多像素LED开启智能照明应用新视野

　　多像素LED技术的发展启动了汽车行业最为明显的智能照明控制系统发展的巨大飞跃。现在，第一款混合LED提供了超过1000个独立可控像素的智能头灯。正在研究先进LED设备概念的Ralph Bertram和开发欧司朗光电半导体公司的普通照明光学解决方案的Norbert Harendt表示，汽车照明只是智能选择性像素控制应用的潜在领域之一。在一般照明中使用的选项，例如用于户外，室内，零售或工业应用的信息显示，是非常通用的。

　　“Omnipoint”示威者的细节

　　智能照明已成为一个日益引人注目的趋势话题，不仅吸引了业界的关注，而且还吸引了广大市民的注意。诸如智能家居，物联网渗透以及LED技术进步等趋势是推动市场增长的一些关键因素。高度节能的LED技术，智能控制机制和传感器来调节用户舒适度的光线设置，以及像人类中心照明这样的新概念，节能成为消费者心目中的最前沿。

　　到目前为止，自适应照明包括根据使用参数(如入住时间或一天中的时间)更改光强度和颜色。但是还有许多其他的应用领域，其中智能空间自适应照明可以为最终用户提供许多好处，并为解决方案提供商开辟新的潜在市场。

　　传统上，汽车行业在许多技术发展中处于领先地位。今天的汽车往往代表了许多消费者拥有的最先进的技术。几乎现代汽车的每个方面都是高科技，并且使用最先进的材料和解决方案。因此，汽车已经成为展示技术发展的平台，以及工程师和创新者的潜力和进步。例如，自适应前照灯系统(AFS)有助于提高驾驶和道路安全。这些系统调整光线的方向，通过照亮曲线进程，道路的一侧或通过所谓的自适应驾驶光束(ADB)帮助保护迎面而来的交通免受眩光的影响，从而为驾驶者提供最佳可见度。

　　那么，为什么不转移到空间自适应照明更早?很可能是因为技术挑战比其他智能照明控制系统更高。改变光的路径需要移动部件，如倾斜镜或移动镜头。过去，不可能提供经济实惠，高效且充分可靠的解决方案，这也将实现专业智能照明控制系统所需的长时间使用寿命。随着LED技术的不断小型化，出现了新的可能性，这些新的可能性有望为自适应光源增加另一个维度：改变光源的光束图案而不移动部件。

　　应用领域和要求

　　智能空间照明装置在某些应用中已经司空见惯：当走过时走廊会亮起，停车场仅在人员在场的情况下才亮起，办公桌或厨房区域上方的灯光在不使用时会自动变暗。

　　所有这些都可以通过为现有和新型灯具添加传感器和智能来完成。例如，在走廊上，足以点亮或调暗3-5米的距离。在办公室里，这已经是一个不同的故事：有些人可能只想点亮他们的办公桌，而不是周围的区域。其他人希望在他们正在处理的纸张上有光束。考虑到飞机，火车或汽车内饰，可能只需要点亮乘客正在解决的填字游戏，并且不要打扰下一个想要睡觉的座位上的乘客。这也是家庭照明的一个非常有用的功能 - 例如，如果你喜欢在夜间阅读，而你的伴侣早点睡觉。

　　博物馆或餐馆对适应性照明有不同的要求。今天，他们通常需要通过灯具可以手动调节的轨道系统来选择一种灵活性或多或少的照明装置。如果改变他们的桌子或艺术品的布置，最初选择的灯光布置通常不太适合。然而，要改变灯具是耗时的并且因此是昂贵的。为了避免这种情况，新颖的智能照明控制系统需要数字控制和更精细的光点粒度，这使得通过常规手段难以或不可能实现。

　　在商店展示中，空间自适应照明的好处更加明显：通过平板电脑上的水龙头即使从远程位置设置灯光重音，可以大大节省与设置商品展示相关的工作量和金钱。它还使用户能够在临时通知中更改显示的外观和感觉，甚至无需触摸它。

　　技术挑战

　　这些应用领域中的每一个对于必要的光照水平以及“粒度”都有不同的要求 - 这意味着要被照亮的每个“像素”的大小。在表1中，我们尝试估计典型场景，包括特征尺寸，光源距离和结果光束角度。

