【車燈核心技術報告2104】車燈LED光源
車燈作為汽車上最首要的零部件之一，跟着led新照明技能和相干產物的開辟，和購車者對更高汽車照明質量、更平安照明情况的寻求，今朝正朝着高亮度、低能耗，高相應，智能化標的目的成长，功效愈来愈丰硕。從近来上海車展公布的不少車型可以看出，車燈的智能化、微型化還是汽車車燈設計的一大趋向。這些趋向必将给大燈的遠近光設計带来了不少挑战，與此同時，集成到大燈的功效愈来愈多，好比ADB, 門路投影等。吸塵器,近光再也不局限因而一個静止的光型，遠光也配备有智能防眩目，同時一些附加的功效用来合用各類繁杂的气候前提，門路环境和交通状態。
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总之，跟着数字化和智能化的成长，車燈功效愈来愈多，而造型请求启齿尺寸愈来愈小，都给led光源带来了纷歧样的挑战。這些全新的挑战鞭策了LED光源向3個维度成长，即高亮度、微型化和集成化。下面咱们就来别离先容這3個LED光源的成长標的目的。
Section 1
高亮度
為了應答車燈變薄的趋向，led光源尺寸也必要扁平化，由于車燈的启齿尺寸越小，必将致使更多的光消耗，從而全部體系的光學效力更低，若要包管大燈的照明機能稳定，则必要光源尺寸也進一步的扁平化和高亮度化。
下圖阐明了車燈高度和led光源尺寸的一個線性對應瓜葛，比方，要設計12妹妹透镜高度的車燈，来實現光學扩大量為3°的像素高度，led芯片的尺寸必需節制在0.68妹妹之內，不然全部光學體系的效力會大大低落。
圖1：遠近光透镜高度和led光源尺寸之間的線性對應瓜葛磁鐵，。
即使CCC/ECE/SAE 容许遠近光照明仅知足最低律例值，可是對大大都車廠而言，必要斟酌的是终极用户的请求，一般而言，600lm的近光即使合适律例请求，對终极用户来讲也偏暗。合适用户请求的LED近光，如今最少必要路面照明800 lm到1000 lm。假設光學模组的光學效力為40%至55%，则近光led光源的光通量應最少為1500 lm至2000 lm。再假設大燈內有一到三個近光透镜模组，则每一個LED透镜模组的光源光输出為500 lm到2000 lm的光源。是以，經由過程以上简略的数學计较，對付凡是發光面积為~1 妹妹的大功率LED颗粒，亮度程度要到达150 Mcd/m到500 Mcd/m的亮度，才能到达光输出别离為500 lm和2000 lm。
當前主流的LED制程技能可以實現200 Mcd/m摆布的亮度程度。為了到达更高的機能程度，则必要Led供给商们開辟下一代高亮度led芯片
圖2為假如為12 妹妹高的薄透镜大燈的示例。它由两個近光透镜模组和两個遠光透镜模组構成。若利用0.68 妹妹高度的单芯led，當光學扩大度的像素高度小于2°時，按照圖1 的函数瓜葛，遠光透镜模组的高度值超越了它的光學扩大量极限。斟酌到光學零件和玻璃透镜的光丧失，進一步的光學摹拟可以计较出模组的光學效力為38%。
圖2：假如具备四個高度為12 妹妹的透镜模组的示例體系
圖3：左：近光光學摹拟。右：遠光光學摹拟。
若要led芯片超越200 Mcd/m的亮度，则需從新優化LED芯片布局和全部光學體系，以期得到更高的能量密度。在led芯片范畴，最大限度地防止led效力低落是焦點。
如今的led芯片電流密度通常是3 A/妹妹摆布，若要到达200 Mcd/m的能量密度，则led芯片的電流密度要提高到5~8 A/妹妹，是以必要從新設計led外延區，在外延區提高電流密度和電迁徙，并尽量削减對荧光粉的按捺。若要到达500 Mcd/m的能量密度，咱们估计在電流密度為8 A/妹妹的环境下，led 的结點处必要>30%的光電轉换效力。是以必要優化車燈散热體系。如圖4所示，LED芯片在更高電流密度下将從優化的車燈散热體系中受益。结温從110°C降至85°C時，估计電流将削减近1 A。如许的低落對效力和led寿命有很大的益处。
圖4:在分歧结温下 LED光通量和输入電流的瓜葛
圖空中瑜伽,4為分歧led结温下光输出與電流的瓜葛曲線。LED芯片的發光面积為1妹妹。虚線暗示為1570 lm的极限值，至關于500 Mcd/m（假如遠場中的朗伯辐射模式和全部發光面积的亮度平均）。
Section 2
微型化
另有新的車燈功效如矩阵ADB，请求每颗led芯片都能零丁供電和節制，成百上千颗的led芯片集成在一块led板上，這致使了ADB模组的尺寸增长，同時體系的光學效力和散热也是一個大問題。自顺應ADB功效的集成進一步鞭策了led光源的微型化。
現在，基于单颗LED阵列的ADB矩阵模组已上市多年。但是，這些模组凡是必要設計前置光學體系，這些前置光學體系加深了透镜模组的深度（见圖5左）。若是利用尺寸更小的微型化高亮度led阵列，则可以防止分外的前置光學體系，從而低落模组的深度(见圖5右）。
圖5：左：利用准直透镜的矩阵模组的光學體系。右圖：慎密分列LED阵列直接成像的光學體系。
