RGB激光前照燈色溫空間分布的研究

吳杰，鄧亮，徐健

(常州星宇車燈股份有限公司，江蘇常州 213000)

0 引言

汽車前照燈作為重要的汽車零部件之一，對(duì)于汽車駕駛過(guò)程中的安全起到非常重要的作用。同時(shí)，全世界都在進(jìn)行能源轉(zhuǎn)型，尋求可持續(xù)發(fā)展的未來(lái)，“綠色照明光源”受到越來(lái)越多的關(guān)注，是目前海內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。繼LED被廣泛應(yīng)用之后，目前又一種新型光源進(jìn)入了許多高端車企的眼簾，即激光光源。激光具有更加高效、響應(yīng)速度快、光效高、體積小、能耗低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)[1-6]。

在汽車行駛過(guò)程中，為了達(dá)到最佳照明效果，不同的天氣環(huán)境對(duì)光源的色溫要求不同：當(dāng)遇到雨霧天氣時(shí)，通常需要低色溫照明，一般為2 700～4 000 K色溫，具有更高的穿透能力，使得駕駛者在雨霧天氣時(shí)能有更好的能見度；而在晴朗的夜晚下，可以選擇更高的5 000～6 500 K,可以使人眼視覺上感覺更“亮”、更“炫”，滿足許多車燈愛好者的要求。而RGB激光合成白光具有色溫可調(diào)的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)照明光的色溫，同時(shí)，也要求合成的照射光的空間色溫分布一致性較好，人眼觀察沒有明顯色差存在。

為了對(duì)RGB激光前照燈出射光的空間色溫分布進(jìn)行分析，作者設(shè)計(jì)了一套R(shí)GB激光前照燈模組，包括散熱器、光學(xué)透鏡組、驅(qū)動(dòng)控制器和結(jié)構(gòu)模塊。利用脈沖寬度調(diào)制方式(PWM方式)分別調(diào)節(jié)紅、綠、藍(lán)三色激光的電流，可以精確調(diào)節(jié)出射光線的色溫；通過(guò)透鏡組將出射光型變?yōu)闄E圓形光型，使其照度滿足GB 25991-2010《汽車用LED前照燈》遠(yuǎn)光要求；再借助分布式照度測(cè)量系統(tǒng)和積分球分別進(jìn)行光型掃描和色溫測(cè)量。且選取25 m處光型上的7個(gè)點(diǎn)，對(duì)其空間色溫分布的一致性進(jìn)行分析。

1 原理

1.1 RGB三色混光原理

根據(jù)格拉斯曼顏色混合定律可知，紅、綠、藍(lán)三色光源按照一定比例混合，可以得到由紅、綠、藍(lán)三坐標(biāo)點(diǎn)(CIE1931圖中)圍成的三角形區(qū)域內(nèi)任何一種光色，覆蓋將近80%的色域空間[7]，如圖1所示。

圖1 CIE 1931色度圖

假設(shè)紅、綠、藍(lán)三原色的三刺激值分別為(Xr,Yr,Zr)、(Xg,Yg,Zg)、(Xb,Yb,Zb)，所需合成光色的三刺激值為(Xw,Yw,Zw), 則合成色的三刺激值[8-10]：

(1)

進(jìn)行歸一化，可得合成色色坐標(biāo)為：

(2)

由CIE1931標(biāo)準(zhǔn)可知： 三刺激值中僅Yr、Yg、Yb值與RGB激光的實(shí)際亮度值呈比例關(guān)系，再結(jié)合式(1)和式(2)可得：

(3)

式中:Lr、Lg、Lb分別表示紅、綠、藍(lán)激光的亮度值；Lw表示合成光色的亮度值。由式(3)可知在RGB各分量亮度已知時(shí)，即可解得照明光的色溫。

1.2 選定區(qū)域亮度的計(jì)算

在照度分布圖中，各選定位置點(diǎn)的照度都可知，而在選定位置點(diǎn)附近范圍取極小的面積ΔS，有：

(4)

因此在此極小面積ΔS范圍內(nèi)的照度可以認(rèn)為是等照度分布，其內(nèi)的光通量值Φ可存在：

Φ=E·ΔS

(5)

其中：E為選定點(diǎn)的照度值。亮度與光通量在數(shù)值上存在正比關(guān)系，式(3)中Lr、Lg、Lb可用相應(yīng)的Φr、Φg、Φb代替進(jìn)行計(jì)算：

(6)

此時(shí)只需分別通過(guò)單紅色激光的照度分布、單綠色激光的照度分布、單藍(lán)色激光的照度分布計(jì)算相應(yīng)選定范圍內(nèi)的光通量，即可計(jì)算出相應(yīng)點(diǎn)的色坐標(biāo)和色溫值，進(jìn)行一致性分析與計(jì)算。

