CN105636262B - 发光二极管设备 - Google Patents

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Abstract

发光二极管设备。一种发光二极管设备包括：支承基板；以及发光二极管阵列，该发光二极管阵列由所述支承基板上二维地布置的多个发光二极管形成，构成所述发光二极管阵列中具有最高亮度的光分布中心，其中，所述多个发光二极管被划分为多个控制单元，所述多个控制单元的驱动电流能够单独地控制，其中，所述多个控制单元包括多个复合控制单元，在每个复合控制单元中，多个发光二极管串联连接，并且其中，在每个复合控制单元中的多个发光二极管当中，离所述光分布中心较远的发光二极管的发光面积比离所述光分布中心较近的发光二极管的发光面积大。

Description

发光二极管设备
技术领域
本发明涉及发光二极管设备，并且具体地，涉及一种包括布置在平面发光区域中的多个发光二极管的发光二极管设备。
背景技术
近年来，关于车辆前灯，被称为自适应远光(ADB:Adaptive Driving Beam)等的技术已吸引注意力。根据ADB，光分布形状是根据车辆前方的条件或环境(即，是否存在对面车道中的汽车、在前方的汽车等及其位置)实时地控制的。
根据该技术，例如，在远光分布面积中(即，在利用远光驾驶期间)检测到对面车道中的汽车的情况下，能够实时地仅减少指向在利用前灯照射的区域内迎面而来的车辆的区域的光束。驾驶员不间断地具有接近于远光的视场，然而能够防止眩光施加到迎面而来的车辆。另外，根据转向轮的转向角来调节前向方向上的光分布的前灯***(被称为自适应前照明***(AFS)等)正变得越来越常见。
能够例如通过制备一种发光二极管设备来实现这种可改变光分布的前灯***，在该发光二极管设备中，按照阵列布置有多个发光二极管(LED)，并且相应的二极管的导电/不导电(接通/断开)和在接通状态下的驱动电流(相应地，亮度或辉度)被实时地控制。
提出了一种车辆前灯设备，该车辆前灯设备包括按照矩阵形状布置并且可以独立控制的多个LED芯片的阵列以及布置在从LED芯片发出的光束的光路上的投影器透镜。该车辆前灯设备能够控制LED芯片阵列的照明图案，从而在车辆前方形成期望的光分布图案(例如，参照日本特开No.2013-54849)。
图5A是例示了一种车辆前灯的主要部分的侧视图，其中多个发光二极管(LED)212按照矩阵图案布置在具有散热器结构的支承基板211上，并且投影透镜210被布置在LED212的前面。
图5B是多个LED 212按照矩阵图案布置的状态的前视图。如图5A所例示的，其中由按照矩阵图案布置的多个LED(在下文中，被称为“矩阵LED”)形成的光源指向车辆前侧并且投影透镜被布置在光源前面的光学***能够将LED的亮度或辉度分布图案投射到前方区域。
图5C是示意性地例示了前灯***的构造的框图。前灯***200包括车辆左右前灯100、光分布控制单元102、前向监视单元104等。每一个车辆前灯100都具有由矩阵LED形成的光源、投影器透镜以及用于容纳光源和投影器透镜的灯体。
连接有诸如车辆相机108、雷达110和车辆速度传感器112的各种传感器的前向监视单元104执行从传感器获得的成像数据的图像处理，检测前面的车辆(迎面而来的车辆和/或在前方车辆)和/或道路上的其它明亮物体以及分隔线(车道标记)，并且计算光分布控制所需要的关于前面物体的属性和/或其位置的数据。所计算出的数据通过车载LAN等被发送到光分布控制单元102和/或各种车载装置。
