研究LED車燈特點(diǎn)及不良光色性能產(chǎn)生原因

相比較傳統(tǒng)的鹵素?zé)艉碗瘹鉄簦?a target="_blank">LED具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，如壽命長(zhǎng)，發(fā)光效率高，響應(yīng)速度快，體積小，設(shè)計(jì)可塑性強(qiáng)等。近幾年來(lái)，LED已逐漸被應(yīng)用在汽車前照燈中，尤其是在高端車型中。然而，與傳統(tǒng)光源相比，LED車燈也有必須考慮的獨(dú)特問(wèn)題，光色性能便是其中一個(gè)重要方面。

LED車燈因自身發(fā)光特性和溫度影響，很容易產(chǎn)生顏色漂移和空間色彩不均等問(wèn)題，不僅影響車體整體外觀，而且還存在安全隱患。文章將圍繞LED車燈特點(diǎn)及不良光色性能產(chǎn)生原因進(jìn)行研究，對(duì)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車燈光色性能要求進(jìn)行介紹，對(duì)LED車燈光色性能進(jìn)行論述

1.前言

LED是一種將電能直接轉(zhuǎn)化為光能的半導(dǎo)體器件，早期在車儀表等指示燈上獲得初步應(yīng)用，隨著LED技術(shù)的突飛猛進(jìn)，LED已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車儀表背照明、操作開(kāi)關(guān)、頂燈、閱讀燈、門鎖燈等車內(nèi)照明上。隨著LED成本的降低和技術(shù)的發(fā)展，一些中端型汽車也逐步采用LED作為車前大燈的照明裝置。

與傳統(tǒng)光源相比，LED具有較多優(yōu)勢(shì)，例如，壽命長(zhǎng)，目前LED的宣稱壽命達(dá)上萬(wàn)小時(shí)甚至更高，意味著在整車的設(shè)計(jì)壽命中LED元件都不需要更換，相比而言，氙氣燈的壽命只有3000小時(shí)左右，鹵素?zé)舻膲勖鼊t更短；LED抗震性好、不易損壞、能很好地適用于多種環(huán)境；LED另外一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)是LED元件尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、易于布置、造型設(shè)計(jì)，能大大滿足汽車廠商的設(shè)計(jì)要求，它突破了以往燈光系統(tǒng)在造型創(chuàng)新方面的桎梏，讓人們能夠有更加新穎的汽車產(chǎn)品。

2.前照燈的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)際上汽車燈光標(biāo)準(zhǔn)主要有兩大系統(tǒng)，一是歐洲的ECE體系，另一個(gè)是美國(guó)的SAE體系，目前我國(guó)的汽車燈光標(biāo)準(zhǔn)以ECE體系作為參照。

標(biāo)準(zhǔn)中，除了對(duì)前照燈的配光性能提出了明確細(xì)致的要求外，也對(duì)車燈的顏色等提出了要求。比較典型的是在GB25991-2010《汽車用LED前照燈》的標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)光色有如下規(guī)定：LED前照燈的光色應(yīng)為白色。在顯色性方面，標(biāo)準(zhǔn)要求LED紅光成分在整個(gè)可見(jiàn)光范圍內(nèi)的含量要滿足大于等于0.05，值得注意的是，測(cè)量應(yīng)在至少兩個(gè)方向上進(jìn)行，即近光50V和遠(yuǎn)光HV點(diǎn)上進(jìn)行測(cè)量。

此外,SAE標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于紅、黃、藍(lán)、白等光線的色品坐標(biāo)有嚴(yán)格規(guī)定，須落入如下圖區(qū)域范圍。事實(shí)上，以LED為光源的汽車前照燈很容易產(chǎn)生光色漂移和空間顏色不均等問(wèn)題，應(yīng)確保色品坐標(biāo)充分落入規(guī)定范圍，空間顏色測(cè)量與空間光度分布測(cè)量同樣是必需的。[1,2]

圖1 色品圖上相應(yīng)的區(qū)域范圍

若把控不好，空間顏色不均不僅影響車體整體外觀，還可能造成安全隱患?？臻g顏色不均表現(xiàn)為光源或者燈具向空間各方向輻射出的光線顏色不勻，駕駛員在不勻光線顏色下行車產(chǎn)生不適感。

3.LED車燈的空間顏色不均勻性問(wèn)題

由于LED不同于一些傳統(tǒng)的燈源，這讓LED的產(chǎn)品評(píng)估和相關(guān)技術(shù)質(zhì)量檢測(cè)成為焦點(diǎn)，尤其是LED燈源存在空間顏色不均勻性的問(wèn)題。

圖2 LED光學(xué)設(shè)計(jì)效果（左）和LED實(shí)際照明效果（右）

LED在內(nèi)的新型光源和燈具的發(fā)光特性與傳統(tǒng)光源的燈具往往存在較大的差異，與傳統(tǒng)照明產(chǎn)品不同，LED產(chǎn)品往往是整體化設(shè)計(jì)且必須進(jìn)行二次配光，對(duì)于照明常用的白光LED，常使用藍(lán)光LED和黃綠色熒光粉得到白光。某LED芯片之上熒光粉受工藝限制而分布不均，會(huì)造成不同出光方向藍(lán)光與黃綠光摻混比例改變，繼而造成LED芯片空間色彩分布不均。也有造成原因?yàn)槎鄠€(gè)RGB LED燈珠所形成的白光因各個(gè)燈珠各自所形成的色彩等不同，同樣存在色彩不均勻性。

