多像素LED技術開啟了智能照明應用的新視野

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多像素LED技術的發展啟動了汽車行業最為明顯的智能照明系統發展的巨大飛躍。現在，第一款混合LED提供了超過1000個獨立可控像素的智能頭燈。正在研究先進LED設備概念的Ralph Bertram和開發歐司朗光電半導體公司的普通照明光學解決方案的Norbert Harendt表示，汽車照明只是智能選擇性像素控制應用的潛在領域之一。在一般照明中使用的選項，例如用於戶外，室內，零售或工業應用的信息顯示，是非常通用的。

「Omnipoint」示威者的細節

智能照明已成為一個日益引人注目的趨勢話題，不僅吸引了業界的關注，而且還吸引了廣大市民的注意。諸如智能家居，物聯網滲透以及LED技術進步等趨勢是推動市場增長的一些關鍵因素。高度節能的LED技術，智能控制機制和感測器來調節用戶舒適度的光線設置，以及像人類中心照明這樣的新概念，節能成為消費者心目中的最前沿。

到目前為止，自適應照明包括根據使用參數（如入住時間或一天中的時間）更改光強度和顏色。但是還有許多其他的應用領域，其中智能空間自適應照明可以為最終用戶提供許多好處，並為解決方案提供商開闢新的潛在市場。

傳統上，汽車行業在許多技術發展中處於領先地位。今天的汽車往往代表了許多消費者擁有的最先進的技術。幾乎現代汽車的每個方面都是高科技，並且使用最先進的材料和解決方案。因此，汽車已經成為展示技術發展的平台，以及工程師和創新者的潛力和進步。例如，自適應前照燈系統（AFS）有助於提高駕駛和道路安全。這些系統調整光線的方向，通過照亮曲線進程，道路的一側或通過所謂的自適應駕駛光束（ADB）幫助保護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。

那麼，為什麼不轉移到空間自適應照明更早？很可能是因為技術挑戰比其他照明系統更高。改變光的路徑需要移動部件，如傾斜鏡或移動鏡頭。過去，不可能提供經濟實惠，高效且充分可靠的解決方案，這也將實現專業照明系統所需的長時間使用壽命。隨著LED技術的不斷小型化，出現了新的可能性，這些新的可能性有望為自適應光源增加另一個維度：改變光源的光束圖案而不移動部件。

應用領域和要求

智能空間照明裝置在某些應用中已經司空見慣：當走過時走廊會亮起，停車場僅在人員在場的情況下才亮起，辦公桌或廚房區域上方的燈光在不使用時會自動變暗。

所有這些都可以通過為現有和新型燈具添加感測器和智能來完成。例如，在走廊上，足以點亮或調暗3-5米的距離。在辦公室里，這已經是一個不同的故事：有些人可能只想點亮他們的辦公桌，而不是周圍的區域。其他人希望在他們正在處理的紙張上有光束。考慮到飛機，火車或汽車內飾，可能只需要點亮乘客正在解決的填字遊戲，並且不要打擾下一個想要睡覺的座位上的乘客。這也是家庭照明的一個非常有用的功能 - 例如，如果你喜歡在夜間閱讀，而你的伴侶早點睡覺。

博物館或餐館對適應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調節的軌道系統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，要改變燈具是耗時的並且因此是昂貴的。為了避免這種情況，新穎的照明系統需要數字控制和更精細的光點粒度，這使得通過常規手段難以或不可能實現。

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

技術挑戰

這些應用領域中的每一個對於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「像素」的大小。在表1中，我們嘗試估計典型場景，包括特徵尺寸，光源距離和結果光束角度。

估計的「粒度」（=目標上的最小點）和不同應用所需的光學參數

看一組參數，最大的挑戰在於每個單光束的細粒度。歐司朗在2015年開始用「Omnipoint」概念展示這種應用場景[1]。在這種情況下，將近100個Oslon方形大功率LED組裝在筒燈配置的中空球體上。每個配備有自己的窄光束光學元件的LED指向房間內不同的方向。通過單獨切換或調暗每個LED，可以平穩調整房間內的配光。

目標上的點大小等於多點源中的「粒度」

通過在力學和光學方面的巨大努力，該夾具能夠滿足如上所述的要求苛刻的辦公應用的要求，並且更接近滿足商店照明規範。然而，瞄準小物體照明的應用，如閱讀燈或複雜的商品照明，需要更多的像素和更小的光束。為了開發滿足這些要求的系統，需要採用不同的，更綜合的技術方法。

更多但更小的像素需要密集排列的LED，可以單獨定址。因此，系統及其組件的小型化是關鍵要求，這將允許使用數百個光源的通用光學器件。反過來，這對保持系統的簡單和實惠至關重要。

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

然而，為了用這些光束照亮整個房間，需要數百甚至數千像素。因此，具有可以非常緊密地包裝在一起的高亮度發射體是非常重要的。圖3顯示了正在開發的新晶元尺寸「封裝」的陣列，其尺寸不大於晶元本身。事實上，它被設計成一種沒有任何封裝或框架的表面發射晶元。其緊湊性非常適合密集陣列，同時仍可通過標準SMD設備進行管理。

這種新型可分組LED可提供LED組件可實現的最佳緊湊尺寸，並有助於滿足眾多應用場景的要求。但即使有這樣的成就，在某些情況下，整個LED陣列的尺寸也會很難通過光學元件來管理。另外，驅動LED仍然需要在具有外部電子器件的無源矩陣布置中實現。因此整合過程的下一步將是多像素LED。