连接有车辆速度传感器112、转向角传感器114、GPS导航116、前灯开关118等的光分布控制单元102确定与驾驶场景对应的光分布图案。该光分布图案是基于从前向监视单元104发送的道路上的明亮物体(迎面而来的车辆、在前方的车辆、反射体(reflector)或道路照明)的属性、其位置(在前面或在旁边)和车辆速度而确定的。光分布控制单元102确定实现光分布图案所需要的光分布可变前灯的控制量。
光分布控制单元102确定矩阵LED的各个LED的控制细节(诸如照明开/关和驱动功率)。驱动器120将关于来自光分布控制单元102的控制量的信息转换为与驱动装置或光分布控制元件的操作对应的指令，并且控制这些部件的操作。
图6例示了期望的光分布图案的示例。符号LP表示向前投射的光分布图案。沿着水平截面的亮度或辉度分布图案BPh被例示在LP上方，并且沿着垂直截面的亮度或辉度分布图案BPv被例示在LP右侧。为了在夜间保证驾驶员的视场，期望车辆前灯具有这样的亮度分布图案：在光分布图案中，在光分布中心LC处具有最大的亮度或辉度，并且具有朝向周边逐渐降低的亮度或辉度分布。通常，光分布中心LC的水平方向上的长度比垂直方向上的长度相对较长。在使用具有按照矩阵布置的多个发光元件并且单独地控制各个发光元件的亮度的光源装置的车辆前灯中，为了实现平滑的光分布图案而不给予给驾驶员违和感，减小元件的尺寸并且增加布置的元件的数量是有效的。然而，在这种情况下，将增加单个元件的数量，将使控制元件的布线复杂化，并且应该增加驱动电源的数量。
此外，提出了一种组合了诸如用于近光的光源、用于远光的光源和用于调节的光源的多个光源的车辆照明设备(例如，日本特开No.2010-40528)。
发明内容
为了实现平滑的光分布图案，优选地增加布置在光分布区域中的发光元件的数量。从另一观点看，光分布图案的周边区域中的被形成为减少对迎面而来的车辆等中的驾驶员的眩光的非照明图案的分辨率可低于光分布图案的中心区域中的分辨率。
优选地获得增加发光元件的数量并且未使布线和控制电路复杂化的构造。
根据本发明的实施方式，提供了一种发光二极管设备，该发光二极管设备包括：支承基板；以及发光二极管阵列，该发光二极管阵列由二维地布置在所述支承基板上的多个发光二极管形成，所述多个发光二极管构成所述发光二极管阵列中具有最高亮度的光分布中心，其中，所述多个发光二极管被划分为多个控制单元，所述多个控制单元的驱动电流能够单独地控制，其中，所述多个控制单元包括多个复合控制单元，在每个所述复合控制单元中，多个发光二极管串联连接，并且其中，在每个所述复合控制单元中的所述多个发光二极管当中，位置离所述光分布中心较远的发光二极管的发光面积比位置较靠近所述光分布中心的发光二极管的发光面积大。
附图说明
图1A、图1B、图1C、图1D和图1E分别是根据实施方式1的发光二极管(LED)阵列的示意平面图、在垂直方向上排列的八个LED的等效电路图、例示了这八个LED的面积比的曲线图、按照八行和五列布置的LED的等效电路图、以及在矩阵LED被动态地驱动的情况下的等效电路图。
图2A、图2B和图2C是LED阵列的三个特定示例的截面图。
图3A是示意性地例示了使用根据本实施方式的发光二极管阵列的车辆前灯设备的构造的框图，图3B和图3C分别是例示了脉冲宽度调制和频率调制的驱动波形的形状的曲线图。
图4A和图4B是等效电路图，并且图4C、图4D、图4E和图4F是平面图，全部例示了本实施方式的变型例。
图5A、图5B和图5C是根据常规技术的车辆前灯的主要部分的侧视图、发光二极管阵列的平面图以及车辆前灯***的框图。
图6例示了视场内所希望的光分布图案以及在其水平方向和垂直方向上的亮度分布图案的曲线图。
具体实施方式
