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，集成化三個維度發(fā)展。

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

鑒于車燈變薄的趨勢，也需要led光源體積扁平化，因為車燈開口越小，勢必導致光損耗越大，繼而使整個體系光學效率越高，若要保證大燈的照明性能不變，則需要光源的大小也應進一步扁平化和高亮度化。

下圖說明了車燈高度和led光源尺寸的一個線性對應關系，例如，要設計12mm透鏡高度的車燈，來實現(xiàn)光學擴展量為3°的像素高度，led芯片的高度尺寸必須控制在0.68mm以內，否則整個光學系統(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關系。

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下的近光，甚至達到法規(guī)要求，對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。即假定光學模組的光學效率為40%至55%，則近光led光源的光通量應至少為1500 lm至2000 lm。再假定大燈內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供應商們開發(fā)下一代高亮度led芯片

圖2為假設為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。

若使用單芯led的高度是0.68 mm時，當具有2°以下的光學擴展度像元高度時，根據(jù)圖1的函數(shù)關系，遠光透鏡模組的高度值將會大于它的光學擴展量的約束。結合光學零件和玻璃透鏡光的損耗，進一步的光學模擬可以計算出模組的光學效率是38%，這種效率是很低的。

圖3：左：近光光學模擬。右：遠光光學模擬

若要led芯片超出200 Mcd/m2的亮度，則需重新優(yōu)化LED芯片結構和整個光學系統(tǒng)，以期獲得更高的能量密度。在led芯片領域，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，如果想要實現(xiàn)200 Mcd/m2能量密度，led芯片電流密度應該增加到5-8A/mm2，所以有必要對led外延區(qū)進行重新規(guī)劃，增加外延區(qū)電流密度及電遷移的同時盡量降低熒光粉抑制。現(xiàn)若要達到500 Mcd/m2的能量密度，我們預計在電流密度為8 A/mm2的情況下，led 的結點處需要>30%的光電轉換效率。所以，有必要對車燈的散熱系統(tǒng)進行優(yōu)化。正如圖4所顯示的那樣，LED芯片會在較大電流密度時獲益于優(yōu)化車燈散熱系統(tǒng)。結溫由110°C下降到85°C，電流可望下降接近1 A。這種下降對于提高效率，延長led壽命都是非常有益的。

圖4:在不同結溫下 LED光通量和輸入電流的關系

圖4為不同led結溫下光輸出與電流的關系曲線。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，這導致ADB模組的尺寸越來越大，同時系統(tǒng)的光學效率和散熱問題也成了主要問題。自適應ADB的功能整合進一步推動了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計前置光學系統(tǒng)，這些前置光學系統(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系統(tǒng)，降低模組的深度。

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

現(xiàn)有汽車級別微型化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/側涂硅基密封劑從而實現(xiàn)光學隔離。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)。針對光學性能及成本問題，需要開發(fā)新的led芯片結構，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。矩陣模組采用直徑40mm圓透鏡，透鏡中心可通過光學模擬達到最大對比度1:200像素分區(qū)亮點。為了使得遠光光型分布更加均勻，彌補像素之間由于縫隙形成暗區(qū)的問題，需要優(yōu)化透鏡設計，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，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，而每一個led芯片的光學控制都是相互獨立的，led芯片之間的縫隙最小。此時需要采用經(jīng)過CMOS集成、單個led顆?？勺灾骺刂频碾娐废嗷ミB接，這樣才能在公路上成像圖案由更高一級協(xié)議進行控制。

綜合這些新型數(shù)字大燈技術方案對研發(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設計同步。

功能集成化的最終應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、與導航或攝像系統(tǒng)相關聯(lián)的隨動轉向、近光截止線的自適應調節(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對比度。對遠光進行ADB分區(qū)以具有更低分辨率為目的，對一個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，我們由此可依此推斷對應ADB功能所需分辨率。例如對于車道投影，假定縱橫比為1:3的led陣列板我們就能直接算出要達到清晰車道投影所需的最小19000像素。一個通常的遠光需要在250 m內產(chǎn)生至少1 lx照度的光（相當于65000 cd）。通過光學公式換算，照度=光通量/立體角的關系，我們可以計算出每芯片所需的光通量為0.14 lm/芯。假設ADB系統(tǒng)33%的光學效率，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陣列的體系結構以滿足市場ADB的需求，存在許多技術難點。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。面積縮小而要達到同樣的光輸出需要相應增加電流密度，從而降低整體光學效率10%。micro-led內的光電躍遷和邊緣的非輻射重組將進一步抑制效率，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。因此這是一對相互沖突的計劃。不管怎么說，以上這些困難都是led廠商必須要解決的問題，隨著技術的發(fā)展，這些問題都可以克服。

LED光源的總結和展望

總之，新造型、新功能不斷促進led技術進步的同時，LED新技術正迅速地促進汽車大燈新造型與新功能的運用。增加led亮度水平可達到超薄且高性能前照燈設計。

Led微型化可明顯縮小ADB矩陣大燈體積。micro-LED的進一步發(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合。再說micro-LED也有先天的優(yōu)點，那就是只有在必要的時候才會發(fā)光，也就是說對于數(shù)字大燈而言，該技術比DMD具有明顯的效率優(yōu)勢。

而從長遠看，完全一體化封裝micro-led工藝會比分立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，預計2年后將裝配成新車上市。