会所灯？一文读懂智能大灯光源手艺蹊径

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一文读懂智能大灯光源手艺蹊径

2022-04-01    

   作者：何海翔  

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　　导言：智能大灯生长趋势

　　凭证差异路况改变光型的大灯看法早在 1958 年已被首次提出，但在以卤素灯为大灯主要光源的年月从手艺上难以实现。

　　而随着汽车灯具手艺的不停提高，由其是 led 光源的普及，以及传感器和算法处置领域的大量手艺刷新，现在较先进的大灯系统已实现凭证种种庞大的路面环境举行多样化光型调治的功效，执行诸如多蹊径模式切换、智能随动转向、自动识别对向来车的无眩光远光、路标识别、行人警示等智能照明动作。

　　此类功效既对行驶平安有辅助，也能直观地提升车辆的科技感, 更与现在的辅助驾驶/自动驾驶手艺趋势所契合，市场远景广漠。

图一 ADB (Adaptive Driving Beam)的市场份额趋势评估

　　无论实现何种智能照明动作，其光源手艺的焦点均为把远近光光型分为数目不等的多个区域，并凭证摄像头或传感器的数据输入及预设的算法对每个区域举行开关控制或亮度调治。

　　所分区域越多，能组合出来的光型数目则越多，就能实现越庞大的智能照明动作。随着所分区域的逐渐增多及单个区域面积的不停缩小，业内已最先用显示手艺中的“像素”看法来指代此类区域。

　　本文将对实现此类多像素智能大灯的几大主流光源手艺蹊径举行剖析。由于篇幅所限，本文仅对各手艺举行归纳综合性的形貌，并剖析其焦点优势及主要瓶颈。

　　光源手艺蹊径剖析

　　(1)LED 矩阵式

　　基于 LED 小体积、易驱动、快速响应等特征，使用多颗 LED 组成行、列或矩阵式排列是实现入门级多像素智能大灯的基础方案。与通俗 LED 大灯相比，LED矩阵式大灯需要更多路的驱动，更大的散热能力，以及给每颗 LED 配光成为自力像素的较庞大的二次光学系统。

　　虽然其成本比通俗 LED 大灯要高，但与后面先容的几种手艺相比，LED 矩阵仍不失为较经济的多像素实现方式。同样地，相关手艺也相对较成熟，开发的不确定性较低，周期相对较短。这即是其最大的优势。

　　可其限制也很显著。

　　无论是所有使用单芯片的 LED 颗粒，照样夹杂使用多芯片的颗粒，由于 LED 封装尺寸的限制，最终的像素数目级能到百位级已经基本上是极限。

　　同时，在 LED 颗数增多的同时，LED 之间亮度、颜色、电压等参数一致性的调控难度也成比例上升。在加工上，二次光学系统与 LED 之间的校准难度也会随着 LED 数目成比例上升。这些因素都限制了此方案在高像素要求的智能大灯中的使用。

图二 LED 矩阵式智能大灯示例 (泉源: HELLA 官网)

　　(2)LCD 式

　　随着像素数目的提高，智能大灯的照明功效已逐渐兼具显示功效。LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示手艺)作为现在主流的显示手艺自然而然地成为了智能大灯光源系统的一个选择。

　　除去大灯所不需要的三色滤色片(RGB Color Filter), LCD 式大灯与通俗 LCD 显示器一样，需要背光源、偏光片及液晶面板等基本构件。

　　另由于功率密度比通俗显示器高得多，LED 矩阵背光大量发烧，使得液晶面板无法像 LCD 显示器一样直接放在背光源上，需要增添如反射镜等一些二次光学器件来形成一定距离的光路。

　　纵然云云，由于相对较高的亮度，偏光片及液晶面板需要吸收的来自光线自己的消耗也远高于通俗液晶显示器，加上需要经由严酷的车规级验证，这些器件，由其是液晶面板，需要厂家特殊定制。

　　现在的 LCD 式大灯的像素数目级已经能做到万级，鉴于当前用于显示的 LCD 手艺能做到高得多的像素级别，有理由信托 LCD 式大灯能在不远的未来突破十万级甚至更高的像素数目级。

　　相对于下面先容的基于投影手艺的 DLP 式大灯光源系统，LCD 式具有成真相对较低，体积相对较小，光型可拉伸角度较宽，明暗对比度较高等优势。

　　其主要限制在于，由于偏光片及液晶面板的消耗，光学效率相对较低，而且从原理上来说改善空间有用。另外，液晶面板长时间在高温事情下的寿命衰减，甚至各项性能参数的更改(如液晶体反映速率，透过率，平均性等)也是需要亲热关注的手艺点。

