隨著數(shù)字化和智能化的發(fā)展，車燈功能越來越多，而造型要求開口尺寸越來越小，都給led光源帶來了不一樣的挑戰(zhàn)。這些全新的挑戰(zhàn)推動了LED光源向3個維度發(fā)展，即高亮度、微型化和集成化。下面我們就來分別介紹這3個LED光源的發(fā)展方向。

　　高亮度

　　為了應(yīng)對車燈變薄的趨勢，led光源尺寸也需要扁平化，因為車燈的開口尺寸越小，勢必導(dǎo)致更多的光損耗，從而整個系統(tǒng)的光學(xué)效率更低，若要保證大燈的照明性能不變，則需要光源尺寸也進一步的扁平化和高亮度化。

　　下圖說明了車燈高度和led光源尺寸的一個線性對應(yīng)關(guān)系，例如，要設(shè)計12mm透鏡高度的車燈，來實現(xiàn)光學(xué)擴展量為3°的像素高度，led芯片的高度尺寸必須控制在0.68mm以內(nèi)，否則整個光學(xué)系統(tǒng)的效率會大大降低。

　　圖1：遠近光透鏡高度和led光源尺寸之間的線性對應(yīng)關(guān)系。

　　即便CCC/ECE/SAE 允許遠近光照明僅滿足最低法規(guī)值，但是對大多數(shù)車廠而言，需要考慮的是最終用戶的要求，一般而言，600lm以下的近光即便符合法規(guī)要求，對最終用戶來說也偏暗。符合用戶要求的LED近光，現(xiàn)在至少需要路面照明800 lm到1000 lm。假定光學(xué)模組的光學(xué)效率為40%至55%，則近光led光源的光通量應(yīng)至少為1500 lm至2000 lm。再假定大燈內(nèi)有一到三個近光透鏡模組，則每個LED透鏡模組的光源光輸出為500 lm到2000 lm的光源。

　　因此，通過以上簡單的數(shù)學(xué)計算，對于通常發(fā)光面積為~1 mm²的大功率LED顆粒，亮度水平要達到150 Mcd/m²到500 Mcd/m²的亮度，才能達到光輸出分別為500 lm和2000 lm。

　　當前主流的LED制程技術(shù)可以實現(xiàn)200 Mcd/m²左右的亮度水平。為了達到更高的性能水平，則需要Led供應(yīng)商們開發(fā)下一代高亮度led芯片。

　　圖2為假設(shè)為12 mm高的薄透鏡大燈的示例。它由兩個近光透鏡模組和兩個遠光透鏡模組組成。若使用0.68 mm高度的單芯led，當光學(xué)擴展度的像素高度小于2°時，根據(jù)圖1 的函數(shù)關(guān)系，遠光透鏡模組的高度值超出了它的光學(xué)擴展量極限�？紤]到光學(xué)零件和玻璃透鏡的光損失，進一步的光學(xué)模擬可以計算出模組的光學(xué)效率為38%，而這個效率偏低。

　　圖2：假設(shè)具有四個高度為12 mm的透鏡模組的示例系統(tǒng)

　　圖3：左：近光光學(xué)模擬。右：遠光光學(xué)模擬

　　若要led芯片超出200 Mcd/m²的亮度，則需重新優(yōu)化LED芯片結(jié)構(gòu)和整個光學(xué)系統(tǒng)，以期獲得更高的能量密度。在led芯片領(lǐng)域，最大限度地避免led效率降低是核心。

　　現(xiàn)在的led芯片電流密度一般為3 A/mm2左右，若要達到200 Mcd/m²的能量密度，則led芯片的電流密度要提高到5-8 A/mm²，因此需要重新設(shè)計led外延區(qū)，在外延區(qū)提高電流密度和電遷移，并盡可能減少對熒光粉的抑制。若要達到500 Mcd/m²的能量密度，我們預(yù)計在電流密度為8 A/mm²的情況下，led 的結(jié)點處需要>30%的光電轉(zhuǎn)換效率。因此需要優(yōu)化車燈散熱系統(tǒng)。如圖4所示，LED芯片在更高電流密度下將從優(yōu)化的車燈散熱系統(tǒng)中受益匪淺。結(jié)溫從110°C降至85°C時，預(yù)計電流將減少近1 A。這樣的降低對效率和led壽命有很大的好處。

