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汽车氛围灯高分辨率光品质评价方法

韩日兴,肖立财,侯丽敏,周光明 

(上海复光竟成科技有限公司,上海,201811)

摘要:目前越来越多的车型在采用氛围灯来调节汽车内饰照明环境,可以通过车速、环境以 个人喜好进行灯光亮度和颜色的调节,以提高车内人员的舒适度。但由于氛围灯常常布置于 车内多个位置,对于单个或多个氛围灯的光品质和光色一致性控制显得尤为重要。 本文以人眼视觉对亮度、色度感受为基础,结合 ProMetric 高分辨率成像色度计对氛围灯的 测试案例,阐述了汽车氛围灯亮度、色度、均匀度等光品质主观评价客观化的方法,提高氛 围灯光品质的评价效率和精度。此方法亦可拓展到内饰背光、外饰照明灯具的光品质评价。


关键词:汽车氛围灯,亮度、色度均匀度,高分辨率成像色度计,光品质


一、前言 


随着LED技术的发展,车用照明除了应用在常规的外部照明和内部功能背光领域,还 越来越多的应用在了舒适性和个性化照明相关领域,车内氛围灯便是其一项重要应用。 



LED 车内氛围灯由于其具有光效高,寿命长,节能环保,点阵排列,形态自由,色彩 多样等与传统车内照明设备相比明显的优势,目前是国内外汽车照明企业设计研发的主流 方向。 


汽车内饰氛围灯种类各异,安装位置灵活,可配备单一或者多种颜色,还可以实现不 同颜色之间的切换。一般安装在车辆内部,如顶棚、仪表、中控板、脚踏板、门护板、门 把手等位置。和阅读灯相比,内饰氛围灯光线比较柔和,可以提高驾驶乐趣。夜间行车 时,内饰氛围灯可以降低眼睛疲劳,在一定程度上提高夜间行车的安全。 



二.、汽车氛围灯客观测试 


汽车氛围灯可以分为亮度和颜色测试,其测试项目又包含亮度和色度的具体数值以及 均匀性的评价。由于面式亮度计并未普及,目前整车厂或者零部件厂一般采用人眼主观评 价来做测试。但这种方法存在数据难以量化,受人为因素干扰很大。且由于没有客观衡量 的数据,导致上下游厂商难以有效沟通,影响项目的推进。


 A. 测试目的 


客观测试的主要目的是将测试结果量化,结合产品设计参数判定测试结果是否满足要求, 从而对氛围灯灯光设计效果做出真实客观的评价。更重要的是可以利用测试数据为后期整改 方案提供科学合理的依据。


 常见 LED 氛围灯的发光方式分为光导直接发光和背景反光式发光。下图为直接发光式 和反光式氛围灯点亮效果图。 



由于涉及到的结构、材料选择的多样性,在如何保证设计的精准性和反馈就尤为重要。 以光导设计为例,在设计阶段,针对图 2 中设计的光导结构,可以用 TracePro 光学软件对光导结构的表面亮度、色度分布情况进行模拟仿真,评估设计要求[7],如图所示。如果再 能结合成像亮度计对打样产品进行测试对比,对设计结果的改进将更加容易。 



B. 测试方法及测试设备


1. 传统测试方法测试设备:


一般利用点式的亮度计或者色度计测量显示区域某一位置的亮度和色度的情况。采用点 式亮度或色度计,只能得到某一小区域的平均亮度和色度,必须通过多点测量才能得到各发 光区域的亮度情况,以判定整个灯具的均匀性,其测试原理如图 4。而且由于没有保存具体 的影像信息,无法验证被测点的具体位置是否和要求一致,即测量结果较难验证。



2. 传统点式测量的优缺点 

1)优点:结构简单,小巧(可以手持);价格便宜; 

2)缺点:

  • 只能测量某一点或者很小的区域; 

