【技术文章】LED调光你真的会了吗？

关键词：RGB调光 以人为本 舒适

在汽车行业智能化发展的趋势下，越来越多新颖的产品不断涌现，甚至是引领潮流，如智能座舱，自动驾驶，灯语交互等。以人为本的驾驶舱内部的照明与交互设计在智能座舱的发展中也越来越受重视，智能座舱中包括显示器、光源、氛围灯和内饰表面的综合交互视觉环境，是影响汽车感知品质的重要因素。

在座舱照明的一体式体验中，涉及到各个不同位置部件的色调、亮度和饱和度的协调配合，常见的仪表显示、按键背光，车载导航等常规发光部件，以及越来越普及应用的氛围灯，如中控IP，门板，杯托，地毯甚至是天窗，譬如宝马的星空顶，及发光体与内饰相互作用后形成的车内表面整体视觉颜色。但是车内不同位置的颜色参数如何保持一致性，营造出不同场景的整体空间，具有良好的氛围空间和视觉舒适性体验，在基于视觉人因工程的研究定义基础上，优秀的颜色品质管控也举足轻重。

01.

该如何管控视觉感知的颜色品质？

车内视觉环境的颜色保证，首先应该确保发光体的颜色品质，通过控制其混合色坐标和亮度，对色调、亮度、饱和度做相应的设计和控制，达到预设的视觉效果。以氛围灯为例，首先是发光器件本身的均匀性，是视觉舒适的基础；其次，氛围灯混合可变颜色越来越多，128色、256色，甚至无极调色，如何保证当前颜色与预设颜色的一致性？这就涉及到光学设计与光学检测校准。

◐光学设计

为了确保发光部件的均匀性和相关光学参数，需要对光学器件进行严格的光学设计，通过对LED光源，材质进行选型，样品测试，利用光学算法，实现整体造型、效果，反复设计优化达到预期目的。为了减少设计周期，可以借助专业光学仿真设计软件如TracePro等，预测设计效果，并对杂散光这些现象精准预测和优化。例如下图的车内杯托氛围灯就利用了光学算法和TracePro设计软件，对光导的设计进了优化和防杂散光设计，提升了均匀性。

在优化设计前，产品两端出光，出光处亮度高，中间亮度暗，导致均匀性体验欠佳；通过Tracepro微结构设计调整优化，两端出光亮度降低，圆弧中间亮度显著提高，整体均匀性大幅度提升。

◐光学检测校准

从测量角度来讲，在不同品控阶段，关注的偏重点略有不同。在整版PCBA贴片、烧录阶段首先要保证出料产品的一致性，但实际上由于LED BIN区及结温的差异，同一个分板的LED颜色指标差异极大。所以在分料组装之前，对PCBA进行调光校准很有必要。

☛ PCBA的测试与校准

PCBA属于密集型分布且差异大，光度学和色度学参数测准是调光校准的基础。光度学表征有亮度（cd/m²），照度（lux），光强（cd）和光通量流明（lm）等，色度学目前业界通常采用CIE1931XYZ色度系统或CIE1976LUV颜色空间来表征。目前室内氛围灯领域较普遍采用的是光通量和色坐标（x, y）来进行定义PCBA的发光指标。

通常光通量的测量方式有两种：

1. 分布式光度计

2. 积分球光通量测量系统

分布式光度计主要是测量灯具或光源的光强分布，也称配光曲线，顾名思义它的主要功能是测量产品的配光效果，为光学设计提供基础数据、优化方向以及产品本身的基本特性，通过对各个方向的光强做立体角积分，可以计算此时光通量的大小。此种方式，如果是特意测试光通量，性价比不高。不管是Type A, Type B, 还是Type C ，本质还是通过旋转来进行测量，所以它的效率很低。

虽说常见商用的室内灯和路灯用的是Type C坐标系，汽车车灯用的是Type A坐标系，但对光通量来说没什么差异，其本质还是光强与光通量的转化计算。故相对于积分球测量系统来讲，不占优势。

☛ 积分球光通量测量系统

积分球有多种作用，可作为余弦修正器，亦可作为均匀光源，但最主要的应用是测量光源的光通量。整个光通量的测试系统主要构成有程控电源，积分球，光度探头（如光谱仪），系统软件及电脑。

此方式是重点推荐的测量方法，但实际情况是有很多因素会影响测量结果准确性，如积分球本身球体结构的设计，积分球内部涂料，光谱仪的特性等。此处就不做深入展开，后面会单独针对该产品出一期介绍。

02.

