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，對于汽車駕駛過程中的安全起到非常重要的作用。同時，全世界都在進行能源轉型，尋求可持續發展的未來，“綠色照明光源”受到越來越多的關注，是目前海內外學者研究的熱點。繼LED被廣泛應用之后，目前又一種新型光源進入了許多高端車企的眼簾，即激光光源。激光具有更加高效、響應速度快、光效高、體積小、能耗低、壽命長等優勢[1-6]。

在汽車行駛過程中，為了達到最佳照明效果，不同的天氣環境對光源的色溫要求不同：當遇到雨霧天氣時，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的優勢，可以實時調節照明光的色溫，同時，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RGB激光前照燈出射光的空間色溫分布進行分析，作者設計了一套RGB激光前照燈模組，包括散熱器、光學透鏡組、驅動控制器和結構模塊。利用脈沖寬度調制方式(PWM方式)分別調節紅、綠、藍三色激光的電流，可以精確調節出射光線的色溫；通過透鏡組將出射光型變為橢圓形光型，使其照度滿足GB 25991-2010《汽車用LED前照燈》遠光要求；再借助分布式照度測量系統和積分球分別進行光型掃描和色溫測量。且選取25 m處光型上的7個點，對其空間色溫分布的一致性進行分析。

1 原理

1.1 RGB三色混光原理

根據格拉斯曼顏色混合定律可知，紅、綠、藍三色光源按照一定比例混合，可以得到由紅、綠、藍三坐標點(CIE1931圖中)圍成的三角形區域內任何一種光色，覆蓋將近80%的色域空間[7]，如圖1所示。

圖1 CIE 1931色度圖

假設紅、綠、藍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)

進行歸一化，可得合成色色坐標為：

(2)

由CIE1931標準可知： 三刺激值中僅Yr、Yg、Yb值與RGB激光的實際亮度值呈比例關系，再結合式(1)和式(2)可得：

(3)

式中:Lr、Lg、Lb分別表示紅、綠、藍激光的亮度值；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，即可解得照明光的色溫。

1.2 選定區域亮度的計算

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

(4)

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

Φ=E·ΔS

(5)

其中：E為選定點的照度值。亮度與光通量在數值上存在正比關系，式(3)中Lr、Lg、Lb可用相應的Φr、Φg、Φb代替進行計算：

(6)

此時只需分別通過單紅色激光的照度分布、單綠色激光的照度分布、單藍色激光的照度分布計算相應選定范圍內的光通量，即可計算出相應點的色坐標和色溫值，進行一致性分析與計算。

2 實物配光測試

2.1 RGB激光法規模擬測試

通過PWM方式可調節RGB三色激光的輸出電流，首先將RGB紅、綠、藍激光器的輸出電流均調至最大值，即紅色激光器電流設置為0.8 A、綠色激光器電流設置為1.8 A、藍色激光器電流設置為1.5 A，此時的激光系統的光功率為最大，利用分布式照度測量系統進行照度掃描，如圖2所示，掃描結果示于圖3。

圖2 分布式照度測量系統

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GB 25991-2010遠光要求最大照度值應小于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照度要求。對其進行法規模擬，如圖4所示。

圖4 RGB激光法規模擬情況

2.2 RGB激光色溫分布均勻性測試

由圖4可知：通過PWM方式調節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GB 25991-2010的光型分布。為了進一步分析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各色激光單獨開啟時的照度分布圖，從而計算光通量值。先將紅色激光器電流設置為0.8 A，其他兩色激光的輸出電流值設置為0，即處于關閉狀態，此時只有紅色激光器開啟，利用分布式照度測量系統進行照度掃描，掃描結果如圖5所示。按照此方法，依次掃描綠色激光器和藍色激光器單獨開啟時的光型照度分布，掃描結果如圖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各色激光每個位置點處的照度，代入式(5)進行計算；然后，需要用積分球測量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。測得色溫大小為4 840 K，紅色激光色坐標x為0.712 8，色坐標y為0.286 5；綠色激光色坐標x為0.074 9，色坐標y為0.822 9；藍色激光色坐標x為0.162 5，色坐標y為0.013 8。然后再選定色溫對比位置點，分別為(0,0)、(5,0)、(-5,0)、(10,0)、(-10,0)、(0,2.5)、(0,-2.5)，此處坐標值表示角度信息，如圖8所示。

圖8 色溫對比點的選取示意圖

根據選定的位置點坐標，在圖5—圖7中找出相應點的照度值，根據式(6)計算出相應的色坐標和色溫值，與積分球測量的色溫值進行比較，對激光模組的空間色度分布的一致性進行分析。結果如表1所示。

表1 各選定位置點的色溫值計算

由表1可知：色溫值分布具有左右對稱性，而由于藍色激光空間照度分布規律與其他兩色激光不同，導致邊緣部分的藍色分量值較小，色溫值偏小，中間區域藍色分量值較高，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看，出射光的顏色差異可辨識度不高，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光纖耦合，再經透鏡進行整型，未包含勻光器件，也會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行效果改善。

3 結論

設計一種RGB激光模組，通過PWM方式調節RGB三色激光的亮度大小；結合白光混光原理，可調節出不同色溫和亮度的激光出射光；利用透鏡進行二次光學設計，使得出射光型滿足GB 25991-2010遠光要求；且通過實驗數據對比發現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激光前照燈的設計提供了參考，具有很好的實用價值。