研究LED车灯特点及不良光色性能产生原因

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。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。

与传统光源相比，LED具有较多优势，例如，寿命长，目前LED的宣称寿命达上万小时甚至更高，意味着在整车的设计寿命中LED元件都不需要更换，相比而言，氙气灯的寿命只有3000小时左右，卤素灯的寿命则更短；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]

图1 色品图上相应的区域范围

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。

图2 LED光学设计效果（左）和LED实际照明效果（右）

LED在内的新型光源和灯具的发光特性与传统光源的灯具往往存在较大的差异，与传统照明产品不同，LED产品往往是整体化设计且必须进行二次配光，对于照明常用的白光LED，常使用蓝光LED和黄绿色荧光粉得到白光。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。也有造成原因为多个RGB LED灯珠所形成的白光因各个灯珠各自所形成的色彩等不同，同样存在色彩不均匀性。

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。

图3 LED随温度发生颜色不均匀性变化

研究发现LED的空间颜色不均匀及局部亮度过高易产生眩光等现象，会影响灯具产品的外观，甚至在照明中存在安全隐患。所以LED的空间颜色不均匀性受到广泛的关注，目前在许多普通照明用LED标准中[1,2]，均要求全面考察LED的空间颜色不均匀性，LED的空间颜色分布性能越来越得到关注和重视。对车灯的颜色均匀性要求虽然没有普通照明的高，但现有车灯标准中仅以两点来测量评价LED车灯的颜色性能可能存在不足。

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。而对光谱辐射计的性能有较高要求：

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。

5.LED车灯的空间颜色分布实测结果

为比较LED车灯的实际性能，选取LED车前照灯和传统的氙气前照灯，在上述的分布光谱辐射计上进行测量。根据实测结果，LED车灯和传统的氙气灯的色温分布图有很大的区别，一般氙气车灯的色温差在200K左右，而LED车灯色温差则达到1500K左右。

6.总结

在LED车灯应用发展趋势下,LED空间色彩不均匀性已经无法忽视。由试验结果可以看出,LED车灯空间色温分布有很大的不同，有着比较明显的空间颜色不均匀性，这都将对LED车灯的实际使用造成一定的影响，于今，空间颜色不均匀性测量还需关注和重视。本文中所介绍的光色空间分布测量方法以及测量设备布局能够全面评价车灯的光度和色度性能，还可以为LED车灯提供更准确的数据，为日后的LED车灯的研究与推广应用有重要意义。