LED汽車前照燈作為LED在車燈領(lǐng)域的最高端應(yīng)用，尚處于起步階段。一方面，LED作為前照燈的一種新型光源，本身需要攻克的基本技術(shù)難點有很多，所以目前開發(fā)精力主要集中在實現(xiàn)良好的遠(yuǎn)近光光型分布、總光通量的輸出表現(xiàn)、燈具的散熱方案、控制技術(shù)、外觀造型上。

另一方面，國內(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(biāo)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。

另外，色溫均勻性較差的LED前照燈在主觀評價時會占明顯劣勢，它還會影響到車燈的美觀性與舒適性。

圖1 LED車燈色溫均勻測試

在評價燈具的色溫均勻性時，我們最先想到的就是利用分布式光度計測試LED遠(yuǎn)近光燈的空間色溫分布。我們選取了一個LED前照燈作為測試樣品，測試結(jié)果表明該燈無論近光還是遠(yuǎn)光在色溫均勻性方面表現(xiàn)均不理想。首先，遠(yuǎn)近光燈的最大色溫點與最小色溫差距分別大于1600K和1300K。一些研究中提出，人眼極端可分辨的色溫最低可達(dá)50-100K，我們測得色溫差值數(shù)據(jù)是其10倍之多，如此嚴(yán)重的色溫離散性是始料未及的。

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，所以中心光強會水平向下偏離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際使用?；谏鲜霈F(xiàn)象，我們認(rèn)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(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(yán)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

有一些現(xiàn)象值得我們注意，最大色溫點與最小色溫點均處于光斑的邊緣如果將測試屏幕上的色溫分布分成縱向與縱向的區(qū)塊，計算他們的平均色溫，則會發(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(jìn)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。

從數(shù)據(jù)上看：4個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號和2號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號和4號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。

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：

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(biāo)準(zhǔn)差隨著圓周半徑的擴(kuò)大逐步加大，該趨勢近似線性。說明色溫隨著測試范圍的擴(kuò)大其均勻性越差。

色溫的標(biāo)準(zhǔn)差曲線在測試范圍擴(kuò)大到發(fā)光面邊緣時出現(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。

我們知道汽車的使用環(huán)境比一般的消費電子要嚴(yán)酷很多，使用的溫度可以是一20—30攝氏度，也可以是40攝氏度以上的高溫，太陽下直射的溫度更可以達(dá)到70攝氏度以上。在不同使用條件下，LED器件的色溫均勻性是否會發(fā)生改變呢？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(dāng)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(lán)移”，激發(fā)波長發(fā)生改變導(dǎo)致整體色溫變化。

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。

所以我們在研發(fā)LED前照燈時，需將使用功率和色溫的關(guān)系考慮進(jìn)去，做好散熱設(shè)計，確保其色溫的均勻性及其穩(wěn)定性。

圖4 器件在前照燈反射器模型下的結(jié)果

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，路面和測試屏上的整體色溫都隨著器件的色溫升高而升高。

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(yán)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。

我們可以考慮從以下幾個方面來改善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。作為封裝廠，改善熒光粉的涂覆工藝，確保藍(lán)光在各個角度上的光學(xué)路徑都是一致的。利用各種可能的散熱措施改善器件的的散熱性能，確保其光輸出的穩(wěn)定性。對于光學(xué)設(shè)計師來說，如何將不均勻性較高的邊緣光線隱藏或去除也是值得花時間思考的課題之一。