RGB激光前照灯色温空间分布的研究

吴杰，邓亮，徐健

(常州星宇车灯股份有限公司，江苏常州 213000)

0 引言

汽车前照灯作为重要的汽车零部件之一，对于汽车驾驶过程中的安全起到非常重要的作用。同时，全世界都在进行能源转型，寻求可持续发展的未来，“绿色照明光源”受到越来越多的关注，是目前海内外学者研究的热点。继LED被广泛应用之后，目前又一种新型光源进入了许多高端车企的眼帘，即激光光源。激光具有更加高效、响应速度快、光效高、体积小、能耗低、寿命长等优势[1-6]。

在汽车行驶过程中，为了达到最佳照明效果，不同的天气环境对光源的色温要求不同：当遇到雨雾天气时，通常需要低色温照明，一般为2 700～4 000 K色温，具有更高的穿透能力，使得驾驶者在雨雾天气时能有更好的能见度；而在晴朗的夜晚下，可以选择更高的5 000～6 500 K,可以使人眼视觉上感觉更“亮”、更“炫”，满足许多车灯爱好者的要求。而RGB激光合成白光具有色温可调的优势，可以实时调节照明光的色温，同时，也要求合成的照射光的空间色温分布一致性较好，人眼观察没有明显色差存在。

为了对RGB激光前照灯出射光的空间色温分布进行分析，作者设计了一套RGB激光前照灯模组，包括散热器、光学透镜组、驱动控制器和结构模块。利用脉冲宽度调制方式(PWM方式)分别调节红、绿、蓝三色激光的电流，可以精确调节出射光线的色温；通过透镜组将出射光型变为椭圆形光型，使其照度满足GB 25991-2010《汽车用LED前照灯》远光要求；再借助分布式照度测量系统和积分球分别进行光型扫描和色温测量。且选取25 m处光型上的7个点，对其空间色温分布的一致性进行分析。

1 原理

1.1 RGB三色混光原理

根据格拉斯曼颜色混合定律可知，红、绿、蓝三色光源按照一定比例混合，可以得到由红、绿、蓝三坐标点(CIE1931图中)围成的三角形区域内任何一种光色，覆盖将近80%的色域空间[7]，如图1所示。

图1 CIE 1931色度图

假设红、绿、蓝三原色的三刺激值分别为(Xr,Yr,Zr)、(Xg,Yg,Zg)、(Xb,Yb,Zb)，所需合成光色的三刺激值为(Xw,Yw,Zw), 则合成色的三刺激值[8-10]：

(1)

进行归一化，可得合成色色坐标为：

(2)

由CIE1931标准可知： 三刺激值中仅Yr、Yg、Yb值与RGB激光的实际亮度值呈比例关系，再结合式(1)和式(2)可得：

(3)

式中:Lr、Lg、Lb分别表示红、绿、蓝激光的亮度值；Lw表示合成光色的亮度值。由式(3)可知在RGB各分量亮度已知时，即可解得照明光的色温。

1.2 选定区域亮度的计算

在照度分布图中，各选定位置点的照度都可知，而在选定位置点附近范围取极小的面积ΔS，有：

(4)

因此在此极小面积ΔS范围内的照度可以认为是等照度分布，其内的光通量值Φ可存在：

Φ=E·ΔS

(5)

其中：E为选定点的照度值。亮度与光通量在数值上存在正比关系，式(3)中Lr、Lg、Lb可用相应的Φr、Φg、Φb代替进行计算：

(6)

此时只需分别通过单红色激光的照度分布、单绿色激光的照度分布、单蓝色激光的照度分布计算相应选定范围内的光通量，即可计算出相应点的色坐标和色温值，进行一致性分析与计算。

2 实物配光测试

2.1 RGB激光法规模拟测试

通过PWM方式可调节RGB三色激光的输出电流，首先将RGB红、绿、蓝激光器的输出电流均调至最大值，即红色激光器电流设置为0.8 A、绿色激光器电流设置为1.8 A、蓝色激光器电流设置为1.5 A，此时的激光系统的光功率为最大，利用分布式照度测量系统进行照度扫描，如图2所示，扫描结果示于图3。

图2 分布式照度测量系统

图3 RGB光型照度分布图

由图3可以看出：RGB激光模组出射光型左右展宽为15°，上下展宽为5°，光斑呈现椭圆形，且在该输出电流下25 m处最大照度值为297 lx。由于法规GB 25991-2010远光要求最大照度值应小于240 lx，因此可按照一定比例要求改变RGB三色激光的电流值，在保证色温不变的情况下使其照度满足法规照度要求。对其进行法规模拟，如图4所示。

图4 RGB激光法规模拟情况

2.2 RGB激光色温分布均匀性测试

由图4可知：通过PWM方式调节RGB各激光电流值，可以改变光型的照度大小，且可得到满足法规GB 25991-2010的光型分布。为了进一步分析RGB激光出射光型的色温空间分布，由式(6)可知:还需要分别扫描RGB各色激光单独开启时的照度分布图，从而计算光通量值。先将红色激光器电流设置为0.8 A，其他两色激光的输出电流值设置为0，即处于关闭状态，此时只有红色激光器开启，利用分布式照度测量系统进行照度扫描，扫描结果如图5所示。按照此方法，依次扫描绿色激光器和蓝色激光器单独开启时的光型照度分布，扫描结果如图6—图7所示。

图5 红色激光光型照度分布图

图6 绿色激光光型照度分布图

图7 蓝色激光光型照度分布图

由图5—图7可以得到RGB各色激光每个位置点处的照度，代入式(5)进行计算；然后，需要用积分球测量RGB激光在满电流情况下的色温值和RGB各激光的初始色坐标。测得色温大小为4 840 K，红色激光色坐标x为0.712 8，色坐标y为0.286 5；绿色激光色坐标x为0.074 9，色坐标y为0.822 9；蓝色激光色坐标x为0.162 5，色坐标y为0.013 8。然后再选定色温对比位置点，分别为(0,0)、(5,0)、(-5,0)、(10,0)、(-10,0)、(0,2.5)、(0,-2.5)，此处坐标值表示角度信息，如图8所示。

图8 色温对比点的选取示意图

根据选定的位置点坐标，在图5—图7中找出相应点的照度值，根据式(6)计算出相应的色坐标和色温值，与积分球测量的色温值进行比较，对激光模组的空间色度分布的一致性进行分析。结果如表1所示。

表1 各选定位置点的色温值计算

由表1可知：色温值分布具有左右对称性，而由于蓝色激光空间照度分布规律与其他两色激光不同，导致边缘部分的蓝色分量值较小，色温值偏小，中间区域蓝色分量值较高，色温也较高，存在一定的空间色度分布差异。但从人眼观察效果来看，出射光的颜色差异可辨识度不高，在路面或黑色屏幕上难以看出差异。

值得一提的是由于此模组采用三色激光直接通过光纤耦合，再经透镜进行整型，未包含匀光器件，也会在一定程度上影响空间色度分布效果，后期可加入部分匀光器件进行效果改善。

3 结论

设计一种RGB激光模组，通过PWM方式调节RGB三色激光的亮度大小；结合白光混光原理，可调节出不同色温和亮度的激光出射光；利用透镜进行二次光学设计，使得出射光型满足GB 25991-2010远光要求；且通过实验数据对比发现出射光空间色度分布存在一定差异，但人眼观察效果尚可接受，在夜间路面照明上没有看出明显颜色差异，为RGB激光前照灯的设计提供了参考，具有很好的实用价值。