LED車燈光源的核心技術(shù)報(bào)告

在數(shù)字化、智能化不斷發(fā)展的今天，車燈功能的不斷增加以及外形所需的開口尺寸的不斷縮小，均對(duì)led光源提出了不同挑戰(zhàn)。這些新挑戰(zhàn)促使LED光源朝著高亮度，微型化，集成化三個(gè)維度發(fā)展。

下面我們就來分別介紹這3個(gè)LED光源的發(fā)展方向。

高亮度

鑒于車燈變薄的趨勢(shì)，也需要led光源體積扁平化，因?yàn)檐嚐糸_口越小，勢(shì)必導(dǎo)致光損耗越大，繼而使整個(gè)體系光學(xué)效率越高，若要保證大燈的照明性能不變，則需要光源的大小也應(yīng)進(jìn)一步扁平化和高亮度化。

下圖說明了車燈高度和led光源尺寸的一個(gè)線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，例如，要設(shè)計(jì)12mm透鏡高度的車燈，來實(shí)現(xiàn)光學(xué)擴(kuò)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(gè)光學(xué)系統(tǒng)的效率會(huì)大大降低。

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

即便CCC/ECE/SAE允許遠(yuǎn)近光照明僅滿足最低法規(guī)值，但是對(duì)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下的近光，甚至達(dá)到法規(guī)要求，對(duì)最終用戶造成偏暗的影響。也就是滿足用戶需求的LED近光目前最少要有800 lm~1000 lm的路面照明。即假定光學(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(gè)近光透鏡模組，則每個(gè)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(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算，對(duì)于通常發(fā)光面積為~1 mm2的大功率LED顆粒，亮度水平要達(dá)到150 Mcd/m2到500 Mcd/m2的亮度，才能達(dá)到光輸出分別為500 lm和2000 lm。

當(dāng)前主流的LED制程技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)200 Mcd/m2左右的亮度水平。為了達(dá)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(gè)近光透鏡模組和兩個(gè)遠(yuǎn)光透鏡模組組成。

若使用單芯led的高度是0.68 mm時(shí)，當(dāng)具有2°以下的光學(xué)擴(kuò)展度像元高度時(shí)，根據(jù)圖1的函數(shù)關(guān)系，遠(yuǎn)光透鏡模組的高度值將會(huì)大于它的光學(xué)擴(kuò)展量的約束。結(jié)合光學(xué)零件和玻璃透鏡光的損耗，進(jìn)一步的光學(xué)模擬可以計(jì)算出模組的光學(xué)效率是38%，這種效率是很低的。

圖3：左：近光光學(xué)模擬。右：遠(yuǎn)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(gè)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。

如今led芯片電流密度通常在3 A/mm2附近，如果想要實(shí)現(xiàn)200 Mcd/m2能量密度，led芯片電流密度應(yīng)該增加到5-8A/mm2，所以有必要對(duì)led外延區(qū)進(jìn)行重新規(guī)劃，增加外延區(qū)電流密度及電遷移的同時(shí)盡量降低熒光粉抑制?，F(xiàn)若要達(dá)到500 Mcd/m2的能量密度，我們預(yù)計(jì)在電流密度為8 A/mm2的情況下，led 的結(jié)點(diǎn)處需要>30%的光電轉(zhuǎn)換效率。所以，有必要對(duì)車燈的散熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。正如圖4所顯示的那樣，LED芯片會(huì)在較大電流密度時(shí)獲益于優(yōu)化車燈散熱系統(tǒng)。結(jié)溫由110°C下降到85°C，電流可望下降接近1 A。這種下降對(duì)于提高效率，延長(zhǎng)led壽命都是非常有益的。

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(dāng)于500 Mcd/m2（假設(shè)遠(yuǎn)場(chǎng)中的朗伯輻射模式和整個(gè)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(dú)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ADB模組的尺寸越來越大，同時(shí)系統(tǒng)的光學(xué)效率和散熱問題也成了主要問題。自適應(yīng)ADB的功能整合進(jìn)一步推動(dòng)了led光源的微型化。

目前基于單顆LED陣列的ADB矩陣模組已經(jīng)上市多年。然而，這些模塊通常需要設(shè)計(jì)前置光學(xué)系統(tǒng)，這些前置光學(xué)系統(tǒng)加深了透鏡模塊的深度（見圖5左）。如果使用尺寸更小，更微型化，更高亮度的led陣列，可以避免額外的前置光學(xué)系統(tǒng)，降低模組的深度。