今朝汽車级此外微型化led阵列的出產法子是先在板上做出led芯片阵列，然後經由過程填充/侧涂硅基密封剂，如许来發生光學的断绝。這類法子有很多错误谬误。起首，填充层的不透明性跟着填充厚度的增长而低落，是以很难削减led芯片之間的杂散光，是以，矩阵分區像素之間的比拟度很低。别的，在建立大于3排的led阵列時，制造和本錢方面的挑战很大。為领會决光學機能和本錢問題，必要開辟新的led芯片布局，從而實現慎密分列、最小串光和可阵列設置装备摆設的微型化led芯片（如圖6显示的微型化led示用意）
圖6:微型化led的示用意。
圖7展現的是一個矩阵大燈的什物示例，利用13個間距很近的LUXEON Neo Exact LED，每相邻2颗的間距只有50μm。矩阵模组利用的是一個直径為40妹妹的圆透镜，經由過程光學摹拟，透镜中間可以實現一個最大比拟度為1:200的像素分區亮點。為了使遠光光型散布加倍平均并补充像素之間因為間隙發生的暗區，必要優化透镜的設計，從而使像素分區之間加倍腻滑。若是利用硅基密封剂涂层的一样LED阵列，像素的比拟度只有1:60。
圖7：利用13颗慎密分列的LUXEON Neo Exact LED的矩阵體系，led阵列發光間隙只有50μm。左上：體系前視圖，右上：電路板圖纸，左下：所有LED亮起的摹拟光型，右下：每秒LED熄灭的摹拟光型。
Section 3
集成化
另有新的全部字車燈技能，好比門路投影，辨别率更高，乃至提高到了上万像素的范围，必要led的制程工藝晋升到小于50μm x 50μm的micro级别，并且每颗led芯片在光學節制上相互自力，led芯片間隙极小。這時候就必需利用經由過程CMOS集成的電路互連，单個led颗粒可以自力節制，從而經由過程更高档此外协定来節制門路上的成像圖案。
連系這些新的数字大燈技能方案，给開辟倾覆性立异的micro-led體系提出了需求，必要同時實現高辨别率和微型光學設計。
功效集成化的最终利用是更高辨别率的数字大燈。若是LED阵列的辨别率和尺寸精度足够高，一個数字大燈便可以發生各類光型。包括高辨别率ADB、AFS功效、與导航或摄像體系相联系關系的随動轉向、近光截止線的自顺應调理功效，車道標線、停滞物和標記高亮显示等。micro-LED的需求均可以從這些利用中派生出来。
對付ADB體系，最少必要程度標的目的+/-12°的發光角度。為了给圖案建立足够较着的截止線，最少必要1:250的比拟度。對付遠光的ADB分區，方针是具有较小的辨别率，一個0.085°的亮點在50m遠处是一個宽7.5厘米，长4米的一個矩形亮斑，咱们是以可以据此推算出响應的ADB功效必要几多的辨别率。好比對車道投影来讲，假如是1:3纵横比的led阵列板，咱们可以直接计较出實現清嬰兒益生菌,楚的車道投影必要起码19000像素。
一個凡是的遠光必要在250 m內發生最少1 lx照度的光（至關于65000 cd）。經由過程光學公式换算，照度=光通量/立體角的瓜葛，咱们可以计较出每芯片所需的光通量為0.14 lm/芯。假如ADB體系33%的光學效力，每颗LED芯片必要供给0.43 lm/芯。若是利用90 Mcd/m的公道光源亮度，咱们可以估算micro-led阵列的单科發光面积為40μm x 40μm。
若是必要led阵列的系统布局以知足市場ADB的需求，存在很多技能难點。起首，要建立一個约20000個密集像素的micro-LED阵列，很较着micro-led阵列必需由单块或几個大的子块组装而成，而每颗micro-led是一個芯片分區。每颗芯片的寻址必需經由過程CMOS驱動来完成（见圖8）。
圖8: led 芯片和 CMOS 集成 (道理圖)
對led芯片和CMOS的集成，一個重要挑战是比拟度和总體效力。當单颗micro-led芯片的尺寸為40μm 時，在每颗芯片之間几近没有空間来断绝串光。若是Micro-led之間的間距留10μm，如许将使led的發快速戒菸方法,光面积减小到30μm x 30μm，與-40μm x 40μm的發光面积比拟，面积减小了40%以上。面积削减而要到达一样的光输出，必要响應的增长電流密度，從而将使总體的光學效力低落10%。micro-led中的光電跃迁和邊沿的非辐射重组将進一步按捺效力，解决法子是使led發光面积扩展，但這反過来又會敏捷增长led和體系的本錢。是以這是一對互相抵牾的解决方案。
無論若何，以上這些挑战都是led芯片廠商的挑战，跟着技能的成长，都是可以降服的。
Section 4
LED光源的总结和预測
综上所述，新造型新功效在鞭策led技能的成长，而LED新技能也正在快速鞭策汽車大燈的新造型和新功效利用。提高led的亮度程度，可以實現超薄并且機能高的前照燈設計。Led的微型化 ，可以显著削减ADB矩阵大燈的尺寸。而micro-LED的進一步成长将使汽車数字大燈的功效集成與所需的紧凑性相連系。何况micro-LED另有一個生成的上風，即只在必要時發生光，這象征着對数字大燈来讲，這類技能比拟DMD有着显著的效力上風。并且從久遠来看，與分立的LED阵列比拟，彻底集成的封装micro-led工藝将显著節流本錢。是以micro-LED阵列将是智能数字化前照燈的最有用和最具本錢效益的解决方案。据悉，上万像素的数字化大燈已完成样品試制，估计2年內装置到新車上市。
——The End——
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