郭志軍，秦曉霞，凌 君，陳 斌

(杭州遠(yuǎn)方光電信息股份有限公司，浙江 杭州 310053)

LED車燈模組的光色一致性快速檢測技術(shù)

郭志軍，秦曉霞，凌 君，陳 斌

(杭州遠(yuǎn)方光電信息股份有限公司，浙江 杭州 310053)

本文在大量研究基礎(chǔ)上，提出一種專門針對(duì)LED模組的在線檢測方案和設(shè)備，一方面可對(duì)LED模組光色電參數(shù)100%全檢和自動(dòng)分級(jí)；另一方面該還可對(duì)LED模組中的每顆LED芯片發(fā)光面積做出檢測和合格判定，保證了車燈模組之間的光色一致性，而且本方案特有的機(jī)器視覺定位系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)模組的自動(dòng)定位，大大提高了檢測效率。

LED汽車照明；LED車燈模組；光色一致性；在線檢測

引言

近年來，隨著半導(dǎo)體照明技術(shù)的快速發(fā)展，LED以其顏色豐富、壽命長、效率高、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢符合了汽車照明對(duì)美觀、安全以及節(jié)能的需求，逐漸成為汽車照明的新寵，LED在汽車車燈中的應(yīng)用主要集中在前照燈、尾燈、方向燈、晝行燈以及內(nèi)飾燈等方面。

而LED通常以模組的形式應(yīng)用在LED車燈系統(tǒng)中，包括COB LED、LED發(fā)光燈條、LED聯(lián)排燈以及LED光源板等。圖1所示為LED車燈產(chǎn)業(yè)鏈的六大環(huán)節(jié)，從LED芯片到車燈系統(tǒng)的形成中，LED模組在中間起到了關(guān)鍵的橋梁作用，而LED模組作為車燈系統(tǒng)的主要發(fā)光元件，其光色性能不僅影響到汽車車燈的整體照明效果和安全性能，而且對(duì)于保證汽車的整體外觀有著重要意義。

圖1 LED車燈產(chǎn)業(yè)鏈
Fig.1 LED auto-light industry chain

1 車燈相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)LED模組的性能要求

LED模組的光色性能直接關(guān)系到車燈系統(tǒng)的發(fā)光性能。國內(nèi)外已經(jīng)出臺(tái)了不少標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范來規(guī)范汽車車燈的性能，主要集中于歐洲的ECE體系和美國的SAE體系，我國的汽車車燈標(biāo)準(zhǔn)多采用歐洲的ECE體系。車燈標(biāo)準(zhǔn)中通常會(huì)對(duì)車燈的光色性能以及一致性給出規(guī)范。

以前照燈為例，在GB 25991—2010《汽車用LED前照燈》中規(guī)定，對(duì)于采用LED模塊的LED前照燈，要求LED模塊為發(fā)出可見光的LED光源，且LED模塊的顯色性應(yīng)滿足光譜中最低紅光成分不低于0.05；還要求前照燈近光所采用的LED模塊目標(biāo)光通量應(yīng)不小于1 000 lm。而為了避免引起安全隱患，如 SAE J578—2012等標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)汽車外部光源顏色提出了明確的規(guī)定。因此為保證最終車燈系統(tǒng)的光色性能滿足要求，LED車燈模組的光色性能必須滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求與規(guī)范。

2 LED模組的光色參數(shù)的一致性

在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，LED模組產(chǎn)品的光色性能以及光色一致性往往難以保證，主要是因?yàn)閺腖ED芯片到LED模組形成的過程中，芯片設(shè)計(jì)、制造工藝以及封裝過程等各都可能導(dǎo)致LED模組產(chǎn)品的初始光色或者光通維持率不符合目標(biāo)要求，同時(shí)產(chǎn)品之間的光色性能也會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重不一致；如果冒然將LED模組用于車燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不僅會(huì)影響車燈整體的發(fā)光性能，也對(duì)汽車的整體外觀造成不良影響。

而且，即使LED模組產(chǎn)品初始光色電參數(shù)均滿足要求，點(diǎn)燃一段時(shí)期后也會(huì)出現(xiàn)光衰和嚴(yán)重顏色漂移，導(dǎo)致光通維持率和壽命不達(dá)標(biāo)，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的質(zhì)量問題。研究發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致LED模組出現(xiàn)嚴(yán)重光衰的一個(gè)主因是組成LED模組的LED芯片之間的發(fā)光特性不一致。為了保證車燈的整體光輸出，LED模組產(chǎn)品通常是集成了多個(gè)LED芯片，并與相應(yīng)的電子元件、散熱元件等連接而成，如果組成LED模組的LED芯片之間的光學(xué)性能不一致(如一些LED芯片發(fā)光較強(qiáng)，而另一些LED芯片發(fā)光較弱甚至不發(fā)光)，雖然總體發(fā)光仍能保證輸出光通量要求，但是長期使用將會(huì)對(duì)LED模組產(chǎn)品整體的散熱能力造成影響。LED產(chǎn)品對(duì)溫度非常敏感，溫度的升高將導(dǎo)致LED模組光輸出快速下降(圖2)，降低產(chǎn)品的使用壽命，此外溫度升高也將導(dǎo)致LED模組的發(fā)光光譜發(fā)生漂移。

