采用不同技術(shù)的高分辨率前照燈的設(shè)計思路

高分辨率車輛前照燈將照明劃分為大量可單獨(dú)控制的像素，以有效的改善交通體驗(yàn)和輔助自動駕駛。本文首先介紹高分辨率前照燈的功能，以及相關(guān)法律法規(guī)和前照燈系統(tǒng)的常見要求?；谶@些要求，介紹了采用不同技術(shù)的高分辨率前照燈的設(shè)計思路。

PART#01

汽車前照燈現(xiàn)有功能及技術(shù)

近年來，在汽車行業(yè)中，主動照明功能被認(rèn)為是對傳統(tǒng)前照燈的補(bǔ)充。其中針對交通區(qū)域的自適應(yīng)照明，可以提高交通安全性和舒適性，此外，也有一些功能可以通過在道路上顯示照明信息進(jìn)行交互。下面將介紹前照燈當(dāng)前和潛在的開發(fā)功能和技術(shù)。

1. 自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)（AFS）和自適應(yīng)遠(yuǎn)光燈系統(tǒng)（ADB）

實(shí)際生活中，車輛將會在不同照明條件下行駛，為了適應(yīng)駕駛環(huán)境并照顧其他交通參與者，引入了動態(tài)自適應(yīng)的前照燈照明系統(tǒng)，以優(yōu)化在各種場景中駕駛員視野（FoV）中的路況。同時，自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)還可以幫助減少不適當(dāng)?shù)慕煌ㄕ彰髟斐傻奈ｋU。

1）自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)（AFS）

自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)（AFS）的研究始于20世紀(jì)90年代，在21世紀(jì)初AFS納入聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會（UNECE）的監(jiān)管框架，2006年第一個AFS成功上市。AFS旨在修改道路上的汽車照明模式，為不同駕駛場景和道路條件下的駕駛員視野提供最佳照明性能，主要燈光模式包括大燈隨動轉(zhuǎn)向模式、鄉(xiāng)村道路模式、城市道路模式、高速公路模式、惡劣天氣模式等。表1中列出了不同類別AFS的光束圖。

2）自適應(yīng)遠(yuǎn)光燈系統(tǒng)（ADB）

自適應(yīng)遠(yuǎn)光燈系統(tǒng)（ADB）是由AFS系統(tǒng)演變而來。ADB系統(tǒng)的最早定義寫在UNECE第48號法規(guī)中，該法規(guī)將其定義為AFS的主光束，其光束模式適應(yīng)迎面而來和前方車輛的存在，以提高駕駛員的遠(yuǎn)距離能見度，而不會對其他道路使用者造成不適、分心或眩光。除無眩光前照燈外，下一步ADB系統(tǒng)還將添加道路投影功能。例如，導(dǎo)航信息的投影、動態(tài)車道輔助（顯示狹窄通道的車輛寬度）、車輛警告和狀態(tài)信息的投影等。此外，道路投影還可以實(shí)現(xiàn)駕駛員與其他道路參與者之間的交互，通過在路面上顯示文字和圖像，其他道路參與者可以準(zhǔn)確地獲取車輛的意圖。這種交互方式很有可能在未來自動駕駛環(huán)境中實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。

2. 前照燈相關(guān)技術(shù)

前照燈系統(tǒng)的光束模式和功能可以通過高分辨率光分布覆蓋整個照明區(qū)域來實(shí)現(xiàn)。該前照燈系統(tǒng)通過與車輛狀態(tài)和駕駛員操作相關(guān)的各種檢測傳感器來評估駕駛環(huán)境中的道路場景，從而動態(tài)調(diào)整單個像素，以生成相應(yīng)的照明模式。系統(tǒng)元件和工作流程如圖1所示。

圖1高分辨率前照燈系統(tǒng)工作流程圖

從工作過程可以看出，照明策略是由電子控制單元生成的。之后，高分辨率光分布的實(shí)現(xiàn)主要取決于前照燈，確切地說，取決于前照燈的調(diào)制技術(shù)。前照燈系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)包括LED陣列、微像素LED、不同的掃描技術(shù)等，采用的系統(tǒng)設(shè)備包括聲光偏轉(zhuǎn)器（AOD）、微光機(jī)電系統(tǒng)（MEOMS）、旋轉(zhuǎn)鏡、數(shù)字微鏡設(shè)備（DMD）、LCD和硅上液晶（LCoS）等。高分辨率光分布調(diào)制技術(shù)的分類如圖2所示。