　　圖4：在不同結(jié)溫下 LED光通量和輸入電流的關(guān)系

　　圖4為不同led結(jié)溫下光輸出與電流的關(guān)系曲線。LED芯片的發(fā)光面積為1mm²。虛線表示為1570 lm的極限值，相當于500 Mcd/m²(假設(shè)遠場中的朗伯輻射模式和整個發(fā)光面積的亮度均勻)。

　　微型化

　　還有新的車燈功能如矩陣ADB，要求每顆led芯片都能單獨供電和控制，成百上千顆的led芯片集成在一塊led板上，這導(dǎo)致了ADB模組的尺寸增加，同時系統(tǒng)的光學(xué)效率和散熱也是一個大問題。自適應(yīng)ADB功能的集成進一步推動了led光源的微型化。

　　如今，基于單顆LED陣列的ADB矩陣模組已經(jīng)上市多年。然而，這些模組通常需要設(shè)計前置光學(xué)系統(tǒng)，這些前置光學(xué)系統(tǒng)加深了透鏡模組的深度(見圖5左)。如果使用尺寸更小的微型化高亮度led陣列，則可以避免額外的前置光學(xué)系統(tǒng)，從而降低模組的深度。

　　圖5：左：使用準直透鏡的矩陣模組的光學(xué)系統(tǒng)。右圖：緊密排列LED陣列直接成像的光學(xué)系統(tǒng)。

　　目前汽車級別的微型化led陣列的生產(chǎn)方法是先在板上做出led芯片陣列，然后通過填充/側(cè)涂硅基密封劑，這樣來產(chǎn)生光學(xué)的隔離。這種方法有許多缺點。首先，填充層的不透明性隨著填充厚度的增加而降低，因此很難減少led芯片之間的雜散光，因此，矩陣分區(qū)像素之間的對比度很低。此外，在創(chuàng)建大于3排的led陣列時，制造和成本方面的挑戰(zhàn)很大。為了解決光學(xué)性能和成本問題，需要開發(fā)新的led芯片結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)緊密排列、最小串光和可陣列配置的微型化led芯片(如圖6顯示的微型化led示意圖)

　　圖6：微型化led的示意圖。

　　圖7展示的是一個矩陣大燈的實物示例，使用13個間距很近的LUXEON Neo Exact LED，每相鄰2顆的間距只有50μm。矩陣模組使用的是一個直徑為40mm的圓透鏡，通過光學(xué)模擬，透鏡中心可以實現(xiàn)一個最大對比度為1:200的像素分區(qū)亮點。為了使遠光光型分布更加均勻并彌補像素之間由于間隙產(chǎn)生的暗區(qū)，需要優(yōu)化透鏡的設(shè)計，從而使像素分區(qū)之間更加平滑。如果使用硅基密封劑涂層的同樣LED陣列，像素的對比度只有1:60。

　　圖7：使用13顆緊密排列的LUXEON Neo Exact LED的矩陣系統(tǒng)，led陣列發(fā)光間隙只有50μm。左上：系統(tǒng)前視圖，右上：電路板圖紙，左下：所有LED亮起的模擬光型，右下：每秒LED熄滅的模擬光型。

　　集成化

　　還有新的全數(shù)字車燈技術(shù)，比如道路投影，分辨率更高，甚至提高到了上萬像素的規(guī)模，需要led的制程工藝提升到小于50μm x 50μm的micro級別，而且每顆led芯片在光學(xué)控制上彼此獨立，led芯片間隙極小。這時就必須使用通過CMOS集成的電路互連，單個led顆粒可以獨立控制，從而通過更高級別的協(xié)議來控制道路上的成像圖案。

　　結(jié)合這些新的數(shù)字大燈技術(shù)方案，給開發(fā)顛覆性創(chuàng)新的micro-led系統(tǒng)提出了需求，需要同時實現(xiàn)高分辨率和微型光學(xué)設(shè)計。

