技术丨用成像式亮度计对高解析度Matrix LED大灯测量的技术研究及实例
高解析度Matrix矩阵LED的汽车大灯技术将汽车照明技术带入了新的阶段，传统测量方法已经很难满足其性能评价需要。需要创新的测量评估技术。本文从快速配光测试及LED像素亮度测量两个方面进行了详细描述，包括测试原理、测试方案、数据处理、算法，以及影响因素等。其中的快速配光测试方案，也可适用其它AFS智能大灯产品。
当前市场上的自适应头灯中，多采用多颗LED组件彼此并排排列安装在头灯中，需要额外安装电子元件控制LED组件的开关或强度，并且需要针对不同场景设定照明配光模式。随着LED技术的发展，智能高分辨率头灯的问世将自适应大灯带入了新的发展阶段。
典型产品如欧司朗的µAFS LED前灯，包含3个LED光源，每个光源还有1024个独立可控的点光源（像素）。这意味着头灯可准确适应具体的交通状况，确保随时保持最优照明效果。
图1：欧司朗µAFS 高解析度Matrix LED 头灯
这种高解析度的自适应头灯，对测试技术提出了新的挑战，除了需要满足传统的配光测试需求外，还需要考虑另外两个特点：
1) 复杂多变的配光测试：在较短的时间内完成多种场景下的配光测量
2）LED像素的光学性能评价：测试到每个像素的亮度信息。
快速配光测试
汽车前灯的空间光强分布通常通过角度计，在规定距离，进行扫描测试。这种测试方法不仅需要较大的测试空间（通常为25米测试距离），而且需要花费大量的时间（从几十分钟到几个小时）。对于自适应智能大灯，仅仅通过法规测试不能满足要求，最好可以满足一下特点：
1) 测试速度快：即可在较短的时间内完成不同模式下配光测试，还可监控配光本身的稳定性，例如通过动态测试，监控明暗截止线或肘点的稳定性。
2) 具备自动明暗截止线、肘点识别及Re-aim功能，以满足法规测试需求
3) 鉴于白光LED的空间颜色不均匀特点，最好能兼顾颜色特性测试。
如果前灯的光束直接照射在投影幕墙上，投射到幕墙上的光通量在墙上产生一个照度值，这样可以通过图像解析的亮度计得到该墙面的亮度分布。如果该墙面及房间参数足够理想，就可以从亮度图像计算得到相应的照度分布以及光强分布。除此之外，可以得到任意平面的照度分布图（如路面照度分布，10米远处的投影屏照度分布等），也可以得到半球空间的照度分布（就像ECE规定的25米半径的前照灯照度分布）。
如上所述，是一个非常有吸引力的快速测试方法，只需要几秒就可以完成前灯的光学测量。
图2：25米半球范围内的车灯（近光灯）照度分布图，用伪彩色表示照度值，坐标为角度坐标
测试原理
两维的亮度空间分布L(x,y) 是一个与人眼视觉系统相关的物理量。然而，在大灯测试评价领域，人们更加关心照度值。所以，必须进行必要的光度学转换。入射的光通量中的一部分被反射表面所反射（反射率ρ），另外的被吸收，反射部分可以是镜面反射，也可以是漫反射，也可以是二者混合。如果反射是理想的漫反射，则亮度值L(ϑ,ϕ)就与光束的方向无关，L(x, y,ϑ,ϕ ) = L(x, y) ≠ f (ϑ,ϕ )，换种说法，即不同的测试方向得到的亮度值与该处的照度值E(x,y).的比值为一固定常数。如果一个反射表面满足完全漫反射条件，就可以通过图像解析的亮度测试技术直接得到空间的照度分布。
由于采用了漫反射屏作为测试中介，因此我们称之为间接法测量。
图3：间接法快速配光测试原理示意图
杂散光
在对光进行测试时，必须注意，只能让被测量的光进入光接收器件（LMK 成像亮度计），否则，光源在任意表面产生的反射光都有可能进入光接收器，从而使得测试结果偏离。所有非测试需要的光统称为杂散光，反应在亮度图像上，可以在全部或局部增加亮度，在本测试项目中，杂散光对暗区影响，导致亮度值增大，实际上，在该区域，亮度应该更弱，甚至完全没有强度信号。这样就影响了最终的测试结果。实际测试发现，在对比度超过1：200的情况下，与真实值的偏离将非常严重，而且，图像的对比度将会降低。
杂散光来源分析及消除
杂散光由不符合要求的反射、光源以及一些透射材料产生，这些现象既产生于图像系统本身（如镜片之间的反射），也产生于房间布置的本身。
图4：杂散光来源分析示意图
亮度图像测试系统的杂散光可以通过设计减小杂散光（消光漆、设置光阑）。房间导致的杂散光主要有照射表面，光源本身，可以通过减低表面反射率，设置遮光光阑限制天花板或地面的反射光影响等。因此要获得准确的测试结果，需要对房间进行严格的设计和精确的安装。图5是一个理想的实际测试暗室的布置示意图。
图5：快速配光测试暗室房间仿真设计图
通过软件进行杂散光修正补偿
在测试系统中，杂散光无法完全消除，任何残留的杂散光都必须通过软件的方法予以修正，下图是近光灯照度分布图在杂散光修正前后的对比。
图6：10米墙面的亮度图像，左边有杂散光，右边是软件对杂散光修正后的亮度图像
测试实例
对于汽车前灯测试来讲，通常会用25米距离的照度分布来计算其光强分布。这种方法主要是将被测试的光源放在一个可以在J,j方向进行转动的角度计上，来得到照度分布。为了快速得到一个可靠的测试结果，间接法快速配光测试的最佳测试距离采用10米。
