多像素LED開啟智能照明應(yīng)用新視野

多像素LED技術(shù)的發(fā)展啟動(dòng)了汽車行業(yè)最為明顯的智能照明系統(tǒng)發(fā)展的巨大飛躍?，F(xiàn)在，第一款混合LED提供了超過1000個(gè)獨(dú)立可控像素的智能頭燈。正在研究先進(jìn)LED設(shè)備概念的Ralph Bertram和開發(fā)歐司朗光電半導(dǎo)體公司的普通照明光學(xué)解決方案的Norbert Harendt表示，汽車照明只是智能選擇性像素控制應(yīng)用的潛在領(lǐng)域之一。在一般照明中使用的選項(xiàng)，例如用于戶外，室內(nèi)，零售或工業(yè)應(yīng)用的信息顯示，是非常通用的。

“Omnipoint”示威者的細(xì)節(jié)

智能照明已成為一個(gè)日益引人注目的趨勢(shì)話題，不僅吸引了業(yè)界的關(guān)注，而且還吸引了廣大市民的注意。諸如智能家居，物聯(lián)網(wǎng)滲透以及LED技術(shù)進(jìn)步等趨勢(shì)是推動(dòng)市場(chǎng)增長(zhǎng)的一些關(guān)鍵因素。高度節(jié)能的LED技術(shù)，智能控制機(jī)制和傳感器來調(diào)節(jié)用戶舒適度的光線設(shè)置，以及像人類中心照明這樣的新概念，節(jié)能成為消費(fèi)者心目中的最前沿。

到目前為止，自適應(yīng)照明包括根據(jù)使用參數(shù)（如入住時(shí)間或一天中的時(shí)間）更改光強(qiáng)度和顏色。但是還有許多其他的應(yīng)用領(lǐng)域，其中智能空間自適應(yīng)照明可以為最終用戶提供許多好處，并為解決方案提供商開辟新的潛在市場(chǎng)。

傳統(tǒng)上，汽車行業(yè)在許多技術(shù)發(fā)展中處于領(lǐng)先地位。今天的汽車往往代表了許多消費(fèi)者擁有的最先進(jìn)的技術(shù)。幾乎現(xiàn)代汽車的每個(gè)方面都是高科技，并且使用最先進(jìn)的材料和解決方案。因此，汽車已經(jīng)成為展示技術(shù)發(fā)展的平臺(tái)，以及工程師和創(chuàng)新者的潛力和進(jìn)步。例如，自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)（AFS）有助于提高駕駛和道路安全。這些系統(tǒng)調(diào)整光線的方向，通過照亮曲線進(jìn)程，道路的一側(cè)或通過所謂的自適應(yīng)駕駛光束（ADB）幫助保護(hù)迎面而來的交通免受眩光的影響，從而為駕駛者提供最佳可見度。

那么，為什么不轉(zhuǎn)移到空間自適應(yīng)照明更早？很可能是因?yàn)榧夹g(shù)挑戰(zhàn)比其他照明系統(tǒng)更高。改變光的路徑需要移動(dòng)部件，如傾斜鏡或移動(dòng)鏡頭。過去，不可能提供經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，高效且充分可靠的解決方案，這也將實(shí)現(xiàn)專業(yè)照明系統(tǒng)所需的長(zhǎng)時(shí)間使用壽命。隨著LED技術(shù)的不斷小型化，出現(xiàn)了新的可能性，這些新的可能性有望為自適應(yīng)光源增加另一個(gè)維度：改變光源的光束圖案而不移動(dòng)部件。

應(yīng)用領(lǐng)域和要求

智能空間照明裝置在某些應(yīng)用中已經(jīng)司空見慣：當(dāng)走過時(shí)走廊會(huì)亮起，停車場(chǎng)僅在人員在場(chǎng)的情況下才亮起，辦公桌或廚房區(qū)域上方的燈光在不使用時(shí)會(huì)自動(dòng)變暗。

所有這些都可以通過為現(xiàn)有和新型燈具添加傳感器和智能來完成。例如，在走廊上，足以點(diǎn)亮或調(diào)暗3-5米的距離。在辦公室里，這已經(jīng)是一個(gè)不同的故事：有些人可能只想點(diǎn)亮他們的辦公桌，而不是周圍的區(qū)域。其他人希望在他們正在處理的紙張上有光束?？紤]到飛機(jī)，火車或汽車內(nèi)飾，可能只需要點(diǎn)亮乘客正在解決的填字游戲，并且不要打擾下一個(gè)想要睡覺的座位上的乘客。這也是家庭照明的一個(gè)非常有用的功能 - 例如，如果你喜歡在夜間閱讀，而你的伴侶早點(diǎn)睡覺。