2 實(shí)物配光測(cè)試

2.1 RGB激光法規(guī)模擬測(cè)試

通過(guò)PWM方式可調(diào)節(jié)RGB三色激光的輸出電流，首先將RGB紅、綠、藍(lán)激光器的輸出電流均調(diào)至最大值，即紅色激光器電流設(shè)置為0.8 A、綠色激光器電流設(shè)置為1.8 A、藍(lán)色激光器電流設(shè)置為1.5 A，此時(shí)的激光系統(tǒng)的光功率為最大，利用分布式照度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行照度掃描，如圖2所示，掃描結(jié)果示于圖3。

圖2 分布式照度測(cè)量系統(tǒng)

圖3 RGB光型照度分布圖

由圖3可以看出：RGB激光模組出射光型左右展寬為15°，上下展寬為5°，光斑呈現(xiàn)橢圓形，且在該輸出電流下25 m處最大照度值為297 lx。由于法規(guī)GB 25991-2010遠(yuǎn)光要求最大照度值應(yīng)小于240 lx，因此可按照一定比例要求改變RGB三色激光的電流值，在保證色溫不變的情況下使其照度滿足法規(guī)照度要求。對(duì)其進(jìn)行法規(guī)模擬，如圖4所示。

圖4 RGB激光法規(guī)模擬情況

2.2 RGB激光色溫分布均勻性測(cè)試

由圖4可知：通過(guò)PWM方式調(diào)節(jié)RGB各激光電流值，可以改變光型的照度大小，且可得到滿足法規(guī)GB 25991-2010的光型分布。為了進(jìn)一步分析RGB激光出射光型的色溫空間分布，由式(6)可知:還需要分別掃描RGB各色激光單獨(dú)開啟時(shí)的照度分布圖，從而計(jì)算光通量值。先將紅色激光器電流設(shè)置為0.8 A，其他兩色激光的輸出電流值設(shè)置為0，即處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)只有紅色激光器開啟，利用分布式照度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行照度掃描，掃描結(jié)果如圖5所示。按照此方法，依次掃描綠色激光器和藍(lán)色激光器單獨(dú)開啟時(shí)的光型照度分布，掃描結(jié)果如圖6—圖7所示。

圖5 紅色激光光型照度分布圖

圖6 綠色激光光型照度分布圖

圖7 藍(lán)色激光光型照度分布圖

由圖5—圖7可以得到RGB各色激光每個(gè)位置點(diǎn)處的照度，代入式(5)進(jìn)行計(jì)算；然后，需要用積分球測(cè)量RGB激光在滿電流情況下的色溫值和RGB各激光的初始色坐標(biāo)。測(cè)得色溫大小為4 840 K，紅色激光色坐標(biāo)x為0.712 8，色坐標(biāo)y為0.286 5；綠色激光色坐標(biāo)x為0.074 9，色坐標(biāo)y為0.822 9；藍(lán)色激光色坐標(biāo)x為0.162 5，色坐標(biāo)y為0.013 8。然后再選定色溫對(duì)比位置點(diǎn)，分別為(0,0)、(5,0)、(-5,0)、(10,0)、(-10,0)、(0,2.5)、(0,-2.5)，此處坐標(biāo)值表示角度信息，如圖8所示。

圖8 色溫對(duì)比點(diǎn)的選取示意圖

根據(jù)選定的位置點(diǎn)坐標(biāo)，在圖5—圖7中找出相應(yīng)點(diǎn)的照度值，根據(jù)式(6)計(jì)算出相應(yīng)的色坐標(biāo)和色溫值，與積分球測(cè)量的色溫值進(jìn)行比較，對(duì)激光模組的空間色度分布的一致性進(jìn)行分析。結(jié)果如表1所示。

表1 各選定位置點(diǎn)的色溫值計(jì)算

由表1可知：色溫值分布具有左右對(duì)稱性，而由于藍(lán)色激光空間照度分布規(guī)律與其他兩色激光不同，導(dǎo)致邊緣部分的藍(lán)色分量值較小，色溫值偏小，中間區(qū)域藍(lán)色分量值較高，色溫也較高，存在一定的空間色度分布差異。但從人眼觀察效果來(lái)看，出射光的顏色差異可辨識(shí)度不高，在路面或黑色屏幕上難以看出差異。

值得一提的是由于此模組采用三色激光直接通過(guò)光纖耦合，再經(jīng)透鏡進(jìn)行整型，未包含勻光器件，也會(huì)在一定程度上影響空間色度分布效果，后期可加入部分勻光器件進(jìn)行效果改善。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)一種RGB激光模組，通過(guò)PWM方式調(diào)節(jié)RGB三色激光的亮度大??；結(jié)合白光混光原理，可調(diào)節(jié)出不同色溫和亮度的激光出射光；利用透鏡進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)，使得出射光型滿足GB 25991-2010遠(yuǎn)光要求；且通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)出射光空間色度分布存在一定差異，但人眼觀察效果尚可接受，在夜間路面照明上沒有看出明顯顏色差異，為RGB激光前照燈的設(shè)計(jì)提供了參考，具有很好的實(shí)用價(jià)值。