LED车灯光源的核心技术报告

2024-05-16 06:10:51 | 作者：BOB体育地址

　　纵观上海车展上推出的众多车型，车灯扁平化设计依然是汽车造型设计发展的主要趋势。这些造型趋势必然对大灯远近光设计提出诸多挑战，同时在大灯中融入更多功能如ADB和道路投影。近光不再局限于是一个静止的光型，远光也配备有智能防眩目，同时一些附加的功能用来适用各种复杂的天气条件，道路情况和交通状况。

　　综上所述，在数字化、智能化持续不断的发展的今天，车灯功能的持续不断的增加以及外形所需的开口尺寸的不断缩小，均对led光源提出了不同挑战。这些新挑战促使LED光源朝着高亮度，微型化，集成化三个维度发展。

　　鉴于车灯变薄的趋势，也需要led光源体积扁平化，因为车灯开口越小，势必导致光损耗越大，继而使整个体系光学效率越高，若要保证大灯的照明性能不变，则需要光源的大小也应进一步扁平化和高亮度化。

　　下图说明了车灯高度和led光源尺寸的一个线性对应关系，例如，要设计12mm透镜高度的车灯，来实现光学扩展量为3°的像素高度，led芯片的高度尺寸必须控制在0.68mm以内，否则整个光学系统的效率会大大降低。

　　即便CCC/ECE/SAE允许远近光照明仅满足最低法规值，但是对大多数车厂而言，需要仔细考虑的是最终用户的要求，一般而言，600lm下的近光，甚至达到法规要求，对最终用户造成偏暗的影响。也就是使用户得到满足需求的LED近光目前最少要有800 lm~1000 lm的路面照明。即假定光学模组的光学效率为40%至55%，则近光led光源的光通量应至少为1500 lm至2000 lm。再假定大灯内有一到三个近光透镜模组，则每个LED透镜模组的光源光输出为500 lm到2000 lm的光源。因此，通过以上简单的数学计算，对于通常发光面积为~1 mm²的大功率LED颗粒，亮度水平要达到150 Mcd/m²到500 Mcd/m²的亮度，才可以做到光输出分别为500 lm和2000 lm。

　　当前主流的LED制程技术能实现200 Mcd/m²左右的亮度水平。为了达到更高的性能水平，则需要Led供应商们开发下一代高亮度led芯片

　　图2为假设为12 mm高的薄透镜大灯的示例。它由两个近光透镜模组和两个远光透镜模组组成。

　　若使用单芯led的高度是0.68 mm时，当具有2°以下的光学扩展度像元高度时，根据图1的函数关系，远光透镜模组的高度值将会大于它的光学扩展量的约束。结合光学零件和玻璃透镜光的损耗，进一步的光学模拟可以计算出模组的光学效率是38%，这种效率是很低的。

　　若要led芯片超出200 Mcd/m²的亮度，则需重新优化LED芯片结构和整个光学系统，以期获得更高的单位体积内的包含的能量。在led芯片领域，最大限度地避免led效率降低是核心。

　　如今led芯片电流密度通常在3 A/mm2附近，如果想要实现200 Mcd/m2单位体积内的包含的能量，led芯片电流密度应该增加到5-8A/mm2，所以有必要对led外延区进行重新规划，增加外延区电流密度及电迁移的同时尽可能降低荧光粉抑制。现若要达到500 Mcd/m²的单位体积内的包含的能量，我们预计在电流密度为8 A/mm²的情况下，led 的结点处需要30%的光电转换效率。所以，有必要对车灯的散热系统来进行优化。正如图4所显示的那样，LED芯片会在较大电流密度时获益于优化车灯散热系统。结温由110°C下降到85°C，电流可望下降接近1 A。这种下降对于提高效率，延长led寿命都是非常有益的。

　　图4为不同led结温下光输出与电流的关系曲线。LED芯片的发光面积为1mm²。虚线 lm的极限值，相当于500 Mcd/m²（假设远场中的朗伯辐射模式和整个发光面积的亮度均匀）。

　　还有新的车灯功能如矩阵ADB，要求每颗led芯片都能单独供电和控制，成百上千颗的led芯片集成在一块led板上，这导致ADB模组的尺寸慢慢的变大，同时系统的光学效率和散热问题也成了主体问题。自适应ADB的功能整合逐步推动了led光源的微型化。

　　目前基于单颗LED阵列的ADB矩阵模组已经上市多年。然而，这些模块常常要设计前置光学系统，这些前置光学系统加深了透镜模块的深度（见图5左）。若使用尺寸更小，更微型化，更高亮度的led阵列，能够尽可能的防止额外的前置光学系统，降低模组的深度。

　　图5：左：使用准直透镜的矩阵模组的光学系统。右图：紧密排列LED阵列直接成像的光学系统。

　　现有汽车级别微型化led阵列制作的过程为：首先在平板上制作led芯片阵列并通过充填/侧涂硅基密封剂以此来实现光学隔离。此法存在着很多弊端。一、填充层的不透明性随着填充厚度的增加而降低因此很难降低led芯片之间的杂散光，造成矩阵分区像素之间的对比度低。另外，打造3行以上led阵列也面临着制造、成本等诸多挑战。针对光学性能及成本问题，需要开发新的led芯片结构，以此来实现紧密排列、最小串光和可阵列配置的微型化led芯片（如图6显示的微型化led示意图）

