LED車燈模組的光色一致性快速檢測技術(shù)

郭志軍，秦曉霞，凌 君，陳 斌

(杭州遠方光電信息股份有限公司，浙江 杭州 310053)

LED車燈模組的光色一致性快速檢測技術(shù)

郭志軍，秦曉霞，凌 君，陳 斌

(杭州遠方光電信息股份有限公司，浙江 杭州 310053)

本文在大量研究基礎(chǔ)上，提出一種專門針對LED模組的在線檢測方案和設(shè)備，一方面可對LED模組光色電參數(shù)100%全檢和自動分級；另一方面該還可對LED模組中的每顆LED芯片發(fā)光面積做出檢測和合格判定，保證了車燈模組之間的光色一致性，而且本方案特有的機器視覺定位系統(tǒng)可實現(xiàn)模組的自動定位，大大提高了檢測效率。

LED汽車照明；LED車燈模組；光色一致性；在線檢測

引言

近年來，隨著半導(dǎo)體照明技術(shù)的快速發(fā)展，LED以其顏色豐富、壽命長、效率高、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢符合了汽車照明對美觀、安全以及節(jié)能的需求，逐漸成為汽車照明的新寵，LED在汽車車燈中的應(yīng)用主要集中在前照燈、尾燈、方向燈、晝行燈以及內(nèi)飾燈等方面。

而LED通常以模組的形式應(yīng)用在LED車燈系統(tǒng)中，包括COB LED、LED發(fā)光燈條、LED聯(lián)排燈以及LED光源板等。圖1所示為LED車燈產(chǎn)業(yè)鏈的六大環(huán)節(jié)，從LED芯片到車燈系統(tǒng)的形成中，LED模組在中間起到了關(guān)鍵的橋梁作用，而LED模組作為車燈系統(tǒng)的主要發(fā)光元件，其光色性能不僅影響到汽車車燈的整體照明效果和安全性能，而且對于保證汽車的整體外觀有著重要意義。

圖1 LED車燈產(chǎn)業(yè)鏈
Fig.1 LED auto-light industry chain

1 車燈相關(guān)標準中對LED模組的性能要求

LED模組的光色性能直接關(guān)系到車燈系統(tǒng)的發(fā)光性能。國內(nèi)外已經(jīng)出臺了不少標準和規(guī)范來規(guī)范汽車車燈的性能，主要集中于歐洲的ECE體系和美國的SAE體系，我國的汽車車燈標準多采用歐洲的ECE體系。車燈標準中通常會對車燈的光色性能以及一致性給出規(guī)范。

以前照燈為例，在GB 25991—2010《汽車用LED前照燈》中規(guī)定，對于采用LED模塊的LED前照燈，要求LED模塊為發(fā)出可見光的LED光源，且LED模塊的顯色性應(yīng)滿足光譜中最低紅光成分不低于0.05；還要求前照燈近光所采用的LED模塊目標光通量應(yīng)不小于1 000 lm。而為了避免引起安全隱患，如 SAE J578—2012等標準也對汽車外部光源顏色提出了明確的規(guī)定。因此為保證最終車燈系統(tǒng)的光色性能滿足要求，LED車燈模組的光色性能必須滿足相應(yīng)標準的要求與規(guī)范。

2 LED模組的光色參數(shù)的一致性

在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，LED模組產(chǎn)品的光色性能以及光色一致性往往難以保證，主要是因為從LED芯片到LED模組形成的過程中，芯片設(shè)計、制造工藝以及封裝過程等各都可能導(dǎo)致LED模組產(chǎn)品的初始光色或者光通維持率不符合目標要求，同時產(chǎn)品之間的光色性能也會出現(xiàn)嚴重不一致；如果冒然將LED模組用于車燈系統(tǒng)設(shè)計，不僅會影響車燈整體的發(fā)光性能，也對汽車的整體外觀造成不良影響。

而且，即使LED模組產(chǎn)品初始光色電參數(shù)均滿足要求，點燃一段時期后也會出現(xiàn)光衰和嚴重顏色漂移，導(dǎo)致光通維持率和壽命不達標，從而產(chǎn)生嚴重的質(zhì)量問題。研究發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致LED模組出現(xiàn)嚴重光衰的一個主因是組成LED模組的LED芯片之間的發(fā)光特性不一致。為了保證車燈的整體光輸出，LED模組產(chǎn)品通常是集成了多個LED芯片，并與相應(yīng)的電子元件、散熱元件等連接而成，如果組成LED模組的LED芯片之間的光學性能不一致(如一些LED芯片發(fā)光較強，而另一些LED芯片發(fā)光較弱甚至不發(fā)光)，雖然總體發(fā)光仍能保證輸出光通量要求，但是長期使用將會對LED模組產(chǎn)品整體的散熱能力造成影響。LED產(chǎn)品對溫度非常敏感，溫度的升高將導(dǎo)致LED模組光輸出快速下降(圖2)，降低產(chǎn)品的使用壽命，此外溫度升高也將導(dǎo)致LED模組的發(fā)光光譜發(fā)生漂移。

圖2 LED光輸出與溫度的關(guān)系Fig.2 Relationship between temperature and light output of LED