那如何将LED调准呢？

◐理论基础：

调光原理的本质是基于发光色的加法三原色原理及格拉斯曼颜色混合定律，两种颜色混合相加后，产生的第三种颜色，其三刺激值可以向量相加，由此导致的结果是两种颜色的混合色在色坐标总是在这两种颜色连接的直线上。结合过脉冲宽度调制（PWM）调光分配占空比，可以近似的认为光通量与占空比成正比函数关系：

将已知色坐标作为唯一的因素，通过变换，可以得到：

在PWM调光中，将上式建立的色品坐标与占空比的函数关系，作为调光调色的理论基础。

◐调光流程：

实际生产过程中，为了达到更好的质量品控管理，会在参数写入后，增加混色光的点亮和复测，如下图。并对复测色号与标准值进行对比，计算调光阶数。通常人眼恰可分辨的颜色差异3阶麦克亚当椭圆，当调光阶数小于3阶时，人眼对颜色差异就难以分辨。但是越小的阶数品控就意味着越大的产品成本，实际中根据产品需要进行阶数的控制，通常取5阶或7阶。另外由于CIE1931XYZ系统的不均匀，不同颜色对应的阶数，其实际的相应色坐标距离甚至可以相差10倍以上；虽然CIE 1976LUV空间有了很大的改进，但实际的色坐标差异也可达2倍。在设定调光目标要制定色坐标系统或色空间，否则结果也会大相径庭。

通过RGB调光反馈检测系统，将准确的R、G、B参数永久存入芯片，在点亮不同颜色时，MCU内部会实时计算PWM值，实现精确动态调光。经过检测系统校准后，可以将不同bin的LED最终调光色差控制在预设阶数比如5阶以内，以满足后续总成调光一致性的需求。

如何定义色度偏差阶数，可参考CIE TN 001-2014 ，下图采用的是CIE 1976 LUV色空间。

此后，LED调光还需要更细节的验证，可分实验室精密数据验证和产线量产管控，这两者关注方向不同，也涉及到很核心的一个问题，数据对标与标准值传递。实验室更多的是研发与验证，关注产品的精确性；而生产关注的是量产的稳定性，一致性，两者的定位不同也决定了应用方案的细节和侧重点有差异。篇幅受限，后续出单章详细讨论。

☛ 总成的测试与品控

当PCBA分板后，结合灯头，光导组成成品（总成品）。此时的效果一定就是理想的吗？事实是很少，如下图门板左侧亮度颜色较右侧明显偏暗。目测主观评价产品质量是常见的定性方式，但毕竟没有客观数据有说服力。因此，定性与定量的组合评价非常有必要。

总成测试验证分实验室阶段和量产阶段。

实验室是在光学暗室中用专业的光度计或色度计结合测试台架，如下图，以实现不同样品，不同角度的测试，满足其光学部件的测试要求，如显示的VESA标准，医疗显示屏的检测标准。

◐EOL.

行业终端光学检测设备（EOL: End of Line），是人工上下料离线的操作方式，虽然在线检测将是未来的发展趋势，但现阶段，对光检设备调研时都是要求至少满足5年应用要求，同时能兼容不同型号产品的检测应用，即最大化利用每台的投入设备，还是以离线方式为主。

作为单独的一站式光学品质检测设备，EOL除了自带形成封闭的光学暗室外，实现产品亮度，色度，均匀性基础检测要求，同时还具备产品的扫码追溯功能，数据分析存储，以及MES系统对接功能，更要保证数据的一致性及稳定性。

03.

总结

关于LED调光应用汇总如下:

从初始端光学设计，到光源，材料的选型确定，到实验室端采集验证，最后到量产端的细节把控，包含部件与总成，形成整个产业链的闭环。

只有每个环节都管控好，流出的产品才会是好的产品，用户拿到的才是精品，才能有好的视觉体验，才能提升整体的舒适感受。

近期，我司将推出光学产品品质控制的系列应用解决方案，敬请关注！

撰写：赵李

编辑：宋俊

审核：乐刚

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