你知道色温均匀性对LED前照灯的重要性吗？

本文介绍在研制LED前照灯时发现色温不均匀的情况以及其变化规律、产生根源和几点建议。

LED汽车前照灯是LED在车灯领域最高端的应用，目前还处在起步阶段。一方面，前照灯新型光源——LED自身要克服的基础技术难点较多，因此当前的研制重点是实现远近光光型的良好分布、总光通量输出性能，灯具散热方案，控制技术，外观造型等方面。

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。

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。

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。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。一、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。

由远近光空间色温分布图可以看出，在Gamma角方向,0度至30度色温均值比0°至-30°色温均值高，而且该地区占0-10度色温显着高于其他地区。这和前照灯出光角度相关，前照灯投影的目标就是行驶路面，因此中心光强水平向下大约偏离10°。

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。

资料显示：4个样品的平均色温十分接近，均在5500K左右。其色温最大值和最小值差值都在2500K以上。1号份和2号份试样色温最大值与平均色温相近，但其最小色温与平均色温相差2000K以上。3号份,4号份样品最大值，最小值均与平均值有很大差异。数据使我们觉得器件自身色温不均匀性远高于整灯。

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：

1.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。

2.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：

1.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。

2.色温之标准差曲线于测试范围延伸至发光面边缘处呈现显着陡增现象，显示器件边缘处具有显着之色温离散性。3号器件离散度最高，属于COB封装样件且其荧光粉包覆均匀性技术难。

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。

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。

总体色温离散性亦有改变，都是随功率增大而离散性增大，色温均匀性恶化。

因此在LED前照灯的研究与开发过程中，需要考虑到使用功率与色温之间的关系，并做好散热设计以保证其色温均匀性和稳定性。

图4 器件在前照灯反射器模型下的结果

为模拟道路上色温分布，本文在同一前照灯反射器模型上引入3#,4#装置，模拟结果表明。

首先、前言随功率增加，路面及测试屏整体色温均随器件色温的增加而增加。

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。