LED汽車前照燈作為LED在車燈領域的最高端應用，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難點有很多，所以目前開發精力主要集中在實現良好的遠近光光型分布、總光通量的輸出表現、燈具的散熱方案、控制技術、外觀造型上。

另一方面，國內外關于LED前照燈的標準僅涉及到顏色范圍、顏色穩定性和顯色性指標，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，測試結果表明該燈無論近光還是遠光在色溫均勻性方面表現均不理想。首先，遠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50-100K，我們測得色溫差值數據是其10倍之多，如此嚴重的色溫離散性是始料未及的。

從遠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°范圍內的色溫，而在這個區域內，0-10度范圍內的色溫明顯高于其他區域。這與前照燈的出光角度有關，前照燈的投射目標是行駛路面，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。基于上述現象，我們認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律。于是，我們轉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。結果顯示，近光燈的色溫最大差為725K，遠光燈為642K。這兩個數值均比先前測試的空間色溫發布差小了一半，同樣的，色溫的標準差也是之前測試值的一半。這與兩者的測試有效數據和樣本數量有關，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。雖然不均勻性沒有那么嚴重，但從另一個角度反映了前照燈色溫不均勻現象的存在。

圖2 LED車燈色溫平均分布圖

有一些現象值得我們注意，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塊，計算他們的平均色溫，則會發現：中間區域的色溫高于邊緣區域，其中間區域的色溫均勻性也要高于邊緣區域。

上述兩種測試都反應出了LED前照燈存在色溫不均勻現象。我們推測LED光源是最有可能導致這些現象的原因。經過調研，我們選取了目前前裝市場上主流應用的幾款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。利用近場光學測試系統對上述四個樣品的發光表面的色溫分布進行測試，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。

從數據上看：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。這些數據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光面現象相符合，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準差來反映的：

如果我們計算某一圓周范圍內的色溫離散性，會發現4個器件色溫標準差隨著圓周半徑的擴大逐步加大，該趨勢近似線性。說明色溫隨著測試范圍的擴大其均勻性越差。

色溫的標準差曲線在測試范圍擴大到發光面邊緣時出現明顯的陡增，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境比一般的消費電子要嚴酷很多，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。上述現象的原因可能有兩點：首先，當功率增加時，發光效率降低，更多的熱量被放出導致熒光粉激發黃綠光的能力下降，整體色溫變大。一般來說器件PN結的溫度是這個LED溫度的最高點所在，而芯片一般位于封裝結構的幾何中心附近。所以發光表面的中心區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，發生 “藍移”，激發波長發生改變導致整體色溫變化。

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LED前照燈時，需將使用功率和色溫的關系考慮進去，做好散熱設計，確保其色溫的均勻性及其穩定性。

圖4 器件在前照燈反射器模型下的結果

為了仿真出路面的色溫分布情況，我們將3#和4#器件導入到同一個前照燈反射器模型中，仿真結果顯示。

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，一般表現為“黃色的輪廓”，中間色溫高，邊緣色溫低的現象與LED器件的色溫不均勻性規律一致。路面上的色溫不均勻情況比測試屏上的情況更嚴重，表現為更明顯的“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，有時會有明顯的分界線。主要出現在車頭1-5米的區域，5米以后的區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，特別關注邊緣色溫。作為封裝廠，改善熒光粉的涂覆工藝，確保藍光在各個角度上的光學路徑都是一致的。利用各種可能的散熱措施改善器件的的散熱性能，確保其光輸出的穩定性。對于光學設計師來說，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。