博物館或餐館對(duì)適應(yīng)性照明有不同的要求。今天，他們通常需要通過燈具可以手動(dòng)調(diào)節(jié)的軌道系統(tǒng)來選擇一種靈活性或多或少的照明裝置。如果改變他們的桌子或藝術(shù)品的布置，最初選擇的燈光布置通常不太適合。然而，要改變燈具是耗時(shí)的并且因此是昂貴的。為了避免這種情況，新穎的照明系統(tǒng)需要數(shù)字控制和更精細(xì)的光點(diǎn)粒度，這使得通過常規(guī)手段難以或不可能實(shí)現(xiàn)。

在商店展示中，空間自適應(yīng)照明的好處更加明顯：通過平板電腦上的水龍頭即使從遠(yuǎn)程位置設(shè)置燈光重音，可以大大節(jié)省與設(shè)置商品展示相關(guān)的工作量和金錢。它還使用戶能夠在臨時(shí)通知中更改顯示的外觀和感覺，甚至無(wú)需觸摸它。

技術(shù)挑戰(zhàn)

這些應(yīng)用領(lǐng)域中的每一個(gè)對(duì)于必要的光照水平以及“粒度”都有不同的要求 - 這意味著要被照亮的每個(gè)“像素”的大小。在表1中，我們嘗試估計(jì)典型場(chǎng)景，包括特征尺寸，光源距離和結(jié)果光束角度。

估計(jì)的“粒度”（=目標(biāo)上的最小點(diǎn)）和不同應(yīng)用所需的光學(xué)參數(shù)

看一組參數(shù)，最大的挑戰(zhàn)在于每個(gè)單光束的細(xì)粒度。歐司朗在2015年開始用“Omnipoint”概念展示這種應(yīng)用場(chǎng)景[1]。在這種情況下，將近100個(gè)Oslon方形大功率LED組裝在筒燈配置的中空球體上。每個(gè)配備有自己的窄光束光學(xué)元件的LED指向房間內(nèi)不同的方向。通過單獨(dú)切換或調(diào)暗每個(gè)LED，可以平穩(wěn)調(diào)整房間內(nèi)的配光。

目標(biāo)上的點(diǎn)大小等于多點(diǎn)源中的“粒度”

通過在力學(xué)和光學(xué)方面的巨大努力，該夾具能夠滿足如上所述的要求苛刻的辦公應(yīng)用的要求，并且更接近滿足商店照明規(guī)范。然而，瞄準(zhǔn)小物體照明的應(yīng)用，如閱讀燈或復(fù)雜的商品照明，需要更多的像素和更小的光束。為了開發(fā)滿足這些要求的系統(tǒng)，需要采用不同的，更綜合的技術(shù)方法。

更多但更小的像素需要密集排列的LED，可以單獨(dú)尋址。因此，系統(tǒng)及其組件的小型化是關(guān)鍵要求，這將允許使用數(shù)百個(gè)光源的通用光學(xué)器件。反過來，這對(duì)保持系統(tǒng)的簡(jiǎn)單和實(shí)惠至關(guān)重要。

查看表中的要求，通過使用1mm的布置可以滿足許多應(yīng)用的每個(gè)像素的必要光照水平。每個(gè)LED都可提供典型的100流明，在超速模式下可達(dá)300流明。

然而，為了用這些光束照亮整個(gè)房間，需要數(shù)百甚至數(shù)千像素。因此，具有可以非常緊密地包裝在一起的高亮度發(fā)射體是非常重要的。圖3顯示了正在開發(fā)的新芯片尺寸“封裝”的陣列，其尺寸不大于芯片本身。事實(shí)上，它被設(shè)計(jì)成一種沒有任何封裝或框架的表面發(fā)射芯片。其緊湊性非常適合密集陣列，同時(shí)仍可通過標(biāo)準(zhǔn)SMD設(shè)備進(jìn)行管理。

這種新型可分組LED可提供LED組件可實(shí)現(xiàn)的最佳緊湊尺寸，并有助于滿足眾多應(yīng)用場(chǎng)景的要求。但即使有這樣的成就，在某些情況下，整個(gè)LED陣列的尺寸也會(huì)很難通過光學(xué)元件來管理。另外，驅(qū)動(dòng)LED仍然需要在具有外部電子器件的無(wú)源矩陣布置中實(shí)現(xiàn)。因此整合過程的下一步將是多像素LED。