　　更值得注重的是，能相符大灯使用要求的液晶面板必须特殊定制，只有具有相当规模的灯具厂才有可能跟液晶面板厂商互助定制此类面板;而且现在估量也只有少少数面板厂能生产出相符要求的面板，因此此手艺的普及有一定难度。

图三 LCD 式智能大灯示例 (图片泉源: HELLA 官网)

　　(3)DLP 式

　　与生长 LCD 式智能大灯的缘故原由类似，作为现在投影装备主流手艺的基于 DMD 器件 (Digital Micromirror Device, 数字微镜元件)的 DLP 手艺 (Digital Light Processing, 数字光处置)自然也成为了多像素智能大灯光源系统的可选手艺蹊径。

　　DLP 式大灯光源系统，可明白为仅使用白色像素的投影仪，其基本原理与投影仪并无本质区别。固然，为了相符车规认证，稀奇是大灯中严苛的使用环境，从 DMD 器件到与之配合的光机系统均需要作设计优化。另外，大灯投影面为水平路面，投射距离越远，其投影图像的梯形畸变效应越显著，因此还需要作响应的图像算法校正。

　　光源方面，与现在的投影手艺类似，LED 和激光(Laser)均可作为 DLP 系统的光源。由于 RGB 三原色激光混光手艺对于仅需要白光的大灯系统不合适，因此激光光源主要为蓝光激光+荧光粉转换白光的方案。

　　LED+DMD 的优势在于手艺对照成熟，亮度、效率等各主要参数也足够好。激光+DMD 的优势在于，得益于激光的强偏向性，纵然需要加上荧光粉转换白光，其光机出光孔仍可以做得异常小，一方面可以削减系统体积，另一方面小出光口自己也是一直与众差其余头灯设计语言。

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　　效率方面，理论上激光能做到比 LED 更高，但思量到现在车规级蓝光激光的手艺水平以及荧光粉的转换效率，其整体差距实在并不大。而且，使用激光作光源还要解决车用激光寿命，高温光衰，及荧光粉脱落导致的直射人眼的平安隐患(例如发生碰撞事故后)等所有车用激光光源均需要面临的配合问题。

　　就整体方案而言，DLP 相对于现在其他的多像素手艺最大的优势正是在于像素数目之多。现在的首款 DLP 式智能大灯已突破百万级的像素，遥遥领先于其他手艺，而且未来另有进一步上升的空间。此外，虽然投影光机的手艺门槛较高，但汽车主机厂或灯具厂可施展自身熟悉车规行业规范的设计优势与传统投影光机厂开展互助，实现相关的手艺转移和手艺升级。

　　DLP 手艺现在的瓶颈在于系统成本较高，所需的系统空间相对较大。而且由于 DMD 的事情原理，像素间杂散光难以完全消除，像素明暗极值之间的对比度较低，对于部门对比度要求较高的智能动作(如远光去眩光)不够理想。

　　另外，现在的车规级 DMD 器件投射角度有限，单颗 DMD 仅适合近场小局限投射。除非未来有为大灯特殊定制的广角度 DMD 器件。

　　现在要大幅拓宽 DLP 系统的图像局限(例如用投影的方式直接实现随动转向)可能只有增添分外的 DMD 器件或重新加入机械转动结构。前者会导致成本的大幅上升，后者则有违智能大灯数字化的生长趋势，重新增添了系统的庞大度和降低了可靠性。

　　另外，要充实行使 DLP 的超高像素优势，自然要响应地设计算庞大的图像模式。而过于庞大的图像是否会引起本车及路上其他车辆的驾驶员分心，发生平安隐患，也是现在业内在普遍讨论的一个话题。信托各国的律例订制部门未来也会对此出台响应的尺度。

图四 DLP 式智能大灯示例 (图片泉源: BENZ 及 TI 官网)

　　(4)μAFS 式

　　μAFS 是业内对可寻址像素矩阵式 LED(Addressable LED Pixel Array)的简称，是一种专门针对多像素智能大灯系统开发的 LED 手艺。

　　在已往传统的 LED 工艺里，每个芯片只有单个正极和单个负极(多芯片 LED 仅是把多个自力的 LED 芯片整合到一个 LED 封装)，外部驱动提供电能后，整片芯片同时点亮。