图1A、图1B、图1C和图1D是根据实施方式1的例示了按照矩阵形状布置的发光二极管阵列的示意平面图、例示了图1A中布置在垂直方向上的八个发光二极管A至H的连接的等效电路图、例示了发光二极管A至H的面积比的曲线图、以及矩阵中的八行五列发光二极管的等效电路图。
如图1A中的平面图所例示的，例如，八行31列发光二极管2被按照矩阵形状布置在发光区域中。在水平(H-H')方向上排列的发光二极管的列按照相等间距设置。在垂直轴线(V-V')的两侧，按照矩阵形状布置15列八行发光二极管。相应列被共同地垂直地划分，并且因此不管列如何，行的高度都是公共的。也就是说，具有相同形状的发光二极管被布置在行H-H'方向上。
图1A中由H-H'轴线表示的水平轴线构成水平方向上的亮度中心轴线，并且由V-V'轴线表示的垂直轴线构成垂直方向上的亮度中心轴线。期望车辆前灯具有亮度在驾驶员前面最大(光分布中心LC在水平方向上延伸相对较长)并且亮度随着位置更接近于周边而降低的亮度分布，即，期望沿着H-H'轴线实现诸如图6中的上侧例示的BPh的亮度分布并且沿着V-V'轴线实现诸如图6中的右侧例示的BPv的亮度分布。
如图1B所例示的，在垂直(V-V')方向上布置在各列中的八个发光二极管当中，各对发光二极管串联连接，以形成四个控制单元。各个控制单元中的电流被控制。控制单元可以包括一个发光二极管或多个发光二极管。
图1C例示了各个列中的八个发光二极管的面积比。各个控制单元中串联连接的两个发光二极管的面积具有A>B、C>D、E>F和H>G的关系。也就是说，在各个控制单元中，离亮度中心较远地设置的发光二极管的面积比在亮度中心侧的发光二极管的面积大，以生成较低的电流密度和较低的亮度。
能够在不同的控制单元之间不同地设定发光二极管的面积。在图1C中，不同的控制单元中的发光二极管的面积具有D<E且B<C的关系。也就是说，在控制单元中离亮度中心较远的特定发光二极管的面积被设定为小于控制单元中离亮度中心较近的发光二极管中的一个发光二极管的面积。因为远离亮度中心设置的发光二极管可以具有低亮度，所以能够将在控制单元中离亮度中心较远的发光二极管的面积设定为小于控制单元中离亮度中心较近的发光二极管中的任何一个的面积。
因为能够针对各个控制单元单独地设定电流值，所以适当的电流值的设定使得亮度分布能够随着位置在垂直V-V'方向上从亮度中心朝向周边移动得更远而逐渐降低。
图1D例示了五列的发光二极管阵列的等效电路。所述串联连接的阳极在所有控制单元中公共连接，而阴极被单独地导出并且通过控制电路连接至电源。这样的连接通过单独控制阴极侧来使得能实现照明控制。还能够公共地连接所有阴极代替公共阳极。例如，五列发光二极管的中心是视场的中心并且是水平方向上的亮度中心。
当转向角通过转向轮向右转时，期望亮度中心向右转移。在图1A中的发光二极管阵列中，因为具有相同特性的多个发光二极管在水平方向上排列，所以当在中心部分处的驱动电流的分布向右转移时，获得了所希望的亮度图案。在转向角通过转向轮向左转的情况下，在中心部分处的驱动电流的分布向左转移。
在各个控制单元中，发光二极管按照这种方式布置。由此能够实现如下的亮度或辉度梯度：在各个控制单元中，离光分布中心较远地设置的发光二极管比更靠近光分布中心设置的发光二极管暗。
在各个控制单元中，仅存在一个串联连接，在发光二极管外部需要一个布线，因此抑制了布线的数量的增加。因为电流控制变为针对各个控制单元基础，所以即使当为各个控制单元提供驱动电源时，与亮度梯度的数量相比，也能够减少驱动电源的数量。此外，如将在下面所描述的，在执行了时分控制或分时控制并且多个控制单元由一个驱动电源来控制的情况下，能够进一步减少驱动电源的数量。
图2A、图2B和图2C是发光二极管阵列的一列的特定构造的截面图。例如，例示了沿着图1A中垂直方向上的轴线V-V'的截面。
