光子技术在汽车照明系统中发挥重要作用

作者：JÉRÉMY PICOT-CLÉMENTE，欧洲光子产业联盟 (EPIC)

汽车行业一直走在采用新兴技术以提高安全性、性能和用户体验的前沿。近年来，光子技术正在成为汽车照明的变革力量；与传统和传统照明系统相比，光子技术具有显著的优势，从提高效率和寿命到整体设计灵活性。推动这些优势的创新领域包括 LED、OLED 和micro-LED 以及微透镜阵列 (MLA) 和色彩测量（color measurement）技术。

汽车投影的 LED 解决方案

LED 通过电致发光产生光，该过程涉及无机半导体中电子和电子空穴的复合。产生的光的波长取决于所用半导体的能带隙。首选的半导体材料可能是砷化镓（红外线）；砷化铝镓（红色）；磷化镓（绿色）；或硒化锌（蓝色）。

具有独立层的 OLED 显示器的子像素方案。蓝色发射器对于电致发光显示器以及使用紫外线 LED 作为背板的某些微型 LED 显示器必不可少。图片由 Noctiluca 提供。

一系列 LED 技术已融入下一代汽车显示器应用。总部位于美国加州的 Luminus 就是这样一家 LED 技术开发商，其产品支持增强现实 (AR) 和全息抬头显示器、车内动态照明、后窗/侧窗显示器和动态地面投影。该公司的 LED 解决方案组合涵盖多个平台（和波长），LED 产品范围从约 260 至 280 nm 到 610 至 950 nm。

特别是对于数字光处理 (DLP) 应用，Luminus 的 LED 产品受益于与 DLP 面板和系统参数相匹配的光学扩展量（区域所需的相空间和立体角，这是保证光在光学系统内从一个点到另一个点无损传输所必需的）。这可实现峰值光学效率和最大性能。低热阻封装可通过被动冷却实现高可靠性，这是 DLP 应用的另一个优势。

OLED的优势

OLED 的功能与 LED 相同，但顾名思义，目前的半导体材料是有机的。OLED显示屏堆栈由薄层有机材料组成，其中一种材料即发射极，可将电能转换为可见光。该发射极和其他有机材料组合形成子像素 — OLED 显示屏的基本构建块。

总部位于波兰托伦的 Noctiluca 是这些 OLED 发射极的设计者和生产商。除了其专有技术外，Noctiluca 还销售现成的产品解决方案，包括可与成品 OLED 堆栈结合使用的化合物。这种能力使 Noctiluca 能够选择最佳目标材料，以提高特定合作伙伴技术的 OLED 设备效率，同时优化合成路径并最终为客户生产新材料。这些材料还可能在显示器行业以外的光源领域得到应用。

此外，与 LED 不同，OLED 可以从现成且廉价的前体合成，这使得其生产成本低廉。此外，有机半导体可以溶解在溶剂中，这使得可以使用印刷和喷墨打印等基于溶液的技术将它们沉积到各种基板上。这种特性使得能够制造具有大有效面积的设备，这些设备具有更散射的光源，可以直接观看，无需遮光罩、扩散器、透镜、百叶窗和/或抛物面壳。

TechnoTeam 的“BV ROOM”系统返回光强度、照度和/或颜色坐标作为测量结果。该机制可应用于汽车应用，以产生内部和外部照明的颜色和光强度测量。由 TechnoTeam 提供。

另一家活跃于无机半导体领域的波兰公司是 QNA Technology。该公司专门合成量子点、不含重金属的蓝光以及基于这些点的油墨。这些油墨包括基于单体的紫外线 (UV) 固化油墨。蓝光发射器在显示器中必不可少，特别是电致发光显示器和某些使用紫外线 LED 作为背板的微型 LED 显示器。

对于汽车照明应用，QNA 提供 PureBlue.dots 胶体溶液，该溶液由量子点组成，其特点是毒性有限，可以发出 455 nm 范围内的蓝光。这个频率对人眼来说是安全的，对显示器尤其重要。该公司的 PureBlue.UV 油墨是其基于单体的紫外线固化油墨之一，支持包括光转换或微型 LED 制造在内的应用，其精确的成分可根据客户需求量身定制。这种油墨还含有纯蓝色量子点。

OLED 还广泛用于仪表盘显示屏、全息抬头显示器、内部照明、数字后视内镜以及尾灯和指示灯等外部照明的显示和照明系统。奥迪推出 2016 款 TT RS 车型后，该车型可选配 OLED 尾灯，随后包括奥迪在内的多款车型也采用了 OLED 照明面板。宝马、红旗、梅赛德斯等汽车制造商已在其设计中采用了 OLED 照明面板。

Micro-LED 应用和集成

Micro-LED 通常小于 100 µm，工作原理与传统 LED 非常相似，但规模要小得多。当电流通过半导体材料时，它会发光。其核心组件是半导体材料（通常由氮化镓 (GaN) 制成）和蓝宝石、硅和/或 GaN 基板，Micro-LED 就是在其上制造的。Micro-LED 制造是一个高度专业化的领域，需要开发和使用先进技术来管理每个 Micro-LED 的微小尺寸和精确位置。Micro-LED 制造涉及的复杂步骤包括基板准备、外延生长、光刻、蚀刻、金属沉积、钝化、切割、转移、粘合、封装和包装。此外，将成品Micro-LED集成到现有系统和产品中也需要精心设计和工程。克服这些制造挑战的持续进步正在提高微型 LED 技术在从高分辨率显示器到汽车照明等广泛应用领域的可行性。

这些进步补充了该技术的优势：与传统 LED 或 OLED 相比，Micro-LED 可以在更小、更节能的封装中实现更高的亮度。它们还可以实现更好的色彩精度和对比度、更快的响应时间和更长的使用寿命。由于尺寸小，Micro-LED 可以密集排列，从而能够创建具有高像素密度的显示器。