  • 只有数值信息,没有相关图像,无法确认测试位置是否准确 

  • 不能一次性得到整个仪表或显示区域的亮度和色度的均匀性情况  


3. 成像测试方法及设备 


1)测试方法:成像亮度、色度计作为一种能够完全重现人眼对亮度、颜色以及散射的感知,并能将之 数量化的测试系统,则可以模拟人眼快速有效的对 LED 照明器件空间、表面亮度、色度分 布进行精准的测试,使人眼的直观感受客观数据化,更好的对 LED 照明器件进行测试评价。 


2)测试设备:成像亮度、色度计一般利用 CCD 作为接收器,通过成像的方法捕捉整个测量区域的亮 度和色度值分布情况。设备主要由测试镜头、滤光片、图像传感器及数据处理软件等部分组 成,其结构如图 5 所示。CCD 分辨率可以有 200 万、800 万、1600 万、2900 万等不同规格, 满足不同的测试需求。搭配 CIE 匹配的滤色片和中性密度滤光片,可实现亮度、色度的精 确测量,和高亮度光源的测试。其独有的半导体制冷系统,使传感器在整个测试过程中都保 持恒定的温度,减小由于温度波动造成热噪声干扰,提高测试精度。并且配有全距离校准的 电动调焦镜头,通过使用电子控制的焦距和光圈设定,可为各种工作距离和视场提供经过校 准的测量结果,可根据被测物尺寸任意调节测试距离进行精确的测量,不受测试距离的限制, 这样极大地简化了测量设置。 


图 5. 成像亮度计结构及测试原理图


利用成像亮度、色度测试系统,可以直接得到被测物的影像,一次测试便可以得到各区 域的亮度、色度值,降低对对准精度的要求,测试速度远远快于传统测试方法,并且以影像 的形式保存数据,能够直观的看到测试结果的差异,方便后期评估对比,减少测量次数。  


4. 成像色度计测量的优缺点 


1)优点:

  • 面式测量,可以得到各区域的亮度、色度值; 

  • 直接获得均匀性情况,测试速度快; 

  • 直接得到被测物的影像,可查看确切的测量位置,降低对对准精度的要求 


2)缺点:价格一般比点式的测量设备贵.


三、汽车氛围灯客观测试案例 


由于汽车氛围灯常见的为长条形状,宽度从 1mm 到 30mm,但长度却能达到 600mm~1500mm,为了能够对氛围灯进行整体测试评价,并且保证发光横截面的测试精度, 对成像色度计的分辨率要求比较高。Radiant 的 I16、I29 系列成像色度计,分别具有 1600 万 和 2900 万像素的分辨率,可以对氛围灯进行整体测试,对氛围灯的亮度、色度及均匀性进 行客观有效的分析说明。下面结合相关测试数据简单介绍一些相关分析方法。 


A. 直接发光型氛围灯亮度均匀性测试分析 


图 6 所示的为某款车门板氛围灯的测试辉度图和亮度伪色图,从图 6(b)亮度伪色图和图 6 (c)沿氛围灯截线上亮度变化趋势图中,可以明显看出氛围灯从左到右亮度呈现逐渐变小 的趋势,且在 260mm-300mm 出出现了比较明显的亮度变化,先明显增强再突然降低,如图 6(c)中红色区域标识。出现这样的亮度突变,可能与此处光导的微结构有关,由设计或生 产工艺造成影响,可以有针对性的进行改进。 


图 6. 氛围灯暗影分析图 (a. 氛围灯测试辉度图; b. 氛围灯测试伪彩图) 


B. 直接发光型氛围灯色度均匀性测试分析 对于此氛围灯的色度均匀性,仍然沿用 CIE 色坐标(Cx, Cy)进行分析,对整个光导的色坐 标变化趋势来说明其色度均匀性。从图 7 中可以看到,沿氛围灯截线从左到右,色坐标 Cx, 和 Cy 均出现震荡性的变化,其变化范围 Cx:(0.2842~ 0.3031),ΔCx=0.0189; Cy: (0.3410~0.3680), ΔCy=0.027。