圖2 LED光輸出與溫度的關(guān)系Fig.2 Relationship between temperature and light output of LED

3 LED模組質(zhì)量控制方案

LED車燈模組產(chǎn)品的光色特性以及光色一致性一直以來便是困擾產(chǎn)業(yè)發(fā)展的難題，而且在工藝上也難以控制。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，快速檢測篩選成為突破口。一方面，通過對(duì)LED模組產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)精確光學(xué)檢測可以保證產(chǎn)品質(zhì)量；另一方面，根據(jù)光色測試結(jié)果科學(xué)分BIN，可以將光色特性一致的模組結(jié)合使用從而提高產(chǎn)品的利用率，降低企業(yè)成本。

傳統(tǒng)上對(duì)LED車燈模組產(chǎn)品的檢測主要集中在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，實(shí)驗(yàn)室檢測方案(見圖3)具有測試參數(shù)全面、測量精度高的特點(diǎn)，并可以測試在不同溫度下的被測模組的光學(xué)性能(見圖4)。但是對(duì)于龐大的LED車燈模組產(chǎn)線而言，顯然在速度和效率上遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足產(chǎn)業(yè)需求，而且整個(gè)行業(yè)對(duì)LED模組的在線檢測設(shè)備提出了急迫的要求。

圖3 ATA-1000自動(dòng)溫控光電分析測量系統(tǒng)Fig.3 ATA-1000 automatic temperature control photoelectric analysis and measurement

圖4 某LED模組樣品在20℃～80℃內(nèi)不同溫度下的光譜變化曲線Fig.4 The spectral change curve of LED module samples at different temperatures (20 ℃～80 ℃)

為了更好地實(shí)現(xiàn)LED車燈模組質(zhì)量控制，保證LED車燈模組的光色特性以及光色一致性，LED車燈模組在線檢測設(shè)備需要從以下幾個(gè)技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行突破：

1)保證測試速度：對(duì)于產(chǎn)量龐大的LED車燈模組產(chǎn)業(yè)鏈，測試速度是保證產(chǎn)業(yè)效率的關(guān)鍵；

2)測試參數(shù)全面、精確：相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)LED車燈模組的光度、色度以及一致性等都具有明確的規(guī)定，因此實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的光色性能測試是測試的基本需求；

3)LED車燈模組100%測試：由于LED產(chǎn)品的固有問題，LED車燈模組產(chǎn)品之間的光色一致性很差，個(gè)別樣品的特性并不能代表所有產(chǎn)品的性能，因此，在形成車燈燈具之前，對(duì)LED模組的100%可以充分保證LED模組的質(zhì)量。

4 LED車燈模組在線檢測方案

結(jié)合車燈模組產(chǎn)線檢測需求，本文提出一種專門針對(duì)LED車燈模組的在線檢測方案，該方案主要從以下兩個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)突破：①充分考慮到現(xiàn)有LED車燈產(chǎn)業(yè)鏈特點(diǎn)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，目的在于使LED車燈模組在封裝完畢后可以直接進(jìn)入在線檢測環(huán)節(jié)，克服傳統(tǒng)封裝與測試兩個(gè)環(huán)節(jié)之間的脫節(jié)，并且節(jié)省人工轉(zhuǎn)移時(shí)間，提高產(chǎn)業(yè)效率；②針對(duì)市場以及標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于LED車燈系統(tǒng)的光色電性能以及產(chǎn)品一致性需求， 提供一種功能全面的在線檢測方案。本方案中，在線檢測環(huán)節(jié)主要由缺陷檢測環(huán)節(jié)、機(jī)器視覺定位、光色電參數(shù)檢測以及產(chǎn)品合格判定四個(gè)過程構(gòu)成(如圖5所示)。

圖5 LED車燈模組快速檢測篩選方案Fig.5 Rapid detection and screening solution of LED auto-light module

該LED車燈模組在線檢測方案，將LED模組缺陷檢測裝置和光電測量裝置集合在一起，不僅可以實(shí)現(xiàn)LED模組中所有芯片的發(fā)光缺陷以及外觀缺陷檢測，而且可以對(duì)LED模組的光色一致性進(jìn)行100%在線檢測；在測試中，被測對(duì)象首先安裝于入料口處，進(jìn)而通過傳送裝置分別驅(qū)動(dòng)至缺陷檢測設(shè)備和光電測量裝置處進(jìn)而實(shí)現(xiàn)缺陷檢測和光色電性能檢測，具有測試速度快，測試功能全面的特點(diǎn)，為LED模組的質(zhì)量控制提供了有效的手段。

4.1 缺陷檢測環(huán)節(jié)