Micro-LED在汽车行业最具影响力的应用之一是前照灯系统。传统卤素灯甚至标准 LED 前照灯在亮度、能效和适应性方面都面临限制。相比之下，Micro-LED 提供自适应光束控制、可调节的动态光模式以适应各种驾驶条件，并增强可视性。此外，Micro-LED 可以组织成阵列，其中每个 LED 或 LED 组都可以单独控制。这种配置允许矩阵前照灯适应各种驾驶场景，并通过检测其他车辆的存在自动切换远光灯和近光灯。

这个完整的基于微透镜阵列 (MLA) 的投影模块包括 LED 光源、准直透镜和基于 MLA 的投影单元。光学材料和粘合剂对于该概念的技术实现至关重要。图像中的箭头表示材料（左箭头）和粘合剂（右箭头和下箭头）的位置。由 DELO Industrial Adhesives LLC 提供。

HELLA 是一家以 FORVIA 为品牌的汽车供应商，该公司与德国豪华汽车制造商保时捷联合推出了一款高分辨率头灯。该解决方案基于矩阵式微型 LED 技术。在 HELLA 和这家德国汽车制造商即将推出的系统中，与传统架构相比，照明模块所需的空间减少了高达 75%。此外，该系统还配备了两个比指甲还小的高分辨率 LED 芯片，每个头灯可产生 32,000 多个像素。每个头灯的像素由一个电子控制单元控制。该系统使用千兆多媒体串行链路 (GMSL) 接口来处理高数据量。

为了用一个控制单元控制每个头灯的两个光源，HELLA 还开发了算法，可以实时计算光分布。数字头灯系统将作为选配功能在即将推出的保时捷卡宴车型中首次亮相。

微透镜阵列(MLA) 由多个微透镜组成，这些微透镜以精确的网格图案排列在单个基板上。这些透镜可以聚焦、准直和/或重定向光线，从而增强对光线分布的控制。与通过单个透镜投射光线相比，MLA 可以在小角度下实现非常清晰且可控的投射。还有另一个额外的好处：光源和光学元件之间的距离更短。此外，MLA 的高精度和高效率特性使其成为现代车辆中众多照明应用的理想选择，包括前照灯。

MLA的制造是通过晶圆级压印工艺实现的，首先将紫外线固化聚合物分配到玻璃基板上。然后对成品晶圆进行压印、紫外线固化和切割。

所用聚合物的性质是 MLA 性能的基础。聚合物必须在可见光范围内具有高透射率，并且在高温和紫外线照射期间具有出色的光学稳定性。此外，它们必须表现出低收缩率、出色的玻璃附着力和同时与印章材料脱粘。同时，机械性能必须适合承受温度变化和振动带来的应力。因此，对聚合物的适应性是这一制造工艺的细微差别。

例如，德国 DELO 公司经过特殊改造的聚合物支持满足这些苛刻要求的晶圆级压印工艺，并且它们对汽车领域的多种应用都有效。该公司的 MLA LED 头灯解决方案还解决了其他问题。这些考虑因素包括 MLA 与外壳的粘合、主光学元件的主动对准以及镜头粘合。

MLA 部署可实现其他创新。总部位于中国西安的 Focuslight Technologies （炬光科技）是一家高功率二极管激光组件和材料的开发商和制造商。该公司目前生产用于地面投影应用和前照灯应用的 MLA，并将其解决方案集成到市售的前照灯中。该技术还正在研究作为一种解决方案，用于制造镜头高度低至 10 毫米的超薄前照灯。

颜色测量

汽车领域的颜色测量对于确定前照灯、日间行车灯和其他光源的亮度和发光强度值是必不可少的。眩光和环境光是潜在的危险事件，可以通过颜色来评估。

TechnoTeam是一家光和颜色测量系统开发商，以数字相机系统的形式提供空间分辨测量技术，可以对与亮度、发光强度、照度、颜色值、对比度和其他光度感知标准相关的照明情况进行复杂的分析。在汽车应用中，这些系统用于保证车内照明在亮度、颜色和均匀性方面的质量。

不过，这种对光和色的客观测量对于外部照明来说更为重要，因为外部照明必须符合标准化机构定义的精确规格。

前景与挑战

汽车行业的不断进步将继续改变光子学在这一领域的作用。新兴趋势有望彻底改变车辆照明系统，提高安全性、功能性和用户体验。

其中一项创新是 AR 大灯的出现，它能够将关键信息直接叠加到道路上，为驾驶员提供实时导航指导和危险警告。这提高了驾驶员的意识，并与智能汽车生态系统无缝集成。

此外，与激光雷达相结合的集成前照灯系统有望以无与伦比的精度实现障碍物检测和路况评估。同时，通过光信号促进的车对车通信将实现车辆之间的高效数据交换，从而增强交通管理和安全协议。

尽管有这些优势，但在汽车照明中广泛采用先进的光子技术解决方案仍面临一些挑战。例如，制造Micro-LED 的复杂性以及各种光子元件的精密工程和集成要求需要不断改进，以满足严格的汽车可靠性、耐用性和法规遵从性标准。

即使面临挑战，随着车辆的联网和自动化程度不断提高，对与其他车辆系统通信和交互的集成照明解决方案的需求仍将继续增加。这推动了持续的研发，以确保将光子技术无缝集成到更广泛的智能汽车生态系统中。

应对这些挑战需要跨行业合作、持续投资研发和制造工艺的进步。通过克服这些障碍，汽车行业可以充分发挥光子学的潜力，为未来打造更安全、更智能、更高效的汽车。