根据之前的描述，通过投影墙上的亮度分布可以得到照度分布。可以按照图5的要求建立暗室，对房间进行定标，包含：空间位置校正、光学校正、杂散光校正。经过这些校正，结合亮度计在室内的位置、前灯到墙的距离、前灯的高度等来计算各种光学量的空间分布：
1) 投影幕墙上的照度分布
2) 球面坐标下的照度分布 (例如r = 25 m)
3) 光强分布，以及在路面上的水平或垂直方向的照度分布
图7: 从投影幕墙上测得的亮度分布，计算出的路面垂直照度分布
除此之外，还可以在现有的25米暗室（或信号灯测试的3.16米暗室）基础上，进行改造，节省空间和预算。其中测试幕墙上开孔，让光线可以穿过到达25米远处光度探头。开孔部分的光学数据可以通过转动灯具补测给与补偿修正。
图8: 通过改造后的25米配光测试暗室兼具快速配光测试功能
肘点（elbow point）识别及Re-aim功能
由于采用成像的方法进行配光光型测试，因此在近光灯测试的时候，可以通过图像处理算法在光强分布图上识别到其肘点（elbow point）。找到肘点后，就可以自动将光强分布图进行坐标平移，移至基准中心点(0; 0 = HV)，这样在实际测试的时候，只需将灯具进行粗略的对准，即可开始测试。
由于需要与相关的测试法规一致，用户通常需要根据测试法规进行Re-aim操作，即在检测到的肘点的一定区域内寻找替代肘点，对指定的测试点，如HV, B50L, 等，依据法规进行合规性判断。只有测试区域的所有点满足了测试指标，才可以认为该前灯符合法规。Re-aim功能在图像处理上，非常容易实现。
图9：可视化展示肘点（Elbow Point）及ECE测试点
得到肘点elbow point ，无论是这一点还是HV点，可以直观的显示在软件上，如图9所示，而且还可以输出其它数据，例如通过位置移动通过法规的测试点数量，相对于肘点的任意位置点的光强值。通过若干模组测试的统计，或不同时间的测试结果，可以分析一些趋势信息，例如肘点位置相对于光轴的变化信息、最大值、最小值，（与光轴相关肘点偏离、多个测试中的最大、最小值等），明暗截止线(AK31)的强度等，这些数据可以保存在文件中，也可以以图形的形式输出。
图像拼接
受限于房间大小，尤其是测试墙的宽度，水平方向单次测量的宽度有限，例如6米宽度约±24°，通过转动灯具（3X45°），分别测试，然后进行拼接，可实现大范围测量。转台可以采用独立的转台，或现有的25米配光角度计的转台。
图10：拼接图像及测试定示意图（图中暗区黑洞为测试墙上的开洞，用于25m探头测试光强）
对明暗截止线附近的颜色特性进行分析
传统的卤素灯或氙气灯，由于光学元件的色散，在明暗截止线区域有明显的色环现象，LED灯具本身具有空间的色不匀现象，叠加光学色散现象，因此对该位置进行色彩测量非常必要。本测试方案中的LMK具备色彩测量功能，可以获得色彩分布图像，如图，在水平–0.5°的位置，选取 +2° 到–2°的区间进行色彩分析， 图表所示既是该位置的色彩变化特性。
图11：明暗截止线区颜色分布特性测试
在更小的空间进行测量
上文所述的车灯测试方法，需要较大的空间，通过专门定制的聚焦消色散透镜可压缩光束尺寸，从而在一个紧凑的测试暗箱里完成测试。测试原理与前面所述完全一样，只是加入了一个透镜来缩短测试距离，整体尺寸 LxWxH: 95 cm x 50 cm x 43cm。
图12：紧凑型测试暗箱原理示意图
由于采用了暗箱，环境光造成的杂散光可以不计。该测试暗箱有两个部分组成。测试空间部分，有一个反射屏以及一个光阑， 另外一个空间，放置待测的前灯以及测试用的亮度计。该测试箱体也被用于光学透镜的质量监控。
Matrix LED 像素亮度测量
大部分的矩阵LED大灯LED组件少，可以通过成像式亮度计进行整体测量，进行发光体识别，进而得到亮度。而高解析度 Matrix LED像素密度高、像素小，自动识别发光体已经不太现实，尤其是像素与像素之间没有明显的亮度区隔。
本测试使用样品：Matrix LED像素数量 32X32，尺寸：4mmX4mm。
图13：测试用Matrix LED实物
使用Labsoft图像测试及处理软件，通过设定Mask来实现对矩阵中的每个LED亮度测量。要保证每个像素的测试精度，需要多个像素对应一个LED像素，因此需要高解析度相机以及远心镜头。本实验采用 LMK 5 相机配合远心镜头进行测试。
由于样品与相机不可能出现理想的对准情况，不可避免倾斜、偏转。通过建立测试mask，将倾斜的图像进行坐标变换，与Mask匹配，从而锁定每个LED像素位置，进而输出得到各个像素的亮度。
图14：原始亮度图像图15：32X32 测试Mask图16：修正后锁定LED位置的亮度图像
本文描述了快速配光测试技术以及高解析度Matrix LED的测量技术，这两种技术对于新型的汽车智能大灯测量具有独特优势，对于新型智能灯具的研发、生产、质量管理都有非常大的借鉴和使用价值。
| 来源：ALE资讯平台
作者：光傲科技股份有限公司 刘小波