3 LED模組質(zhì)量控制方案

LED車燈模組產(chǎn)品的光色特性以及光色一致性一直以來便是困擾產(chǎn)業(yè)發(fā)展的難題，而且在工藝上也難以控制。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，快速檢測篩選成為突破口。一方面，通過對LED模組產(chǎn)品實現(xiàn)精確光學檢測可以保證產(chǎn)品質(zhì)量；另一方面，根據(jù)光色測試結(jié)果科學分BIN，可以將光色特性一致的模組結(jié)合使用從而提高產(chǎn)品的利用率，降低企業(yè)成本。

傳統(tǒng)上對LED車燈模組產(chǎn)品的檢測主要集中在實驗室內(nèi)，實驗室檢測方案(見圖3)具有測試參數(shù)全面、測量精度高的特點，并可以測試在不同溫度下的被測模組的光學性能(見圖4)。但是對于龐大的LED車燈模組產(chǎn)線而言，顯然在速度和效率上遠遠不能滿足產(chǎn)業(yè)需求，而且整個行業(yè)對LED模組的在線檢測設(shè)備提出了急迫的要求。

圖3 ATA-1000自動溫控光電分析測量系統(tǒng)Fig.3 ATA-1000 automatic temperature control photoelectric analysis and measurement

圖4 某LED模組樣品在20℃～80℃內(nèi)不同溫度下的光譜變化曲線Fig.4 The spectral change curve of LED module samples at different temperatures (20 ℃～80 ℃)

為了更好地實現(xiàn)LED車燈模組質(zhì)量控制，保證LED車燈模組的光色特性以及光色一致性，LED車燈模組在線檢測設(shè)備需要從以下幾個技術(shù)點進行突破：

1)保證測試速度：對于產(chǎn)量龐大的LED車燈模組產(chǎn)業(yè)鏈，測試速度是保證產(chǎn)業(yè)效率的關(guān)鍵；

2)測試參數(shù)全面、精確：相關(guān)標準中對LED車燈模組的光度、色度以及一致性等都具有明確的規(guī)定，因此實現(xiàn)產(chǎn)品的光色性能測試是測試的基本需求；

3)LED車燈模組100%測試：由于LED產(chǎn)品的固有問題，LED車燈模組產(chǎn)品之間的光色一致性很差，個別樣品的特性并不能代表所有產(chǎn)品的性能，因此，在形成車燈燈具之前，對LED模組的100%可以充分保證LED模組的質(zhì)量。

4 LED車燈模組在線檢測方案

結(jié)合車燈模組產(chǎn)線檢測需求，本文提出一種專門針對LED車燈模組的在線檢測方案，該方案主要從以下兩個方面進行技術(shù)突破：①充分考慮到現(xiàn)有LED車燈產(chǎn)業(yè)鏈特點進行方案設(shè)計，目的在于使LED車燈模組在封裝完畢后可以直接進入在線檢測環(huán)節(jié)，克服傳統(tǒng)封裝與測試兩個環(huán)節(jié)之間的脫節(jié)，并且節(jié)省人工轉(zhuǎn)移時間，提高產(chǎn)業(yè)效率；②針對市場以及標準對于LED車燈系統(tǒng)的光色電性能以及產(chǎn)品一致性需求， 提供一種功能全面的在線檢測方案。本方案中，在線檢測環(huán)節(jié)主要由缺陷檢測環(huán)節(jié)、機器視覺定位、光色電參數(shù)檢測以及產(chǎn)品合格判定四個過程構(gòu)成(如圖5所示)。

圖5 LED車燈模組快速檢測篩選方案Fig.5 Rapid detection and screening solution of LED auto-light module

該LED車燈模組在線檢測方案，將LED模組缺陷檢測裝置和光電測量裝置集合在一起，不僅可以實現(xiàn)LED模組中所有芯片的發(fā)光缺陷以及外觀缺陷檢測，而且可以對LED模組的光色一致性進行100%在線檢測；在測試中，被測對象首先安裝于入料口處，進而通過傳送裝置分別驅(qū)動至缺陷檢測設(shè)備和光電測量裝置處進而實現(xiàn)缺陷檢測和光色電性能檢測，具有測試速度快，測試功能全面的特點，為LED模組的質(zhì)量控制提供了有效的手段。

4.1 缺陷檢測環(huán)節(jié)

LED產(chǎn)品封裝完畢后即進入缺陷檢測環(huán)節(jié)，被測對象通過供電裝置實現(xiàn)點亮，通過工業(yè)相機或成像亮度計對組成LED模組的LED芯片外觀以及表面發(fā)光情況進行圖像采集，從而對LED模組的外觀缺陷和發(fā)光缺陷進行分析判斷。由于發(fā)光面積與發(fā)光晶元比例是LED模組光、色、電性能重要的影響因素，因此在本環(huán)節(jié)中，LED車燈模組上的每顆LED發(fā)光芯片的發(fā)光面積以及發(fā)光晶元比例都將被檢測，以保證LED模組的光效、色溫等性能的合格率與一致性。此外，根據(jù)測試結(jié)果和制造商的既定目標，可對每顆LED芯片的發(fā)光情況作出合格判定。