在图2A中，八个LED 2被安装在支承基板11上，支承基板11诸如是具有其上形成有诸如氧化硅膜的绝缘层的表面的硅基板。八个LED 2由A、B、C、D、E、F、G和H表示。各个LED包含n型半导体层21、p型半导体层23以及设置在这些层之间的有源层22(未必需要有源层22)的层压结构。有源层可以是单层中的双异质型，或者可以是包括被交替地层压的势垒层和阱层的多量子阱。
p侧电极26和布线28形成在p型半导体层23的下表面上并且n侧电极25形成在n型半导体层21的下表面上，其中p型层和有源层被去除。发光二极管B、D、F和H的布线28在附图中向左侧延伸并且连接至发光二极管A、C、E和G的n侧电极25。发光二极管B、D、F和H的n侧电极25连接至支承基板11上的布线30。绝缘层29被布置在p侧电极26/布线28与布线30的层压结构之间。
发光二极管A、C、E和G的p侧电极26连接至附图外的相等电位节点。针对到连接至相应布线30的发光二极管B、D、F和H的n侧电极25的电压施加的控制控制各个控制单元的照明。
电路从p侧电极26通过p型半导体层23和n型半导体层21到n侧电极25形成在一组两个LED的左侧二极管中，并且通过布线28，另一电路从p侧电极26到n侧电极25和布线30形成在右侧二极管中，从而形成两个LED的串联连接。图1B所例示的等效电路由类似的串联连接形成。
磷光体层27形成在布置在上侧的n型半导体层21上。例如，在LED是包含GaN的蓝色LED的情况下，诸如生成黄光的YAG的磷光体等被联接以生成白光。
在图2A中的构造中，p型半导体层23的一端被去除，并且n侧电极25形成在露出的n型半导体层21上。电流不太可能被供应给与n侧电极25分开很远的半导体层，并且去除了p型半导体层23的区域成为被供应电流但不能发光的区域。
图2B例示了能够改进此点的通孔电极型的构造。多个通路孔形成在p型半导体层23中并且绝缘层形成在侧壁上。n侧电极25被嵌入在通路孔中。从多个通孔电极向整个n型层供应电流较容易。因为n侧电极25是分布式的，所以引人注意的阴影不太可能形成。
在这种情况下，发光二极管B、D、F和H的n侧电极25连接至在附图外的位置处的相等电位节点，电压到连接至相应布线30的发光二极管A、C、E和G的p侧电极26的施加被控制，以控制相应的控制单元的照明。
在图2A和图2B中，使用基板上的多层布线形成电路。直通(穿透)电极还能够形成在支承基板中。在图2C中，当在支承基板11中形成通孔并且执行绝缘工艺之后，电极被嵌入在通孔中以形成直通(穿透)电极32和34。可按照与图2A和图2B中的那些方式类似的方式执行其它工艺。在图2C中，未例示磷光体层。然而，磷光体层按照与在图2A和图2B中类似的方式设置。与图2A类似，A、C、E和G的p侧电极26连接至在附图外的位置处的相等电位节点。电源被单独地布线至B、D、F和H的n侧电极25。针对到单独的n型电极的电压施加的控制控制各个控制单元的照明。
通过在图2A和图2C的情况下单独地连接至n侧电极25并且在图2B的情况下单独地连接至p侧电极26的布线，各个控制单元的亮度或辉度调节通过施加经受下面描述的调制控制的脉冲波形来执行。
可以在照明的周期中执行各个LED的静态驱动，但是电线的数量和电源的数量将增加。能够采用动态驱动，其中利用时分控制或分时控制来驱动多个控制单元。当按照矩阵形状布置的发光二极管阵列通过在水平方向上在时间上划分驱动阵列而被动态地驱动时，能够显著地减少控制电路和电源的数量。能够在垂直方向上执行时分控制或分时控制。
图1E表示在执行动态驱动情况下的布线。在相应的行中排列的相应的控制单元的阴极连接至相等电位，而在相应的列中排列的相应的控制单元的阳极连接在相等电位处。在这种情况下，例如，电压按照分时方式或时分方式(例如，在25％的周期中)施加到相应的行，并且相应的列与经受要下面描述的调制控制的脉冲波形叠加，以控制各个控制单元的照明和亮度调节。
