【技術(shù)文章】LED調(diào)光 你真的會了嗎？

關(guān)鍵詞：RGB調(diào)光 以人為本 舒適

在汽車行業(yè)智能化發(fā)展的趨勢下，越來越多新穎的產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，甚至是引領(lǐng)潮流，如智能座艙，自動駕駛，燈語交互等。以人為本的駕駛艙內(nèi)部的照明與交互設(shè)計在智能座艙的發(fā)展中也越來越受重視，智能座艙中包括顯示器、光源、氛圍燈和內(nèi)飾表面的綜合交互視覺環(huán)境，是影響汽車感知品質(zhì)的重要因素。

在座艙照明的一體式體驗中，涉及到各個不同位置部件的色調(diào)、亮度和飽和度的協(xié)調(diào)配合，常見的儀表顯示、按鍵背光，車載導(dǎo)航等常規(guī)發(fā)光部件，以及越來越普及應(yīng)用的氛圍燈，如中控IP，門板，杯托，地毯甚至是天窗，譬如寶馬的星空頂，及發(fā)光體與內(nèi)飾相互作用后形成的車內(nèi)表面整體視覺顏色。但是車內(nèi)不同位置的顏色參數(shù)如何保持一致性，營造出不同場景的整體空間，具有良好的氛圍空間和視覺舒適性體驗，在基于視覺人因工程的研究定義基礎(chǔ)上，優(yōu)秀的顏色品質(zhì)管控也舉足輕重。

01.

該如何管控視覺感知的顏色品質(zhì)？

車內(nèi)視覺環(huán)境的顏色保證，首先應(yīng)該確保發(fā)光體的顏色品質(zhì)，通過控制其混合色坐標(biāo)和亮度，對色調(diào)、亮度、飽和度做相應(yīng)的設(shè)計和控制，達(dá)到預(yù)設(shè)的視覺效果。以氛圍燈為例，首先是發(fā)光器件本身的均勻性，是視覺舒適的基礎(chǔ)；其次，氛圍燈混合可變顏色越來越多，128色、256色，甚至無極調(diào)色，如何保證當(dāng)前顏色與預(yù)設(shè)顏色的一致性？這就涉及到光學(xué)設(shè)計與光學(xué)檢測校準(zhǔn)。

?光學(xué)設(shè)計

為了確保發(fā)光部件的均勻性和相關(guān)光學(xué)參數(shù)，需要對光學(xué)器件進(jìn)行嚴(yán)格的光學(xué)設(shè)計，通過對LED光源，材質(zhì)進(jìn)行選型，樣品測試，利用光學(xué)算法，實現(xiàn)整體造型、效果，反復(fù)設(shè)計優(yōu)化達(dá)到預(yù)期目的。為了減少設(shè)計周期，可以借助專業(yè)光學(xué)仿真設(shè)計軟件如TracePro等，預(yù)測設(shè)計效果，并對雜散光這些現(xiàn)象精準(zhǔn)預(yù)測和優(yōu)化。例如下圖的車內(nèi)杯托氛圍燈就利用了光學(xué)算法和TracePro設(shè)計軟件，對光導(dǎo)的設(shè)計進(jìn)了優(yōu)化和防雜散光設(shè)計，提升了均勻性。

在優(yōu)化設(shè)計前，產(chǎn)品兩端出光，出光處亮度高，中間亮度暗，導(dǎo)致均勻性體驗欠佳；通過Tracepro微結(jié)構(gòu)設(shè)計調(diào)整優(yōu)化，兩端出光亮度降低，圓弧中間亮度顯著提高，整體均勻性大幅度提升。

?光學(xué)檢測校準(zhǔn)

從測量角度來講，在不同品控階段，關(guān)注的偏重點略有不同。在整版PCBA貼片、燒錄階段首先要保證出料產(chǎn)品的一致性，但實際上由于LED BIN區(qū)及結(jié)溫的差異，同一個分板的LED顏色指標(biāo)差異極大。所以在分料組裝之前，對PCBA進(jìn)行調(diào)光校準(zhǔn)很有必要。

? PCBA的測試與校準(zhǔn)