圖5：左：使用準(zhǔn)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)。

現(xiàn)有汽車級(jí)別微型化led陣列制作方法為：首先在平板上制作led芯片陣列并通過充填/側(cè)涂硅基密封劑從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)隔離。此法存在著很多弊端。一、填充層的不透明性隨著填充厚度的增加而降低因此很難降低led芯片之間的雜散光，造成矩陣分區(qū)像素之間的對(duì)比度低。另外，打造3行以上led陣列也面臨著制造、成本等諸多挑戰(zhàn)。針對(duì)光學(xué)性能及成本問題，需要開發(fā)新的led芯片結(jié)構(gòu)，從而實(shí)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(gè)矩陣大燈的實(shí)物示例，使用13個(gè)間距很近的LUXEON Neo Exact LED，每相鄰2顆的間距只有50μm。矩陣模組采用直徑40mm圓透鏡，透鏡中心可通過光學(xué)模擬達(dá)到最大對(duì)比度1:200像素分區(qū)亮點(diǎn)。為了使得遠(yuǎn)光光型分布更加均勻，彌補(bǔ)像素之間由于縫隙形成暗區(qū)的問題，需要優(yōu)化透鏡設(shè)計(jì)，使得像素分區(qū)之間更加平滑。如果使用硅基密封劑涂覆同樣的LED陣列，像素對(duì)比度僅為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(jí)別，而每一個(gè)led芯片的光學(xué)控制都是相互獨(dú)立的，led芯片之間的縫隙最小。此時(shí)需要采用經(jīng)過CMOS集成、單個(gè)led顆粒可自主控制的電路相互連接，這樣才能在公路上成像圖案由更高一級(jí)協(xié)議進(jìn)行控制。

綜合這些新型數(shù)字大燈技術(shù)方案對(duì)研發(fā)顛覆性創(chuàng)新micro-led系統(tǒng)帶來要求，要求高分辨率與微型光學(xué)設(shè)計(jì)同步。

功能集成化的最終應(yīng)用就是分辨率更高的數(shù)字前大燈。若LED陣列具有足夠的分辨率及尺寸精度，單個(gè)數(shù)字大燈可生成多種光型。功包含高分辨率ADB、AFS功能、與導(dǎo)航或攝像系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的隨動(dòng)轉(zhuǎn)向、近光截止線的自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能，車道標(biāo)線、障礙物和標(biāo)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。

在ADB系統(tǒng)中，要求在水平方向上至少有+/-12°的發(fā)光角度。要為圖案建立足夠清晰的截止線，起碼要有1:250對(duì)比度。對(duì)遠(yuǎn)光進(jìn)行ADB分區(qū)以具有更低分辨率為目的，對(duì)一個(gè)0.085°的亮點(diǎn)在50m遠(yuǎn)處是一個(gè)寬7.5厘米，長(zhǎng)4米的一個(gè)矩形亮斑，我們由此可依此推斷對(duì)應(yīng)ADB功能所需分辨率。例如對(duì)于車道投影，假定縱橫比為1:3的led陣列板我們就能直接算出要達(dá)到清晰車道投影所需的最小19000像素。一個(gè)通常的遠(yuǎn)光需要在250 m內(nèi)產(chǎn)生至少1 lx照度的光（相當(dāng)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(jì)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(chǎng)ADB的需求，存在許多技術(shù)難點(diǎn)。首先，要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)約20000個(gè)密集像素的micro-LED陣列，很明顯micro-led陣列必須由單塊或幾個(gè)大的子塊組裝而成，而每顆micro-led是一個(gè)芯片分區(qū)。每顆芯片的尋址必須通過CMOS驅(qū)動(dòng)來完成（見圖8）。

圖8: led 芯片和 CMOS 集成 (原理圖)

對(duì)led芯片和CMOS的集成，一個(gè)主要挑戰(zhàn)是對(duì)比度和整體效率。當(dāng)單顆micro-led芯片的尺寸為40μm 時(shí)，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。面積縮小而要達(dá)到同樣的光輸出需要相應(yīng)增加電流密度，從而降低整體光學(xué)效率10%。micro-led內(nèi)的光電躍遷和邊緣的非輻射重組將進(jìn)一步抑制效率，解決的方法是使led發(fā)光面積增大，但這反而使led和系統(tǒng)的成本大幅增加。因此這是一對(duì)相互沖突的計(jì)劃。不管怎么說，以上這些困難都是led廠商必須要解決的問題，隨著技術(shù)的發(fā)展，這些問題都可以克服。

LED光源的總結(jié)和展望

總之，新造型、新功能不斷促進(jìn)led技術(shù)進(jìn)步的同時(shí)，LED新技術(shù)正迅速地促進(jìn)汽車大燈新造型與新功能的運(yùn)用。增加led亮度水平可達(dá)到超薄且高性能前照燈設(shè)計(jì)。

Led微型化可明顯縮小ADB矩陣大燈體積。micro-LED的進(jìn)一步發(fā)展將使汽車前照燈的功能集成化與所需的緊湊性完美結(jié)合。再說micro-LED也有先天的優(yōu)點(diǎn)，那就是只有在必要的時(shí)候才會(huì)發(fā)光，也就是說對(duì)于數(shù)字大燈而言，該技術(shù)比DMD具有明顯的效率優(yōu)勢(shì)。

而從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，完全一體化封裝micro-led工藝會(huì)比分立LED陣列明顯節(jié)約成本。所以micro-LED陣列必將成為智能數(shù)碼前照燈中效果最好和性價(jià)比最好的方案。據(jù)悉，上萬像素的數(shù)字化大燈已經(jīng)完成了樣品試制，預(yù)計(jì)2年后將裝配成新車上市。