　　估计的“粒度”(=目标上的最小点)和不同应用所需的光学参数

　　看一组参数，最大的挑战在于每个单光束的细粒度。欧司朗在2015年开始用“Omnipoint”概念展示这种应用场景[1]。在这种情况下，将近100个Oslon方形大功率LED组装在筒灯配置的中空球体上。每个配备有自己的窄光束光学元件的LED指向房间内不同的方向。通过单独切换或调暗每个LED，可以平稳调整房间内的配光。

　　目标上的点大小等于多点源中的“粒度”

　　通过在力学和光学方面的巨大努力，该夹具能够满足如上所述的要求苛刻的办公应用的要求，并且更接近满足商店照明规范。然而，瞄准小物体照明的应用，如阅读灯或复杂的商品照明，需要更多的像素和更小的光束。为了开发满足这些要求的系统，需要采用不同的，更综合的技术方法。

　　更多但更小的像素需要密集排列的LED，可以单独寻址。因此，系统及其组件的小型化是关键要求，这将允许使用数百个光源的通用光学器件。反过来，这对保持系统的简单和实惠至关重要。

　　查看表中的要求，通过使用1mm的布置可以满足许多应用的每个像素的必要光照水平。每个LED都可提供典型的100流明，在超速模式下可达300流明。

　　然而，为了用这些光束照亮整个房间，需要数百甚至数千像素。因此，具有可以非常紧密地包装在一起的高亮度发射体是非常重要的。图3显示了正在开发的新芯片尺寸“封装”的阵列，其尺寸不大于芯片本身。事实上，它被设计成一种没有任何封装或框架的表面发射芯片。其紧凑性非常适合密集阵列，同时仍可通过标准SMD设备进行管理。

　　这种新型可分组LED可提供LED组件可实现的最佳紧凑尺寸，并有助于满足众多应用场景的要求。但即使有这样的成就，在某些情况下，整个LED阵列的尺寸也会很难通过光学元件来管理。另外，驱动LED仍然需要在具有外部电子器件的无源矩阵布置中实现。因此整合过程的下一步将是多像素LED。

　　表面发射芯片尺寸封装阵列

　　迈向多像素光源

　　迄今为止，自适应LED智能照明控制系统(包括汽车前照灯)已针对每个照明区域采用单独控制的芯片进行操作。现在，多像素LED技术的发展正在推动智能照明控制系统的发展，这在汽车行业中是可观察到的。

　　在由德国研究与教育部资助的“μAFS”研究项目(发音为“micro AFS”)下，一组德国公司在2016年9月前工作了三年半，用于自适应前照灯系统的高效LED前照灯。欧司朗光电半导体担任项目协调人，担任领导角色，并为汽车行业以及芯片和转换技术领域的LED照明解决方案提供广泛的专业知识。

　　项目合作伙伴已开发出具有1024个独立可控光点的像素光源。对于距离4.00×4.00mm的封闭发射表面0.115×0.115mm，网格尺寸为0.125mm的单独像素表面，这些提供仅约11毫安(mA)的仅3毫安(lm)。它们以32×32的阵列排列在有源矩阵IC上，因此每个像素都可以单独寻址。最初为汽车前照灯应用开发，它也可能使商店照明和阅读灯应用所需的精细粒度。

　　另一个主要优势是控制选项，例如通过摄像头和控制器之间的交互。摄像机充当系统的“眼睛”，捕获有关周围环境的信息并将其转发给控制器。这个“大脑”处理信息，并以数字格式将适当调整的光分布图案转发给像素。每个像素可以用不同的电流开启和关闭，每秒不止10万次，因此可以变暗。根据情况，系统决定哪些像素会受到影响。在汽车应用中，交通标志(例如)将被照亮，以便驾驶员可以清楚地看到它们，而不会被自己车头灯反射的眩光所震撼。

