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LED车灯的光色不均匀性标准及光色性能

文章来源:未知时间:2024-02-05 点击:
相比较传统的卤素灯和氙气灯,LED具有独到的优势,如寿命长,发光效率高,响应速度快,体积小,设计可塑性强等。近几年来,LED已逐渐被应用在汽车前照灯中,尤其是在高端车型中。然而,与传统光源相比,LED车灯也有必须考虑的独特问题,光色性能便是其中一个重要方面。

LED车灯因自身发光特性和温度影响,很容易产生颜色漂移和空间色彩不均等问题,不仅影响车体整体外观,而且还存在安全隐患。文章将围绕LED车灯特点及不良光色性能产生原因进行研究,对有关标准对车灯光色性能要求进行介绍,对LED车灯光色性能进行论述。

1、前言

LED是一种将电能直接转化为光能的半导体器件,早期在车仪表等指示灯上获得初步应用,随着LED技术的突飞猛进,LED已经广泛应用于汽车仪表背照明、操作开关、顶灯、阅读灯、门锁灯等车内照明上。近年来,尤其在部分高端车型中,LED已逐渐被应用到汽车前照灯中,如首次应用LED作为大灯的雷克萨斯的LS600h/LS600hL车型,奥迪R8等。随着LED成本的降低和技术的发展,一些中端型汽车也逐步采用LED作为车前大灯的照明装置。

相对于传统光源来说,LED有更多的优点,比如,使用寿命长,现在LED声称的使用寿命达到了几万小时乃至更高,这就决定了整车设计使用寿命内LED元件均无需替换,相比较而言,氙气灯的寿命只有3000小时左右,卤素灯的寿命更短;LED抗震性好、不易损坏、能很好地适用于多种环境;LED另外一个很大的优点是LED元件尺寸小、结构紧凑、易于布置、造型设计,能大大满足汽车厂商的设计要求,它突破了以往灯光系统在造型创新方面的桎梏,让人们能够有更加新颖的汽车产品。

2、前照灯的相关标准

国际上汽车灯光标准主要有两大系统,一是欧洲的ECE体系,另一个是美国的SAE体系,目前我国的汽车灯光标准以ECE体系作为参照。

标准中,除了对前照灯的配光性能提出了明确细致的要求外,也对车灯的颜色等提出了要求。比较典型的是在GB25991-2010《汽车用LED前照灯》的标准中,对光色有如下规定:LED前照灯的光色应为白色。在显色性方面,标准要求LED红光成分在整个可见光范围内的含量要满足大于等于0.05,值得注意的是,测量应在至少两个方向上进行,即近光50V和远光HV点上进行测量。

此外,SAE标准中对于红、黄、蓝、白等光线的色品坐标有严格规定,须落入如下图区域范围。事实上,以LED为光源的汽车前照灯很容易产生光色漂移和空间颜色不均等问题,应确保色品坐标充分落入规定范围,空间颜色测量与空间光度分布测量同样是必需的。[1,2]

若把控不好,空间颜色不均不仅影响车体整体外观,还可能造成安全隐患。空间颜色不均表现为光源或者灯具向空间各方向辐射出的光线颜色不匀,驾驶员在不匀光线颜色下行车产生不适感。

3、LED车灯的空间颜色不均匀性问题

由于LED不同于一些传统的灯源,这让LED的产品评估和相关技术质量检测成为焦点,尤其是LED灯源存在空间颜色不均匀性的问题。

LED等新型光源及灯具在发光特性上通常与传统光源灯具有很大区别,区别于传统照明产品,LED产品通常采用整体化设计,须二次配光,对照明中经常用到的白光LED来说,通常采用蓝光LED加黄绿色荧光粉来获取白光。某LED芯片之上荧光粉受工艺限制而分布不均,会造成不同出光方向蓝光与黄绿光掺混比例改变,继而造成LED芯片空间色彩分布不均。还有一种导致原因是由多颗RGB LED灯珠组成而产生的白光,由于每颗灯珠每产生颜色等差异,也都会产生颜色不均匀性问题。

更重要的是,LED对热十分敏感,在高温下LED的光输出和颜色都会发生较大变化,如图4所示。在密闭的车灯环境中,不仅LED光源整体的温度会比较高,而且受散热结构的影响,在不同区位的LED所处的温度也不一样,这进一步加剧了LED车灯的空间颜色不均匀现象。

结果发现,LED空间色彩不均和局部亮度过高容易出现眩光,对灯具产品外观造成影响,甚至给照明带来隐患。因此LED空间颜色不均匀性引起了人们的广泛关注,当前很多普通照明LED标准[1,2]都要求对LED空间颜色不均匀性进行综合研究,LED空间颜色分布性能也日益受到人们的重视与关注。对于车灯颜色均匀性的要求虽不如普通照明,但是目前车灯标准多采用两点作为LED车灯颜色性能的衡量和评估标准会有不足之处。

4、LED车灯的测量方案探讨与测试结果分析

常用照明用LED空间色彩检测方案已较为成熟,通常使用分布光谱辐射计进行检测。分布光谱辐射计通常是将分布光度计与光谱辐射计结合在一起,光谱辐射计在空间各个方向收集光信号并对颜色参数如色坐标,色温和显色指数进行测量与分析。

LED车灯空间色彩测量可以借鉴一般照明光源或者灯具测量方法,使用分布光谱辐射计对其进行测量和分析。分布光谱辐射计通常包括分布光度计与高精度快速光谱辐射计两部分。针对车灯测试,分布光度计通常都是使用精度很高的A-ɑ分布光度计来进行测量,其中图4是测量A-ɑ空间光谱辐射的典型方案,分布光度计转角精度在±0.01o以内。而且对于光谱辐射计性能也提出了更高的要求:

1.测量速度要求高,过长的测量速度会增加时间成本;

2.测量精度要求高,光谱辐射测量相关的IES LM-58-13最新版本于2013年底推出,对光谱辐射计的带宽、杂散光等性能均具有严格的规定,并要求杂散光的数量级小于10-4的范围内。

3.线性动态范围大,特别是在测量产品种类丰富,产品更新换代迅速时,只有线性动态范围足够大,才能够满足LED前照灯,刹车灯,信号灯等各种LED车灯测量的需要。

除了设备上的方案外,实际的颜色分布测量方法也十分重要。CIE TC2-74研究的主要包括:测量距离、扫描方式和采样间隔的确定等内容[4],目前已有大量研究成果出台[5,6],这些成果都可以直接应用到LED车灯的空间颜色均匀性测量中。

LED车灯的空间颜色分布实测结果

为了对比LED车灯实际工作特性,本文选用LED车前照灯与常规氙气前照灯在前述分布光谱辐射计中对其进行了实测。从测量结果来看,LED车灯与常规氙气灯色温分布图差异较大,普通氙气车灯色温相差约200K,LED车灯色温相差达1500K。

5、总结

随着LED车灯的应用趋势的到来,LED的空间颜色不均匀性问题已不容忽视。从测试的结果中,我们可以看到LED车灯空间色温分布存在较大差异,具有较为明显的空间颜色不均匀性现象,这些现象将对LED车灯的实际使用产生影响,于此同时空间颜色不均匀性测量需得到关注和重视。文中所述光色空间分布检测方法及测量设备布局可对车灯光度及色度性能进行综合评估,同时也能为LED车灯检测提供更为精确的信息,对今后LED车灯研究及推广应用具有重要指导意义。

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