　　而 μAFS 则是预先在芯片的硅衬底中整合了矩阵式的 CMOS 控制电路，结条约样经矩阵式微结构处置的芯片，实现了对芯片上每一个自力的微结构区域举行单独的开、关及电流调治的功效，使每一个微结构区域直接成为了大灯光型中可自力控制的像素。

　　因此，μAFS 虽仍以 LED 为光源，但其与同以 LED 为光源的 LCD 式和 DLP 式大灯光源系统的区别在于像素的形成：μAFS 在 LED 芯片的层面直接形成像素;LCD 通过液晶面板、DLP 通过 DMD 器件形成像素。

　　现在已面世的首款 μAFS——欧司朗的 EVIYOS, 能在 4mm×4mm 的单个芯片上做到 1024 像素，单个像素到达 3lm 的光通量。

　　得益于无需分外增添像素天生系统的特征，μAFS 的主要优势便体现在较低的系统成本，较小的系统体积，以及相当高的效率。这三个特征意味着使用多个 μAFS 排列组合为更庞大的光学系统成为可能。

　　此外，由于与单颗朗伯体发光的 LED 光型靠近，μAFS 的光型延展性也相对较好。又由于是直接对 LED 光源举行开关动作，其能到达的明暗对比度是几种方案内里最高的。成熟的 LED 硅衬底手艺也使得 μAFS 有更稳固的温度特征。

　　与 LCD 式及 DLP 式相比，μAFS 的主要限制在于像素的数目。现在面世的 μAFS 像素数目级在千级，未来几年有望能提升到万级，十万级以上产物则在更远期的设计当中。

图五 EVIYOS-μAFS 式智能大灯示例 (图片泉源: OSRAM)

　　(5)激光扫描式

　　激光扫描式投影手艺已在消费及工业领域最先应用，理论上存在拓展到车载领域，稀奇是智能大灯系统上应用的可能性，已有厂家提出相关看法并举行可行性研究。

　　其基本原理为行使基于 MEMS 手艺(Micro-Electro-Mechanical System, 微机电系统)所制成的高精度扫描镜周期性地在差异角度上依次反射激光光路，在投射面上形成远高于人眼反映速率的快速刷新图像。

　　假云云手艺能通过车规认证应用在智能大灯系统上，将有可能是效率最高，体积最小的解决方案。其像素数目级也能做到与 DLP 式靠近。

图六 激光扫描式投影手艺示意(图片泉源: BOSCH 官网)

　　但此手艺现在离通过车规认证另有相当的距离，稀奇是在大灯的高温度、强震惊事情环境下，现在的 MEMS 扫描镜手艺还远达不到应用要求。

　　另外，扫描式的投影图像有可能在真实路况中与车辆的震惊形成频率叠加，发生人眼可感知的图像发抖或者闪灼，严重时可能会引起驾驶员的不适。

　　若能攻克以上难题，真正能到达车用级其余 MEMS 扫描镜手艺也有可能已与今天的手艺面目大纷歧样，相关课题需要重新研究。因此该手艺值得关注，但在短期内还难以在智能大灯上应用，并存在较大不确定性。

　　总结及展望

　　除去手艺现在尚未成熟的激光扫描式大灯，对于手艺相对靠近并各有所长的LED+LCD, LED+DMD, Laser+DMD 及 μAFS 四种高像素手艺，外加入门级的低像素 LED 矩阵举行主要参数对比，可得对比图如下：

图七 各手艺综合对比

　　可见，LED+LCD 总的来说各方面对照平衡，效率是瓶颈;LED/LASER+DMD 在像素数目上一枝独秀;而 μAFS 在效率、对比度、事情温度局限等方面均有相当优势。

　　值得指出的是，这几项手艺相互间虽有一定的竞争性，但更存在着各取所长的有机连系空间。

　　典型的例子：在近场使用超高像素的 LCD 或 DLP 形成对驾驶员滋扰较少的高清图案(如行人指示，自行车平安区域标识等)或信息简明的智能动作(如投射到路面的导航箭头);同时在远场及主要照明区域使用 μAFS 举行大局限的区域照明并实行功效性智能动作(如无眩光远光灯);并辅以分立式 LED 作光型弥补(如随动转向光型延展)。例如下图图八所示：

图八 几种手艺的有机连系

　　可见，作为未来汽车照明生长偏向的多像素智能大灯系统，具有广漠的市场远景，厚实的手艺贮备，以及无限的创新空间，值得业内厂家提前投入和结构。

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