PCBA屬于密集型分布且差異大，光度學(xué)和色度學(xué)參數(shù)測準(zhǔn)是調(diào)光校準(zhǔn)的基礎(chǔ)。光度學(xué)表征有亮度（cd/m2），照度（lux），光強（cd）和光通量流明（lm）等，色度學(xué)目前業(yè)界通常采用CIE1931XYZ色度系統(tǒng)或CIE1976LUV顏色空間來表征。目前室內(nèi)氛圍燈領(lǐng)域較普遍采用的是光通量和色坐標(biāo)（x, y）來進(jìn)行定義PCBA的發(fā)光指標(biāo)。

通常光通量的測量方式有兩種：

1. 分布式光度計

2. 積分球光通量測量系統(tǒng)

分布式光度計主要是測量燈具或光源的光強分布，也稱配光曲線，顧名思義它的主要功能是測量產(chǎn)品的配光效果，為光學(xué)設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、優(yōu)化方向以及產(chǎn)品本身的基本特性，通過對各個方向的光強做立體角積分，可以計算此時光通量的大小。此種方式，如果是特意測試光通量，性價比不高。不管是Type A, Type B, 還是Type C ，本質(zhì)還是通過旋轉(zhuǎn)來進(jìn)行測量，所以它的效率很低。

雖說常見商用的室內(nèi)燈和路燈用的是Type C坐標(biāo)系，汽車車燈用的是Type A坐標(biāo)系，但對光通量來說沒什么差異，其本質(zhì)還是光強與光通量的轉(zhuǎn)化計算。故相對于積分球測量系統(tǒng)來講，不占優(yōu)勢。

? 積分球光通量測量系統(tǒng)

積分球有多種作用，可作為余弦修正器，亦可作為均勻光源，但最主要的應(yīng)用是測量光源的光通量。整個光通量的測試系統(tǒng)主要構(gòu)成有程控電源，積分球，光度探頭（如光譜儀），系統(tǒng)軟件及電腦。

此方式是重點推薦的測量方法，但實際情況是有很多因素會影響測量結(jié)果準(zhǔn)確性，如積分球本身球體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，積分球內(nèi)部涂料，光譜儀的特性等。此處就不做深入展開，后面會單獨針對該產(chǎn)品出一期介紹。

02.

那如何將LED調(diào)準(zhǔn)呢？

?理論基礎(chǔ)：

調(diào)光原理的本質(zhì)是基于發(fā)光色的加法三原色原理及格拉斯曼顏色混合定律，兩種顏色混合相加后，產(chǎn)生的第三種顏色，其三刺激值可以向量相加，由此導(dǎo)致的結(jié)果是兩種顏色的混合色在色坐標(biāo)總是在這兩種顏色連接的直線上。結(jié)合過脈沖寬度調(diào)制（PWM）調(diào)光分配占空比，可以近似的認(rèn)為光通量與占空比成正比函數(shù)關(guān)系：

將已知色坐標(biāo)作為唯一的因素，通過變換，可以得到：

在PWM調(diào)光中，將上式建立的色品坐標(biāo)與占空比的函數(shù)關(guān)系，作為調(diào)光調(diào)色的理論基礎(chǔ)。

?調(diào)光流程：

實際生產(chǎn)過程中，為了達(dá)到更好的質(zhì)量品控管理，會在參數(shù)寫入后，增加混色光的點亮和復(fù)測，如下圖。并對復(fù)測色號與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比，計算調(diào)光階數(shù)。通常人眼恰可分辨的顏色差異3階麥克亞當(dāng)橢圓，當(dāng)調(diào)光階數(shù)小于3階時，人眼對顏色差異就難以分辨。但是越小的階數(shù)品控就意味著越大的產(chǎn)品成本，實際中根據(jù)產(chǎn)品需要進(jìn)行階數(shù)的控制，通常取5階或7階。另外由于CIE1931XYZ系統(tǒng)的不均勻，不同顏色對應(yīng)的階數(shù)，其實際的相應(yīng)色坐標(biāo)距離甚至可以相差10倍以上；雖然CIE 1976LUV空間有了很大的改進(jìn)，但實際的色坐標(biāo)差異也可達(dá)2倍。在設(shè)定調(diào)光目標(biāo)要制定色坐標(biāo)系統(tǒng)或色空間，否則結(jié)果也會大相徑庭。