4.2 機器視覺定位

由于LED車燈模組的形狀以及尺寸十分多樣化，因此對各種各樣LED模組產(chǎn)品實現(xiàn)檢測是在線檢測環(huán)節(jié)的一個重要考慮方面。針對于此，本方案中特別加入了機器視覺自動定位裝置，采用機器視覺與機械手相結(jié)合的技術(shù)，可根據(jù)被測LED 車燈模組產(chǎn)品的形狀以及尺寸實現(xiàn)自動定位，并準確將被測模組產(chǎn)品實現(xiàn)自動調(diào)整并移動至待測位置實現(xiàn)檢測，極大實現(xiàn)了在線檢測設(shè)備的智能化，并提高檢測效率。

圖6 LED模組中芯片的發(fā)光缺陷檢測界面Fig.6 Defect detection interface of LED chip

4.3 光、色、電性能檢測

被測車燈模組到達待測位置之后便可開始對每一個車燈用LED模組進行光色電性能檢測，其中，光性能測試包含光譜、光通量、輻射通量、光效等，電性能測試包含電壓、功率、頻率、電流等；色性能測試包含色溫、色坐標、顯色指數(shù)等；數(shù)據(jù)分析顯示包含相對光譜曲線、色坐標區(qū)域、色品圖等，顯示界面如圖7所示。

本方案中采用積分球光譜輻射計和程控電源，準確實現(xiàn)被測模組的光色性能檢測，待測LED模組被傳送至積分球球壁上的采樣測量窗口，并通過對應(yīng)的供電裝置實現(xiàn)點亮，因此積分球上的光譜儀可實現(xiàn)對LED模組的光、色、電參數(shù)的實現(xiàn)測量，提高測試效率。

圖7 光色電性能測試界面Fig.7 Test interface of optical and electrical property

4.4 產(chǎn)品合格判定

通過快速光、色、電分析系統(tǒng)軟件可準確實現(xiàn)光色電性能參數(shù)分析，并根據(jù)實際測試結(jié)果，針對不同產(chǎn)品相應(yīng)的合格標準，在裝置的出料口處設(shè)有對產(chǎn)品合格或不合格進行標記顯示，對產(chǎn)品作出科學分BIN和合格判定，保證產(chǎn)品的一致性，界面顯示如圖8所示。

圖8 產(chǎn)品合格判定界面Fig.8 Interface of conformity assessment

實現(xiàn)上述方案的LED車燈模組在線檢測系統(tǒng)適用于LED模組、聯(lián)排燈、光源板等各種車燈模組產(chǎn)品的在線檢測，實際應(yīng)用中該系統(tǒng)與封裝線無縫接駁，在封裝結(jié)束后即可進入上述方案所述的在線檢測環(huán)節(jié)，極大地提高了檢測速度和效率。

5 總結(jié)

本文從檢測出發(fā)，在對LED車燈模組的光色一致特性深入研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合當前產(chǎn)業(yè)特點，提出一種專門針對于LED車燈模組的在線檢測方案和設(shè)備，不僅可以實現(xiàn)被測模組的100%檢測，而且其獨特的視覺定位裝置可以根據(jù)不同尺寸模組進行線體調(diào)整，在不停機的情況下實現(xiàn)模組測試位置可視化校正與探針自動調(diào)節(jié)，大大提高測試效率，此外，本方案還集成了缺陷檢測功能，可以對LED車燈模組上每顆LED芯片的發(fā)光情況進行檢測，充分保證了LED芯片之間的一致性。

[1] 趙建才, 謝望.基于LED的汽車后霧燈模塊組設(shè)計[D]. 上海：上海交通大學, 2012.

[2] 盧軍，黃善月，紀軍. 汽車后尾燈LED模組設(shè)計[J]. 企業(yè)科技與發(fā)展, 2013(10):48-50.

[3] 汽車用LED前照燈：GB 25991—2010.

[4] 黃艷, 李晟, 郭志軍，等.LED車燈的光色不均勻性標準和測量技術(shù)探討[C]//汽車照明技術(shù)與應(yīng)用論文集.2014.

[5] 劉騰海, 秦曉霞, 郭志軍，等. 用智能在線檢測技術(shù)全面提高產(chǎn)品競爭力[C]//中國照明學會, 海峽兩岸第22屆照明科技與營銷研討會專題報告暨論文集. 2015.

Fast Optical Consistency Test Technology of LED Modules in Automotive Lighting

GUO Zhijun，QIN Xiaoxia， LIN Jung，CHEN Bin

(EVERFINECorporation，Hangzhou301153,China)

In this paper, an on-line test solution and equipment for automotive LED modules are proposed, which can not only obtain the photometric, colorimetric and electric quantities for all LED modules and classify them according to the measurement results, but also, the lighting situation of every single chip in a module can be assessed, ensuring the optical consistency of the LED modules. Besides, the solution also adopts particular machine vision to realize the automatic positioning of the measured modules, greatly improving the test speed and efficiency.

LED automotive lights; LED automotive module; Optical consistency; on-line test technology

O432

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.02.008