表面發(fā)射芯片尺寸封裝陣列

邁向多像素光源

迄今為止，自適應(yīng)LED照明系統(tǒng)（包括汽車前照燈）已針對(duì)每個(gè)照明區(qū)域采用單獨(dú)控制的芯片進(jìn)行操作?，F(xiàn)在，多像素LED技術(shù)的發(fā)展正在推動(dòng)智能照明系統(tǒng)的發(fā)展，這在汽車行業(yè)中是可觀察到的。

在由德國(guó)研究與教育部資助的“μAFS”研究項(xiàng)目（發(fā)音為“micro AFS”）下，一組德國(guó)公司在2016年9月前工作了三年半，用于自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)的高效LED前照燈。歐司朗光電半導(dǎo)體擔(dān)任項(xiàng)目協(xié)調(diào)人，擔(dān)任領(lǐng)導(dǎo)角色，并為汽車行業(yè)以及芯片和轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域的LED照明解決方案提供廣泛的專業(yè)知識(shí)。

項(xiàng)目合作伙伴已開發(fā)出具有1024個(gè)獨(dú)立可控光點(diǎn)的像素光源。對(duì)于距離4.00×4.00mm的封閉發(fā)射表面0.115×0.115mm，網(wǎng)格尺寸為0.125mm的單獨(dú)像素表面，這些提供僅約11毫安（mA）的僅3毫安（lm）。它們以32×32的陣列排列在有源矩陣IC上，因此每個(gè)像素都可以單獨(dú)尋址。最初為汽車前照燈應(yīng)用開發(fā)，它也可能使商店照明和閱讀燈應(yīng)用所需的精細(xì)粒度。

另一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是控制選項(xiàng)，例如通過攝像頭和控制器之間的交互。攝像機(jī)充當(dāng)系統(tǒng)的“眼睛”，捕獲有關(guān)周圍環(huán)境的信息并將其轉(zhuǎn)發(fā)給控制器。這個(gè)“大腦”處理信息，并以數(shù)字格式將適當(dāng)調(diào)整的光分布圖案轉(zhuǎn)發(fā)給像素。每個(gè)像素可以用不同的電流開啟和關(guān)閉，每秒不止10萬(wàn)次，因此可以變暗。根據(jù)情況，系統(tǒng)決定哪些像素會(huì)受到影響。在汽車應(yīng)用中，交通標(biāo)志（例如）將被照亮，以便駕駛員可以清楚地看到它們，而不會(huì)被自己車頭燈反射的眩光所震撼。

然而，汽車照明只是其中可以應(yīng)用智能選擇性像素控制的潛在領(lǐng)域之一。在一般照明中使用的選項(xiàng)，例如用于戶外，室內(nèi)，零售或工業(yè)應(yīng)用的信息顯示，是非常通用的。

光學(xué)設(shè)計(jì)師面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇

從分立鏡頭轉(zhuǎn)向集成陣列，我們也面臨著光學(xué)設(shè)計(jì)方面的重大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)意義上的照明光學(xué)器件總是關(guān)于模糊光源，而不是在墻上形成圖像。這也是關(guān)于消除任何焦點(diǎn)，所以聚光燈發(fā)出單一的，均勻的，稍微發(fā)散的光束。

如果我們想創(chuàng)建一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，可以將來自不同像素的光線發(fā)送到不同的方向，我們需要再次回到成像系統(tǒng)。在光學(xué)術(shù)語(yǔ)中，這是將空間圖案轉(zhuǎn)換成角度圖案的簡(jiǎn)單任務(wù)。

該任務(wù)與用廣角（“魚眼”）鏡頭以相反的方式用于相機(jī)成像時(shí)沒有什么不同：它將來自不同角度的光線投射到檢測(cè)器上的不同相機(jī)像素。它與圖像投影儀光學(xué)系統(tǒng)沒有多大區(qū)別，它可以將圖像上不同點(diǎn)的光線導(dǎo)向房間內(nèi)的不同角度。

然而，使用LED作為光源，主要區(qū)別在于接收角度如圖4所示：對(duì)于攝像機(jī)鏡頭，射線以什么角度射到傳感器上并不重要。在投影機(jī)中，光線通常是預(yù)先準(zhǔn)直的，所以圖像是由或多或少平行的光線形成的，光學(xué)器件只需要接受有限范圍的入射角。另外，效率不是這些系統(tǒng)的主要目標(biāo)。