　　然而，汽车照明只是其中可以应用智能选择性像素控制的潜在领域之一。在一般照明中使用的选项，例如用于户外，室内，零售或工业应用的信息显示，是非常通用的。

　　光学设计师面临的挑战和机遇

　　从分立镜头转向集成阵列，我们也面临着光学设计方面的重大挑战。传统意义上的照明光学器件总是关于模糊光源，而不是在墙上形成图像。这也是关于消除任何焦点，所以聚光灯发出单一的，均匀的，稍微发散的光束。

　　如果我们想创建一个光学系统，可以将来自不同像素的光线发送到不同的方向，我们需要再次回到成像系统。在光学术语中，这是将空间图案转换成角度图案的简单任务。

　　该任务与用广角(“鱼眼”)镜头以相反的方式用于相机成像时没有什么不同：它将来自不同角度的光线投射到检测器上的不同相机像素。它与图像投影仪光学系统没有多大区别，它可以将图像上不同点的光线导向房间内的不同角度。

　　然而，使用LED作为光源，主要区别在于接收角度如图4所示：对于摄像机镜头，射线以什么角度射到传感器上并不重要。在投影机中，光线通常是预先准直的，所以图像是由或多或少平行的光线形成的，光学器件只需要接受有限范围的入射角。另外，效率不是这些系统的主要目标。

　　成像摄像机系统(左侧)和智能照明控制系统(右侧)之间的区别 - 请注意智能照明控制系统光源所需的大角度孔径 成像摄像机系统(左侧)和智能照明控制系统(右侧)之间的区别 - 请注意智能照明控制系统光源所需的大角度孔径

　　对于我们的由单个LED形成的像素系统，每个像素都会发射光线进入整个半球。因此，光学器件不仅需要将空间转换为角度图案，还需要尽可能多地捕获发射的光线 - 也就是发射到侧面的光线 - 并使其朝向正确的方向。标准光学器件绝对不可能实现这一点，并且需要具有多个相对较大透镜的复杂光学设计。由于它仍然是照明光学器件，因此对图像质量的最终要求不是必需的。然而，为了将光源的3个MacAdams步骤分布转移到成像区域，色彩校正的要求很高。无论哪种方式，图像的轻微“模糊”都需要隐藏房间内LED芯片的结构。

　　对于光学设计师来说，这绝对是一个新的有趣的任务：合并成像光学和照明光学的“两个世界”，为空间自适应照明创造真正新颖的解决方案。

　　竞争技术

　　开启和关闭像素不需要新技术。具有LCD和微镜技术的数字投影仪都可以使用并提供数百万像素。但是，这些设备是为了显示信息而设计的，而不是用于照明目的。因此，他们使用RGB颜色进行操作 - 这非常适合显示图像，但在用作照亮房间的源时会产生可怕的颜色印象。除此之外，它们通过永久创建高亮度级并在应该黑暗的像素处再次吸收光来进行操作。这不仅非常低效，而且黑白对比度也有限。

　　使用LED光源，其中像素仅在实际需要时才点亮，这是自适应系统的高效节能模式，可用于通用照明目的。它还允许设计具有较小散热片的系统，并且可以实现无风扇噪声的被动散热。

　　由于该技术非常耐用，因此也可以用于户外照明等更恶劣的环境中。因此可将其引入建筑照明或安装在舞台和电影灯中的移动装置上。

　　艺术家对自适应商店智能照明控制系统的看法

　　结论

　　在实现“自适应照明”时，可以改变灯光级别和色温以及每个灯具发出的光线的分布，从而在一天中真正创建不同的照明场景或适应这种情况。

　　由O研究人员基于单个LED的第一个示范系统已经用“Omnipoint”系统展示出来，这个系统令人印象深刻地展示了这个概念。从那时起，光源的小型化使外形尺寸缩小并增加了越来越多的功能。芯片尺寸封装(CSP)设计的实现，特别是在最紧凑的新一代LED的情况下，允许添加越来越多的像素和平面设计。未来，当LED尺寸真正进入千分尺时，我们将看到更多像素和集成(有源矩阵)设计。

　　多像素LED正处于投放市场的早期阶段，为普通照明应用提供更多选择。这项技术将把照明提升到一个新的水平，因为它为自适应照明增加了另一个维度：光的空间转向，没有任何移动部件，或者降低了我们用于LED的高能效水平。

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