LED產(chǎn)品封裝完畢后即進(jìn)入缺陷檢測環(huán)節(jié)，被測對(duì)象通過供電裝置實(shí)現(xiàn)點(diǎn)亮，通過工業(yè)相機(jī)或成像亮度計(jì)對(duì)組成LED模組的LED芯片外觀以及表面發(fā)光情況進(jìn)行圖像采集，從而對(duì)LED模組的外觀缺陷和發(fā)光缺陷進(jìn)行分析判斷。由于發(fā)光面積與發(fā)光晶元比例是LED模組光、色、電性能重要的影響因素，因此在本環(huán)節(jié)中，LED車燈模組上的每顆LED發(fā)光芯片的發(fā)光面積以及發(fā)光晶元比例都將被檢測，以保證LED模組的光效、色溫等性能的合格率與一致性。此外，根據(jù)測試結(jié)果和制造商的既定目標(biāo)，可對(duì)每顆LED芯片的發(fā)光情況作出合格判定。

4.2 機(jī)器視覺定位

由于LED車燈模組的形狀以及尺寸十分多樣化，因此對(duì)各種各樣LED模組產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)檢測是在線檢測環(huán)節(jié)的一個(gè)重要考慮方面。針對(duì)于此，本方案中特別加入了機(jī)器視覺自動(dòng)定位裝置，采用機(jī)器視覺與機(jī)械手相結(jié)合的技術(shù)，可根據(jù)被測LED 車燈模組產(chǎn)品的形狀以及尺寸實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位，并準(zhǔn)確將被測模組產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整并移動(dòng)至待測位置實(shí)現(xiàn)檢測，極大實(shí)現(xiàn)了在線檢測設(shè)備的智能化，并提高檢測效率。

圖6 LED模組中芯片的發(fā)光缺陷檢測界面Fig.6 Defect detection interface of LED chip

4.3 光、色、電性能檢測

被測車燈模組到達(dá)待測位置之后便可開始對(duì)每一個(gè)車燈用LED模組進(jìn)行光色電性能檢測，其中，光性能測試包含光譜、光通量、輻射通量、光效等，電性能測試包含電壓、功率、頻率、電流等；色性能測試包含色溫、色坐標(biāo)、顯色指數(shù)等；數(shù)據(jù)分析顯示包含相對(duì)光譜曲線、色坐標(biāo)區(qū)域、色品圖等，顯示界面如圖7所示。

本方案中采用積分球光譜輻射計(jì)和程控電源，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)被測模組的光色性能檢測，待測LED模組被傳送至積分球球壁上的采樣測量窗口，并通過對(duì)應(yīng)的供電裝置實(shí)現(xiàn)點(diǎn)亮，因此積分球上的光譜儀可實(shí)現(xiàn)對(duì)LED模組的光、色、電參數(shù)的實(shí)現(xiàn)測量，提高測試效率。

圖7 光色電性能測試界面Fig.7 Test interface of optical and electrical property

4.4 產(chǎn)品合格判定

通過快速光、色、電分析系統(tǒng)軟件可準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)光色電性能參數(shù)分析，并根據(jù)實(shí)際測試結(jié)果，針對(duì)不同產(chǎn)品相應(yīng)的合格標(biāo)準(zhǔn)，在裝置的出料口處設(shè)有對(duì)產(chǎn)品合格或不合格進(jìn)行標(biāo)記顯示，對(duì)產(chǎn)品作出科學(xué)分BIN和合格判定，保證產(chǎn)品的一致性，界面顯示如圖8所示。

圖8 產(chǎn)品合格判定界面Fig.8 Interface of conformity assessment

實(shí)現(xiàn)上述方案的LED車燈模組在線檢測系統(tǒng)適用于LED模組、聯(lián)排燈、光源板等各種車燈模組產(chǎn)品的在線檢測，實(shí)際應(yīng)用中該系統(tǒng)與封裝線無縫接駁，在封裝結(jié)束后即可進(jìn)入上述方案所述的在線檢測環(huán)節(jié)，極大地提高了檢測速度和效率。

5 總結(jié)

本文從檢測出發(fā)，在對(duì)LED車燈模組的光色一致特性深入研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)，提出一種專門針對(duì)于LED車燈模組的在線檢測方案和設(shè)備，不僅可以實(shí)現(xiàn)被測模組的100%檢測，而且其獨(dú)特的視覺定位裝置可以根據(jù)不同尺寸模組進(jìn)行線體調(diào)整，在不停機(jī)的情況下實(shí)現(xiàn)模組測試位置可視化校正與探針自動(dòng)調(diào)節(jié)，大大提高測試效率，此外，本方案還集成了缺陷檢測功能，可以對(duì)LED車燈模組上每顆LED芯片的發(fā)光情況進(jìn)行檢測，充分保證了LED芯片之間的一致性。

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Fast Optical Consistency Test Technology of LED Modules in Automotive Lighting

GUO Zhijun，QIN Xiaoxia， LIN Jung，CHEN Bin

(EVERFINECorporation，Hangzhou301153,China)

In this paper, an on-line test solution and equipment for automotive LED modules are proposed, which can not only obtain the photometric, colorimetric and electric quantities for all LED modules and classify them according to the measurement results, but also, the lighting situation of every single chip in a module can be assessed, ensuring the optical consistency of the LED modules. Besides, the solution also adopts particular machine vision to realize the automatic positioning of the measured modules, greatly improving the test speed and efficiency.

LED automotive lights; LED automotive module; Optical consistency; on-line test technology

O432

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.02.008