成像攝像機(jī)系統(tǒng)（左側(cè)）和照明系統(tǒng)（右側(cè)）之間的區(qū)別 - 請(qǐng)注意照明系統(tǒng)光源所需的大角度孔徑 成像攝像機(jī)系統(tǒng)（左側(cè)）和照明系統(tǒng)（右側(cè)）之間的區(qū)別 - 請(qǐng)注意照明系統(tǒng)光源所需的大角度孔徑

對(duì)于我們的由單個(gè)LED形成的像素系統(tǒng)，每個(gè)像素都會(huì)發(fā)射光線進(jìn)入整個(gè)半球。因此，光學(xué)器件不僅需要將空間轉(zhuǎn)換為角度圖案，還需要盡可能多地捕獲發(fā)射的光線 - 也就是發(fā)射到側(cè)面的光線 - 并使其朝向正確的方向。標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)器件絕對(duì)不可能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，并且需要具有多個(gè)相對(duì)較大透鏡的復(fù)雜光學(xué)設(shè)計(jì)。由于它仍然是照明光學(xué)器件，因此對(duì)圖像質(zhì)量的最終要求不是必需的。然而，為了將光源的3個(gè)MacAdams步驟分布轉(zhuǎn)移到成像區(qū)域，色彩校正的要求很高。無(wú)論哪種方式，圖像的輕微“模糊”都需要隱藏房間內(nèi)LED芯片的結(jié)構(gòu)。

對(duì)于光學(xué)設(shè)計(jì)師來說，這絕對(duì)是一個(gè)新的有趣的任務(wù)：合并成像光學(xué)和照明光學(xué)的“兩個(gè)世界”，為空間自適應(yīng)照明創(chuàng)造真正新穎的解決方案。

競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)

開啟和關(guān)閉像素不需要新技術(shù)。具有LCD和微鏡技術(shù)的數(shù)字投影儀都可以使用并提供數(shù)百萬(wàn)像素。但是，這些設(shè)備是為了顯示信息而設(shè)計(jì)的，而不是用于照明目的。因此，他們使用RGB顏色進(jìn)行操作 - 這非常適合顯示圖像，但在用作照亮房間的源時(shí)會(huì)產(chǎn)生可怕的顏色印象。除此之外，它們通過永久創(chuàng)建高亮度級(jí)并在應(yīng)該黑暗的像素處再次吸收光來進(jìn)行操作。這不僅非常低效，而且黑白對(duì)比度也有限。

使用LED光源，其中像素僅在實(shí)際需要時(shí)才點(diǎn)亮，這是自適應(yīng)系統(tǒng)的高效節(jié)能模式，可用于通用照明目的。它還允許設(shè)計(jì)具有較小散熱片的系統(tǒng)，并且可以實(shí)現(xiàn)無(wú)風(fēng)扇噪聲的被動(dòng)散熱。

由于該技術(shù)非常耐用，因此也可以用于戶外照明等更惡劣的環(huán)境中。因此可將其引入建筑照明或安裝在舞臺(tái)和電影燈中的移動(dòng)裝置上。

藝術(shù)家對(duì)自適應(yīng)商店照明系統(tǒng)的看法

結(jié)論

在實(shí)現(xiàn)“自適應(yīng)照明”時(shí)，可以改變燈光級(jí)別和色溫以及每個(gè)燈具發(fā)出的光線的分布，從而在一天中真正創(chuàng)建不同的照明場(chǎng)景或適應(yīng)這種情況。

由O研究人員基于單個(gè)LED的第一個(gè)示范系統(tǒng)已經(jīng)用“Omnipoint”系統(tǒng)展示出來，這個(gè)系統(tǒng)令人印象深刻地展示了這個(gè)概念。從那時(shí)起，光源的小型化使外形尺寸縮小并增加了越來越多的功能。芯片尺寸封裝（CSP）設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，特別是在最緊湊的新一代LED的情況下，允許添加越來越多的像素和平面設(shè)計(jì)。未來，當(dāng)LED尺寸真正進(jìn)入千分尺時(shí)，我們將看到更多像素和集成（有源矩陣）設(shè)計(jì)。

多像素LED正處于投放市場(chǎng)的早期階段，為普通照明應(yīng)用提供更多選擇。這項(xiàng)技術(shù)將把照明提升到一個(gè)新的水平，因?yàn)樗鼮樽赃m應(yīng)照明增加了另一個(gè)維度：光的空間轉(zhuǎn)向，沒有任何移動(dòng)部件，或者降低了我們用于LED的高能效水平。