更重要的是，LED對(duì)熱十分敏感，在高溫下LED的光輸出和顏色都會(huì)發(fā)生較大變化，如圖4所示。在密閉的車燈環(huán)境中，不僅LED光源整體的溫度會(huì)比較高，而且受散熱結(jié)構(gòu)的影響，在不同區(qū)位的LED所處的溫度也不一樣，這進(jìn)一步加劇了LED車燈的空間顏色不均勻現(xiàn)象。

圖3 LED隨溫度發(fā)生顏色不均勻性變化

研究發(fā)現(xiàn)LED的空間顏色不均勻及局部亮度過(guò)高易產(chǎn)生眩光等現(xiàn)象，會(huì)影響燈具產(chǎn)品的外觀，甚至在照明中存在安全隱患。所以LED的空間顏色不均勻性受到廣泛的關(guān)注，目前在許多普通照明用LED標(biāo)準(zhǔn)中[1,2]，均要求全面考察LED的空間顏色不均勻性，LED的空間顏色分布性能越來(lái)越得到關(guān)注和重視。對(duì)車燈的顏色均勻性要求雖然沒(méi)有普通照明的高，但現(xiàn)有車燈標(biāo)準(zhǔn)中僅以兩點(diǎn)來(lái)測(cè)量評(píng)價(jià)LED車燈的顏色性能可能存在不足。

4.LED車燈的測(cè)量方案探討與測(cè)試結(jié)果分析

常用照明用LED空間色彩檢測(cè)方案已較為成熟，通常使用分布光譜輻射計(jì)進(jìn)行檢測(cè)。分布光譜輻射計(jì)通常是將分布光度計(jì)與光譜輻射計(jì)結(jié)合在一起，光譜輻射計(jì)在空間各個(gè)方向收集光信號(hào)并對(duì)顏色參數(shù)如色坐標(biāo)，色溫和顯色指數(shù)進(jìn)行測(cè)量與分析。

LED車燈空間色彩測(cè)量可以借鑒一般照明光源或者燈具測(cè)量方法，使用分布光譜輻射計(jì)對(duì)其進(jìn)行測(cè)量和分析。分布光譜輻射計(jì)通常包括分布光度計(jì)與高精度快速光譜輻射計(jì)兩部分。而對(duì)光譜輻射計(jì)的性能有較高要求：

1)測(cè)量速度要求高，過(guò)長(zhǎng)的測(cè)量速度會(huì)增加時(shí)間成本；

2)測(cè)量精度要求高，光譜輻射測(cè)量相關(guān)的IES LM-58-13最新版本于2013年底推出，對(duì)光譜輻射計(jì)的帶寬、雜散光等性能均具有嚴(yán)格的規(guī)定,并要求雜散光的數(shù)量級(jí)小于10-4的范圍內(nèi)。

3)線性動(dòng)態(tài)范圍大，特別是在測(cè)量產(chǎn)品種類豐富，產(chǎn)品更新?lián)Q代迅速時(shí)，只有線性動(dòng)態(tài)范圍足夠大，才能夠滿足LED前照燈，剎車燈，信號(hào)燈等各種LED車燈測(cè)量的需要。

除了設(shè)備上的方案外，實(shí)際的顏色分布測(cè)量方法也十分重要。CIE TC2-74研究的主要包括：測(cè)量距離、掃描方式和采樣間隔的確定等內(nèi)容[4]，目前已有大量研究成果出臺(tái)[5,6]，這些成果都可以直接應(yīng)用到LED車燈的空間顏色均勻性測(cè)量中。

5.LED車燈的空間顏色分布實(shí)測(cè)結(jié)果

為比較LED車燈的實(shí)際性能，選取LED車前照燈和傳統(tǒng)的氙氣前照燈，在上述的分布光譜輻射計(jì)上進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，LED車燈和傳統(tǒng)的氙氣燈的色溫分布圖有很大的區(qū)別，一般氙氣車燈的色溫差在200K左右，而LED車燈色溫差則達(dá)到1500K左右。

6.總結(jié)

在LED車燈應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)下,LED空間色彩不均勻性已經(jīng)無(wú)法忽視。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出,LED車燈空間色溫分布有很大的不同，有著比較明顯的空間顏色不均勻性，這都將對(duì)LED車燈的實(shí)際使用造成一定的影響，于今，空間顏色不均勻性測(cè)量還需關(guān)注和重視。本文中所介紹的光色空間分布測(cè)量方法以及測(cè)量設(shè)備布局能夠全面評(píng)價(jià)車燈的光度和色度性能，還可以為L(zhǎng)ED車燈提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，為日后的LED車燈的研究與推廣應(yīng)用有重要意義。