　　功能集成化的終極應(yīng)用是更高分辨率的數(shù)字大燈。如果LED陣列的分辨率和尺寸精度足夠高，一個數(shù)字大燈就可以產(chǎn)生各種光型。包含高分辨率ADB、AFS功能、與導(dǎo)航或攝像系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的隨動轉(zhuǎn)向、近光截止線的自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能，車道標線、障礙物和標志高亮顯示等。micro-LED的需求都可以從這些應(yīng)用中派生出來。

　　對于ADB系統(tǒng)，至少需要水平方向+/-12°的發(fā)光角度。為了給圖案創(chuàng)建足夠明顯的截止線，至少需要1:250的對比度。對于遠光的ADB分區(qū)，目標是擁有較小的分辨率，一個0.085°的亮點在50m遠處是一個寬7.5厘米，長4米的一個矩形亮斑，我們因此可以據(jù)此推算出相應(yīng)的ADB功能需要多少的分辨率。比如對車道投影來說，假設(shè)是1:3縱橫比的led陣列板，我們可以直接計算出實現(xiàn)清晰的車道投影需要最少19000像素。

　　一個通常的遠光需要在250 m內(nèi)產(chǎn)生至少1 lx照度的光(相當于65000 cd)。通過光學(xué)公式換算，照度=光通量/立體角的關(guān)系，我們可以計算出每芯片所需的光通量為0.14 lm/芯。假設(shè)ADB系統(tǒng)33%的光學(xué)效率，每顆LED芯片需要提供0.43 lm/芯。如果使用90 Mcd/m²的合理光源亮度，我們可以估算micro-led陣列的單科發(fā)光面積為40μm x 40μm。

　　如果需要led陣列的體系結(jié)構(gòu)以滿足市場ADB的需求，存在許多技術(shù)難點。首先，要創(chuàng)建一個約20000個密集像素的micro-LED陣列，很明顯micro-led陣列必須由單塊或幾個大的子塊組裝而成，而每顆micro-led是一個芯片分區(qū)。每顆芯片的尋址必須通過CMOS驅(qū)動來完成(見圖8)。

　　圖8: led 芯片和 CMOS 集成 (原理圖)

　　對led芯片和CMOS的集成，一個主要挑戰(zhàn)是對比度和整體效率。當單顆micro-led芯片的尺寸為40μm 時，在每顆芯片之間幾乎沒有空間來隔離串光。如果Micro-led之間的間距留10μm，這樣將使led的發(fā)光面積減小到30μm x 30μm，與-40μm x 40μm的發(fā)光面積相比，面積減小了40%以上。面積減少而要達到同樣的光輸出，需要相應(yīng)的增加電流密度，從而將使整體的光學(xué)效率降低10%。micro-led中的光電躍遷和邊緣的非輻射重組將進一步抑制效率，解決方法是使led發(fā)光面積擴大，但這反過來又會迅速增加led和系統(tǒng)的成本。因此這是一對相互矛盾的解決方案。

　　不管如何，以上這些挑戰(zhàn)都是led廠商的挑戰(zhàn)，隨著技術(shù)的發(fā)展，都是可以克服的。

　　LED光源的總結(jié)和展望

　　綜上所述，新造型新功能在推動led技術(shù)的發(fā)展，而LED新技術(shù)也正在快速推動汽車大燈的新造型和新功能應(yīng)用。提高led的亮度水平，可以實現(xiàn)超薄而且性能高的前照燈設(shè)計。Led的微型化 ，可以顯著減少ADB矩陣大燈的尺寸。而micro-LED的進一步發(fā)展將使汽車前燈的功能集成與所需的緊湊性相結(jié)合。況且micro-LED還有一個天生的優(yōu)勢，即只在需要時產(chǎn)生光，這意味著對數(shù)字大燈來說，這種技術(shù)相比DMD有著顯著的效率優(yōu)勢。而且從長遠來看，與分立的LED陣列相比，完全集成的封裝micro-led工藝將顯著節(jié)省成本。因此micro-LED陣列將是智能數(shù)字化前照燈的最有效和最具成本效益的解決方案。