隨著數字化和智能化的發展，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。這些全新的挑戰推動了LED光源向3個維度發展，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光源的發展方向。

　　高亮度

　　為了應對車燈變薄的趨勢，led光源尺寸也需要扁平化，因為車燈的開口尺寸越小，勢必導致更多的光損耗，從而整個系統的光學效率更低，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關系，例如，要設計12mm透鏡高度的車燈，來實現光學擴展量為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值，但是對大多數車廠而言，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要求，對最終用戶來說也偏暗。符合用戶要求的LED近光，現在至少需要路面照明800 lm到1000 lm。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，通過以上簡單的數學計算，對于通常發光面積為~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0.68 mm高度的單芯led，當光學擴展度的像素高度小于2°時，根據圖1 的函數關系，遠光透鏡模組的高度值超出了它的光學擴展量極限。考慮到光學零件和玻璃透鏡的光損失，進一步的光學模擬可以計算出模組的光學效率為38%，而這個效率偏低。

　　圖2：假設具有四個高度為12 mm的透鏡模組的示例系統

　　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，則需重新優化LED芯片結構和整個光學系統，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。

　　現在的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，因此需要重新設計led外延區，在外延區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。因此需要優化車燈散熱系統。如圖4所示，LED芯片在更高電流密度下將從優化的車燈散熱系統中受益匪淺。結溫從110°C降至85°C時，預計電流將減少近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，這導致了ADB模組的尺寸增加，同時系統的光學效率和散熱也是一個大問題。自適應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矩陣模組已經上市多年。然而，這些模組通常需要設計前置光學系統，這些前置光學系統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系統，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系統。右圖：緊密排列LED陣列直接成像的光學系統。

　　目前汽車級別的微型化led陣列的生產方法是先在板上做出led芯片陣列，然后通過填充/側涂硅基密封劑，這樣來產生光學的隔離。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，矩陣分區像素之間的對比度很低。此外，在創建大于3排的led陣列時，制造和成本方面的挑戰很大。為了解決光學性能和成本問題，需要開發新的led芯片結構，從而實現緊密排列、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，通過光學模擬，透鏡中心可以實現一個最大對比度為1:200的像素分區亮點。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生的暗區，需要優化透鏡的設計，從而使像素分區之間更加平滑。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，led陣列發光間隙只有50μm。左上：系統前視圖，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議來控制道路上的成像圖案。

　　結合這些新的數字大燈技術方案，給開發顛覆性創新的micro-led系統提出了需求，需要同時實現高分辨率和微型光學設計。

　　功能集成化的終極應用是更高分辨率的數字大燈。如果LED陣列的分辨率和尺寸精度足夠高，一個數字大燈就可以產生各種光型。包含高分辨率ADB、AFS功能、與導航或攝像系統相關聯的隨動轉向、近光截止線的自適應調節功能，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。

　　對于ADB系統，至少需要水平方向+/-12°的發光角度。為了給圖案創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，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，我們因此可以據此推算出相應的ADB功能需要多少的分辨率。比如對車道投影來說，假設是1:3縱橫比的led陣列板，我們可以直接計算出實現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內產生至少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。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的發光面積減小到30μm x 30μm，與-40μm x 40μm的發光面積相比，面積減小了40%以上。面積減少而要達到同樣的光輸出，需要相應的增加電流密度，從而將使整體的光學效率降低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發光面積擴大，但這反過來又會迅速增加led和系統的成本。因此這是一對相互矛盾的解決方案。

　　不管如何，以上這些挑戰都是led廠商的挑戰，隨著技術的發展，都是可以克服的。

　　LED光源的總結和展望

　　綜上所述，新造型新功能在推動led技術的發展，而LED新技術也正在快速推動汽車大燈的新造型和新功能應用。提高led的亮度水平，可以實現超薄而且性能高的前照燈設計。Led的微型化 ，可以顯著減少ADB矩陣大燈的尺寸。而micro-LED的進一步發展將使汽車前燈的功能集成與所需的緊湊性相結合。況且micro-LED還有一個天生的優勢，即只在需要時產生光，這意味著對數字大燈來說，這種技術相比DMD有著顯著的效率優勢。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工藝將顯著節省成本。因此micro-LED陣列將是智能數字化前照燈的最有效和最具成本效益的解決方案。