通過RGB調(diào)光反饋檢測系統(tǒng)，將準(zhǔn)確的R、G、B參數(shù)永久存入芯片，在點亮不同顏色時，MCU內(nèi)部會實時計算PWM值，實現(xiàn)精確動態(tài)調(diào)光。經(jīng)過檢測系統(tǒng)校準(zhǔn)后，可以將不同bin的LED最終調(diào)光色差控制在預(yù)設(shè)階數(shù)比如5階以內(nèi)，以滿足后續(xù)總成調(diào)光一致性的需求。

如何定義色度偏差階數(shù)，可參考CIE TN 001-2014 ，下圖采用的是CIE 1976 LUV色空間。

此后，LED調(diào)光還需要更細(xì)節(jié)的驗證，可分實驗室精密數(shù)據(jù)驗證和產(chǎn)線量產(chǎn)管控，這兩者關(guān)注方向不同，也涉及到很核心的一個問題，數(shù)據(jù)對標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)值傳遞。實驗室更多的是研發(fā)與驗證，關(guān)注產(chǎn)品的精確性；而生產(chǎn)關(guān)注的是量產(chǎn)的穩(wěn)定性，一致性，兩者的定位不同也決定了應(yīng)用方案的細(xì)節(jié)和側(cè)重點有差異。篇幅受限，后續(xù)出單章詳細(xì)討論。

? 總成的測試與品控

當(dāng)PCBA分板后，結(jié)合燈頭，光導(dǎo)組成成品（總成品）。此時的效果一定就是理想的嗎？事實是很少，如下圖門板左側(cè)亮度顏色較右側(cè)明顯偏暗。目測主觀評價產(chǎn)品質(zhì)量是常見的定性方式，但畢竟沒有客觀數(shù)據(jù)有說服力。因此，定性與定量的組合評價非常有必要。

總成測試驗證分實驗室階段和量產(chǎn)階段。

實驗室是在光學(xué)暗室中用專業(yè)的光度計或色度計結(jié)合測試臺架，如下圖，以實現(xiàn)不同樣品，不同角度的測試，滿足其光學(xué)部件的測試要求，如顯示的VESA標(biāo)準(zhǔn)，醫(yī)療顯示屏的檢測標(biāo)準(zhǔn)。

?EOL.

行業(yè)終端光學(xué)檢測設(shè)備（EOL: End of Line），是人工上下料離線的操作方式，雖然在線檢測將是未來的發(fā)展趨勢，但現(xiàn)階段，對光檢設(shè)備調(diào)研時都是要求至少滿足5年應(yīng)用要求，同時能兼容不同型號產(chǎn)品的檢測應(yīng)用，即最大化利用每臺的投入設(shè)備，還是以離線方式為主。

作為單獨的一站式光學(xué)品質(zhì)檢測設(shè)備，EOL除了自帶形成封閉的光學(xué)暗室外，實現(xiàn)產(chǎn)品亮度，色度，均勻性基礎(chǔ)檢測要求，同時還具備產(chǎn)品的掃碼追溯功能，數(shù)據(jù)分析存儲，以及MES系統(tǒng)對接功能，更要保證數(shù)據(jù)的一致性及穩(wěn)定性。

03.

總結(jié)

關(guān)于LED調(diào)光應(yīng)用匯總?cè)缦?

從初始端光學(xué)設(shè)計，到光源，材料的選型確定，到實驗室端采集驗證，最后到量產(chǎn)端的細(xì)節(jié)把控，包含部件與總成，形成整個產(chǎn)業(yè)鏈的閉環(huán)。

只有每個環(huán)節(jié)都管控好，流出的產(chǎn)品才會是好的產(chǎn)品，用戶拿到的才是精品，才能有好的視覺體驗，才能提升整體的舒適感受。

近期，我司將推出光學(xué)產(chǎn)品品質(zhì)控制的系列應(yīng)用解決方案，敬請關(guān)注！

撰寫：趙李

編輯：宋俊

審核：樂剛

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