图3A是示意性地例示了使用根据本实施方式的发光二极管阵列的车辆前灯设备的构造的框图。透镜单元42被布置在发光二极管阵列41的前面并且向着前方照射从发光二极管阵列发出的光。当发光二极管阵列被布置在从透镜单元42的焦点向前移动的位置处时，发出漫射光，阵列中的相应的光发射区域彼此交叠，并且阴影部分变得不引人注意。
电源单元43通过占空调制控制单元44向发光二极管阵列供应经受调制控制的驱动电流。相机单元45拍摄车辆的前侧的图像，并且向占空调制控制单元44提供关于迎面而来的车辆、前方车辆等的信息。占空调制控制单元44通过脉冲宽度调制或频率调制来执行调制控制驱动，并且对特定方向执行光发射防止处理。
图3B例示了通过脉冲宽度调制的驱动波形的变化，这些驱动波形占空为10％、20％和50％。脉冲宽度被调制。在经脉冲宽度调制的电压施加与经时分的行电压施加交叠时的定时(四个循环中一次)，发光二极管被驱动。
图3C例示了通过频率调制的驱动波形的变化，这些驱动波形占空为10％、20％和50％。固定周期内脉冲的数量被调制。同样在这样情况下，在经频率调制的电压施加与经时分的行电压施加交叠时的定时，发光二极管被驱动。
已经对按照矩阵布置的八行31列LED构成控制单元的情况做出了描述，在所述控制单元中的每一个中，在列方向上相邻的两个LED串联连接。然而，可不同地选择矩阵中的连接和矩阵的总的形状。在下文中，将对矩阵的变型例进行描述。
图4A例示了列方向上的八个LED来构造控制单元(分别具有三个LED A、B和C、两个LED D和E、一个LED F以及两个LED G和H)的情况。利用串联连接的三个LED A、B和C照射远场。在可包括一个发光二极管或多个发光二极管的控制单元当中，包括多个发光二极管的控制单元被称作复合控制单元。在图4A之前描述的控制单元是复合控制单元。
图4B例示了列方向上的八个LED在一个控制单元中串联连接的情况。能够形成垂直方向上的亮度分布；然而，开/关控制是按照列单元执行的。如将在下面所描述的，在近光和远光具有单独的光源的情况下，能够在远光装置中使用这种类型的控制单元。
图4C例示了在中心部分51中、在中心部分两侧的中间部分52中以及在中间部分外侧的末端部分53中改变矩阵构造的情况。随着位置接近末端，相应单元的行的数量减少。相应部分的列宽度改变。
整个发光二极管阵列的形状不限于矩形或其组合。能够采用图4D所例示的菱形，或者能够采用图4E所例示的椭圆形(角部倒角的矩形)等。
图4F例示了一种前灯，该前灯包括与投影器透镜L1组合的用于近光的LED阵列LB以及与投影器透镜L2组合的用于远光的LED阵列HB。近光可以具有固定图案，并且以上所描述的实施方式能够应用于用于远光的LED阵列HB。
如同上述，基于所述示例对本发明进行了描述。将确认基本概念。多个LED按照二维图案或按照矩阵形状布置，以形成期望面积的光发射区域。在车辆前灯的情况下，所希望的光分布图案具有从光分布中心朝向周边逐渐减小的亮度。多个LED被划分为多个控制单元。一个或多个LED被包括在一个控制单元中。在包括多个LED的控制单元(被称作复合控制单元)中，多个LED串联连接并且由公共电流驱动。例如，在一个控制单元包括串联连接的两个LED的情况下，能够将要控制的信号线的数量和驱动电源的数量减少一半。
对串联连接的LED的相对面积的调节控制这些LED当中的光发射的相对亮度。在一个控制单元中串联连接并且具有不同的发光面积的多个LED具有不同的电流密度，从而这些LED具有不同亮度的辉度。多个LED按照光分布中心具有最大亮度并且亮度分布朝向周边逐渐降低的这样的方式串联连接。