 若要达到更高的颜色一直性,还需要充材料、结构等方面进行进一步的设计和实验。 



C. 反光式氛围灯亮度均匀性测试分析 


相比较于直接发光型氛围灯,虽然测试评价方法与直接发光型类似,但反光式氛围灯在 宽度方向上的亮度呈现渐变状态,其亮度和颜色同时受到背景材料的影响。往往需要在固定 背景下进行对比评价才更有意义,本文采用某一背景下介绍这种氛围的评方法。这种氛围灯 的出光形式一般为由上至下投射到反射背板上,对于横截线的选取,我一般以出光口为基准, 向下几个 mm 进行截线选取。同时可能会考虑距出光口不同尺寸下截线上的亮度、色度变化 趋势进行对比,以便更好的对光学设计效果进行反馈。 


对图 8(a)所示的氛围灯,我们以上端出光口为基准,向下 1mm 和 5mm 分别划取两 条截线,截线上亮度变化情况如图 8(b)所示。可以看到,两条线的平均亮度相差 2cd/m2 左右,并且每条线上不同位置的亮度变化也比较明显,在最右端亮度明显变大,最高值达到 了 7cd/m2。 



对于线上的色坐标值,则是由左到右呈现逐渐减小的趋势,与直接发光氛围灯由明显的区别。 其变化范围 Cx:(0.3250~ 0.2906),ΔCx=0.0344; Cy:(0.323~0.3002), ΔCy=0.0228。在成 像色度计的 ProMetric 分析软件中,可以直接选取区域,在 CIE 色坐标图中标记处该区域内 的色坐标分布位置。应用此功能,在图 9 中,我们可以看到测试图像中的矩形区域内色坐标 在 CIE 色坐标图中的分布位于红色椭圆区域内,比较分散。 


图 10. 氛围灯测试亮度 2D-ISO 图 


基于以上数据进行二次开发,管理员开放设置权限,设置评价条件内嵌亮度均匀性、平 滑度、色差计算算法,即可实现操作员一键判定测试结果是否合格,下图 11 是测试效果。 


图 11 二次开发后软件测试效果图 


四、其它照明客观测试 


除了汽车氛围灯,这种评价方法在其他照明、背光的测试分析上也有广泛应用,比如 HUD 显示测试,仪表、按钮背光测试,应用最新的 Auto POI 功能可以依据字符的发光边界 进行数据提取,提高分析效率,如图 12 所示。


 如图 13 所示,在外饰灯光测试中,该系统在信号灯、日行灯以及前照灯的亮度、色度 均匀度评价中也有成熟的应用。 


图 12. 内饰仪表和日行灯客观评价示意图 


图 13. 汽车前照灯路面亮度分布客观评价示意图 


五、总结 


利用成像亮度、色度测试系统,可以直接得到被测物的影像,一次测试便可以得到各点 的亮度、色度值,为氛围灯的客观测试评价提供了一种简便、精准的测试方法。而且可以对 各种缺陷进行分析反馈,帮助提高产品的设计水平,提高研发能力。 同时,此套系统还可以同时应用于日行灯、内饰、仪表背光的亮度均匀度评测,前照灯 路面光形评测, 以及各种 LCD 显示器的缺陷、Mura 的测试评价。 


汽车未来将会成为家以外的第二个亲密私人空间,汽车内饰照明已成为不可忽视的设计元素,氛围灯正处于市场导入及成长阶段,如何将氛围灯设计的更好,完美的实现人车互动,需要主机厂,车灯厂,内饰厂,材料厂商,控制器、薄膜,导光材料等企业的共同努力,现艾邦建有汽车氛围灯微信群,吉利、比亚迪、长城、长安、东风、宜兰汽配、宁波华德、延锋、科思创、库尔兹、肖特等企业均已加入,欢迎产业链上下游的朋友入群探讨,共谋进步。


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