　　图7展示的是一个矩阵大灯的实物示例，使用13个间距很近的LUXEON Neo Exact LED，每相邻2颗的间距只有50μm。矩阵模组采用直径40mm圆透镜，透镜中心可通过光学模拟达到最大对比度1:200像素分区亮点。为了使得远光光型分布更加均匀，弥补像素之间由于缝隙形成暗区的问题，需要优化透镜设计，使得像素分区之间更加平滑。若使用硅基密封剂涂覆同样的LED阵列，像素对比度仅为1:60。

　　图7：使用13颗紧密排列的LUXEON Neo Exact LED的矩阵系统，led阵列发光间隙只有50μm。左上：系统前视图，右上：电路板图纸，左下：所有LED亮起的模拟光型，右下：每秒LED熄灭的模拟光型。

　　还有新的全数字车灯技术，比如道路投影，分辨率更高，甚至提高到了上万像素的规模，需要led的制程工艺提升到小于50μm x 50μm的micro级别，而每一个led芯片的光学控制都是相互独立的，led芯片之间的缝隙最小。此时需要采用经过CMOS集成、单个led颗粒可自主控制的电路相互连接，这样才可以在公路上成像图案由更高一级协议进行控制。

　　综合这些新型数字大灯技术方案对研发颠覆性创新micro-led系统带来要求，要求高分辨率与微型光学设计同步。

　　功能集成化的最终应用就是分辨率更高的数字前大灯。若LED阵列有充足的分辨率及尺寸精度，单个数字大灯可生成多种光型。功包含高分辨率ADB、AFS功能、与导航或摄像系统相关联的随动转向、近光截止线的自适应调节功能，车道标线、障碍物和标志高亮显示等。micro-LED的需求都可以从这些应用中派生出来。

　　在ADB系统中，要求在水平方向上至少有+/-12°的发光角度。要为图案建立足够清晰的截止线对比度。对远光进行ADB分区以具有更低分辨率为目的，对一个0.085°的亮点在50m远处是一个宽7.5厘米，长4米的一个矩形亮斑，我们由此可依此推断对应ADB功能所需分辨率。例如对于车道投影，假定纵横比为1:3的led阵列板我们就能直接算出要达到清晰车道投影所需的最小19000像素。一个通常的远光需要在250 m内产生至少1 lx照度的光（相当于65000 cd）。通过光学公式换算，照度=光通量/立体角的关系，我们大家可以计算出每芯片所需的光通量为0.14 lm/芯。假设ADB系统33%的光学效率，每颗LED芯片需要出示0.43 lm/芯。若使用90 Mcd/m²的合理光源亮度，我们大家可以估算micro-led阵列的单科发光面积为40μm x 40μm。

　　如果需要led阵列的体系结构以满足市场ADB的需求，存在许多技术难点。首先，要创建一个约20000个密集像素的micro-LED阵列，很明显micro-led阵列必须由单块或几个大的子块组装而成，而每颗micro-led是一个芯片分区。每颗芯片的寻址一定要通过CMOS驱动来完成（见图8）。

　　对led芯片和CMOS的集成，一个主要挑战是对比度和整体效率。当单颗micro-led芯片的尺寸为40μm 时，在每颗芯片之间基本上没有空间来隔离串光。如果Micro-led之间的间距留10μm，这样将使led的发光面积减小到30μm x 30μm，与-40μm x 40μm的发光面积相比，面积减小了40%以上。面积缩小而要达到同样的光输出需要相应增加电流密度，以此来降低整体光学效率10%。micro-led内的光电跃迁和边缘的非辐射重组将进一步抑制效率，解决的方法是使led发光面积增大，但这反而使led和系统的成本大幅度的增加。因此这是一对相互冲突的计划。不管怎么说，以上这些困难都是led厂商必须要解决的问题，随技术的发展，这样一些问题都可以克服。

　　总之，新造型、新功能不断促进led技术进步的同时，LED新技术正迅速地促进汽车大灯新造型与新功能的运用。增加led亮度水平可达到超薄且高性能前照灯设计。

　　Led微型化可明显缩小ADB矩阵大灯体积。micro-LED的逐步发展将使汽车前照灯的功能集成化与所需的紧凑性完美结合。再说micro-LED也有先天的优点，那就是只有在必要的时候才会发光，也就是说对于数字大灯而言，该技术比DMD有着非常明显的效率优势。

　　而从长远看，完全一体化封装micro-led工艺会比分立LED阵列明显节省本金。所以micro-LED阵列必将成为智能数码前照灯中效果最好和性价比最好的方案。据悉，上万像素的数字化大灯已完成了样品试制，预计2年后将装配成新车上市。

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