为了向右或向左移动光分布中心，优选地，发光二极管矩阵在水平(横向)方向上具有恒定间距。在这种情况下，控制单元中亮度的调节(即，发光二极管的面积变化)将通过垂直方向上的维度变化来完成。
已经对实施方式做出了描述。然而，本发明不限于此。例如，发光二极管(LED)可以是半导体激光器。因为半导体激光器是二极管，所以LED是包括激光器的概念。对于本领域技术人员来说显然的是，能够执行其它各种修改、变化、组合等。

Claims (12)

1.一种发光二极管设备，该发光二极管设备包括：
支承基板；以及
发光二极管阵列，该发光二极管阵列由所述支承基板上二维地布置的多个发光二极管形成，所述多个发光二极管构成所述发光二极管阵列中具有最高亮度的光分布中心，
其中，所述多个发光二极管被划分为多个控制单元，所述多个控制单元的驱动电流能够被单独地控制，
其中，所述多个控制单元包括多个复合控制单元，在每个所述复合控制单元中，多个发光二极管串联连接，并且
其中，在每个所述复合控制单元中的所述多个发光二极管当中，离所述光分布中心较远的发光二极管的发光面积比离所述光分布中心较近的发光二极管的发光面积大，
其中，所述光分布中心在第一方向上延伸，并且每个所述复合控制单元中的串联连接的所述多个发光二极管在与所述光分布中心的延伸方向交叉的方向上排列，
其中，所述多个发光二极管被布置为具有水平方向上的行和铅直方向上的列的矩阵形状，并且所述列在水平方向上具有相同的宽度，并且
其中，每个所述列具有多个复合控制单元，并且离所述光分布中心较远的复合控制单元包括发光面积比离所述光分布中心较近的复合控制单元中的发光二极管的发光面积小的发光二极管。
2.根据权利要求1所述的发光二极管设备，该发光二极管设备还包括：
透镜单元，该透镜单元在发光侧布置在所述发光二极管阵列的前面，
其中，所述发光二极管设备构成在车辆中使用的照明设备。
3.根据权利要求2所述的发光二极管设备，该发光二极管设备还包括：
相机单元，该相机单元监视所述车辆前面的区域；以及
控制电路，该控制电路基于来自所述相机单元的信号来控制所述多个控制单元的驱动信号，
其中，所述发光二极管设备构成在车辆中使用的前灯。
4.根据权利要求1所述的发光二极管设备，
其中，构成形成所述光分布中心的行的每个控制单元包括一个发光二极管。
5.根据权利要求1所述的发光二极管设备，
其中，所述多个发光二极管中的每一个发光二极管具有磷光体层并发出白色光，并且所述发光二极管设备构成在车辆中使用的前灯。
6.根据权利要求1所述的发光二极管设备，该发光二极管设备还包括：
驱动电源，该驱动电源用于为相应的控制单元提供受控的驱动电流。
7.根据权利要求6所述的发光二极管设备，
其中，所述驱动电源针对所述多个控制单元执行静态驱动。
8.根据权利要求6所述的发光二极管设备，
其中，所述驱动电源在视场中的铅直方向上执行分时驱动。
9.根据权利要求6所述的发光二极管设备，
其中，所述驱动电源执行脉冲宽度调制或频率调制。
10.根据权利要求3所述的发光二极管设备，
其中，所述多个控制单元按照矩阵形状布置，每一行中的所述控制单元的一个端子被公共地连接，并且所述控制单元控制被提供给相应的控制单元的另一端子的电流。
11.根据权利要求3所述的发光二极管设备，
其中，所述多个控制单元按照矩阵形状布置，每一列中的所述控制单元的一个端子被公共地连接，并且每一行中的所述控制单元的另一端子被公共地连接。
12.根据权利要求11所述的发光二极管设备，
其中，所述控制单元的矩阵被动态地驱动。
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