表面發射晶元尺寸封裝陣列

邁向多像素光源

迄今為止，自適應LED照明系統（包括汽車前照燈）已針對每個照明區域採用單獨控制的晶元進行操作。現在，多像素LED技術的發展正在推動智能照明系統的發展，這在汽車行業中是可觀察到的。

在由德國研究與教育部資助的「μAFS」研究項目（發音為「micro AFS」）下，一組德國公司在2016年9月前工作了三年半，用於自適應前照燈系統的高效LED前照燈。歐司朗光電半導體擔任項目協調人，擔任領導角色，並為汽車行業以及晶元和轉換技術領域的LED照明解決方案提供廣泛的專業知識。

項目合作夥伴已開發出具有1024個獨立可控光點的像素光源。對於距離4.00×4.00mm的封閉發射表面0.115×0.115mm，網格尺寸為0.125mm的單獨像素表面，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，因此每個像素都可以單獨定址。最初為汽車前照燈應用開發，它也可能使商店照明和閱讀燈應用所需的精細粒度。

另一個主要優勢是控制選項，例如通過攝像頭和控制器之間的交互。攝像機充當系統的「眼睛」，捕獲有關周圍環境的信息並將其轉發給控制器。這個「大腦」處理信息，並以數字格式將適當調整的光分布圖案轉發給像素。每個像素可以用不同的電流開啟和關閉，每秒不止10萬次，因此可以變暗。根據情況，系統決定哪些像素會受到影響。在汽車應用中，交通標誌（例如）將被照亮，以便駕駛員可以清楚地看到它們，而不會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用智能選擇性像素控制的潛在領域之一。在一般照明中使用的選項，例如用於戶外，室內，零售或工業應用的信息顯示，是非常通用的。

光學設計師面臨的挑戰和機遇

從分立鏡頭轉向集成陣列，我們也面臨著光學設計方面的重大挑戰。傳統意義上的照明光學器件總是關於模糊光源，而不是在牆上形成圖像。這也是關於消除任何焦點，所以聚光燈發出單一的，均勻的，稍微發散的光束。

如果我們想創建一個光學系統，可以將來自不同像素的光線發送到不同的方向，我們需要再次回到成像系統。在光學術語中，這是將空間圖案轉換成角度圖案的簡單任務。

該任務與用廣角（「魚眼」）鏡頭以相反的方式用於相機成像時沒有什麼不同：它將來自不同角度的光線投射到檢測器上的不同相機像素。它與圖像投影儀光學系統沒有多大區別，它可以將圖像上不同點的光線導向房間內的不同角度。

然而，使用LED作為光源，主要區別在於接收角度如圖4所示：對於攝像機鏡頭，射線以什麼角度射到感測器上並不重要。在投影機中，光線通常是預先準直的，所以圖像是由或多或少平行的光線形成的，光學器件只需要接受有限範圍的入射角。另外，效率不是這些系統的主要目標。

成像攝像機系統（左側）和照明系統（右側）之間的區別 - 請注意照明系統光源所需的大角度孔徑

對於我們的由單個LED形成的像素系統，每個像素都會發射光線進入整個半球。因此，光學器件不僅需要將空間轉換為角度圖案，還需要儘可能多地捕獲發射的光線 - 也就是發射到側面的光線 - 並使其朝向正確的方向。標準光學器件絕對不可能實現這一點，並且需要具有多個相對較大透鏡的複雜光學設計。由於它仍然是照明光學器件，因此對圖像質量的最終要求不是必需的。然而，為了將光源的3個MacAdams步驟分布轉移到成像區域，色彩校正的要求很高。無論哪種方式，圖像的輕微「模糊」都需要隱藏房間內LED晶元的結構。

對於光學設計師來說，這絕對是一個新的有趣的任務：合併成像光學和照明光學的「兩個世界」，為空間自適應照明創造真正新穎的解決方案。

競爭技術

開啟和關閉像素不需要新技術。具有LCD和微鏡技術的數字投影儀都可以使用並提供數百萬像素。但是，這些設備是為了顯示信息而設計的，而不是用於照明目的。因此，他們使用RGB顏色進行操作 - 這非常適合顯示圖像，但在用作照亮房間的源時會產生可怕的顏色印象。除此之外，它們通過永久創建高亮度級並在應該黑暗的像素處再次吸收光來進行操作。這不僅非常低效，而且黑白對比度也有限。

使用LED光源，其中像素僅在實際需要時才點亮，這是自適應系統的高效節能模式，可用於通用照明目的。它還允許設計具有較小散熱片的系統，並且可以實現無風扇雜訊的被動散熱。

由於該技術非常耐用，因此也可以用於戶外照明等更惡劣的環境中。因此可將其引入建築照明或安裝在舞台和電影燈中的移動裝置上。

藝術家對自適應商店照明系統的看法

結論

在實現「自適應照明」時，可以改變燈光級別和色溫以及每個燈具發出的光線的分布，從而在一天中真正創建不同的照明場景或適應這種情況。

由O研究人員基於單個LED的第一個示範系統已經用「Omnipoint」系統展示出來，這個系統令人印象深刻地展示了這個概念。從那時起，光源的小型化使外形尺寸縮小並增加了越來越多的功能。晶元尺寸封裝（CSP）設計的實現，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計。未來，當LED尺寸真正進入千分尺時，我們將看到更多像素和集成（有源矩陣）設計。

多像素LED正處於投放市場的早期階段，為普通照明應用提供更多選擇。這項技術將把照明提升到一個新的水平，因為它為自適應照明增加了另一個維度：光的空間轉向，沒有任何移動部件，或者降低了我們用於LED的高能效水平。（來源：華強LED網）

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