圖2高分辨率光分布調(diào)制技術(shù)分類

PART#02

汽車前照燈相關(guān)法規(guī)和要求

歐洲地區(qū)的汽車照明的標(biāo)準(zhǔn)一般采用UNECE法規(guī)，除北美外，世界上許多地區(qū)也使用該法規(guī)，或?qū)⑵渥鳛槠囌彰鞯幕A(chǔ)。這些法規(guī)包括車輛前照燈設(shè)計和安裝的要求。在所有關(guān)于車輛前照燈的UNECE法規(guī)中，近光和遠(yuǎn)光的光分布要求作為前照燈開發(fā)和驗(yàn)證最重要的指南。

例如，UNECE法規(guī)第123條中關(guān)于右行交通近光的要求中提到為了評估光分布，車輛前方25m處的平面垂直屏幕被定義為2D表示。該2D表示反映了道路上的真實(shí)照明，如圖3所示。該條法規(guī)定義了前照燈FoV中的照明分布（即水平FoVH和垂直FoVV方向上輸出光的開啟角）。H-H線和V-V線代表水平軸和垂直軸。在H-H線上方的右側(cè)有一條截止線，該截止線與其他幾條線形成一個區(qū)域（圖3中的Ⅲ區(qū)），規(guī)定了該區(qū)域的最大照度值，即不得超過該值，以避免讓迎面而來的司機(jī)和行人產(chǎn)生眩光。

圖3右側(cè)交通的調(diào)節(jié)近光分布表示

（UNECE R123）

此外，UNECE第113條還對遠(yuǎn)光分布進(jìn)行了額外定義。規(guī)定在前照燈前方25m處安裝一個垂直測量屏幕，以確定光分布。遠(yuǎn)光分布的表示如圖4所示。該屏幕定義了角度方面的遠(yuǎn)光分布。與近光燈測量屏幕類似，存在與不同等級車輛的最小和最大發(fā)光強(qiáng)度相關(guān)的定義點(diǎn)。點(diǎn)1-5位于H-H線上，左右兩側(cè)分別以3°、6°、9°和12°的角度分布。所需的發(fā)光強(qiáng)度在點(diǎn)1處最高，因?yàn)樗S著角度分布的增加而降低。此外，點(diǎn)6-7位于V-V線上。點(diǎn)6位于水平面上方2°，點(diǎn)7位于水平面下方4°

圖4 右側(cè)交通的規(guī)定遠(yuǎn)光燈分布表示

（UNECE R113）

為保證交通安全和舒適性，車輛前照燈還需要滿足一些要求。例如，AFS和ADB功能可以通過高分辨率光分布覆蓋整個照明區(qū)域來實(shí)現(xiàn)。因此，高分辨率是此類前照燈的先決條件。高分辨率帶來的無眩光遠(yuǎn)光的主要優(yōu)點(diǎn)是消眩光區(qū)域可以控制。高分辨率前照燈可以精確關(guān)閉迎面而來車輛擋風(fēng)玻璃和人臉區(qū)域的像素，但仍然可以通過照亮其他部分讓駕駛員注意到這些道路參與者。此外，它還實(shí)現(xiàn)了照射交通標(biāo)志的昏暗照明區(qū)域，以避免通過反射自眩。這些去眩光功能統(tǒng)稱為遮光。圖5顯示了一個類似的例子。這種精確的遮光燈在復(fù)雜的交通情況下特別有用。除此之外，道路投影功能還需要高分辨率來動態(tài)調(diào)整投影內(nèi)容。

圖5交通環(huán)境中無眩光遠(yuǎn)光燈示意圖

PART#03汽車前照燈設(shè)計

1. 光源

LED和激光二極管（LDs）通常被視為當(dāng)前高分辨率前照燈的光源。在AFS照明功能中運(yùn)用的是基于區(qū)域的調(diào)制系統(tǒng)，LED和LDs都可以用作光源。由于光源的亮度應(yīng)小于或等于調(diào)制器的亮度，否則就會降低效率。因此，當(dāng)使用帶有基于面積的調(diào)制器的LED時，必須進(jìn)行預(yù)先計算。然而，LDs由于其極小的發(fā)射面積和相對狹窄的發(fā)散角而沒有限制。此外，與LED相比，LDs的準(zhǔn)高斯分布和較窄的發(fā)射發(fā)散度允許在系統(tǒng)中使用小型光學(xué)元件，從而在緊湊性方面具有優(yōu)勢。

除了從光源接收光再將調(diào)制光投射到行駛區(qū)域的調(diào)制技術(shù)外，還有一種直接照明系統(tǒng)，即微像素LED。該調(diào)制器本身是一種光源，其發(fā)射的光具有高分辨率分布。它通常與投影透鏡系統(tǒng)一起工作。但由于白色LED的工作機(jī)制，投影透鏡系統(tǒng)可能會導(dǎo)致對比度問題。微像素LED通過將藍(lán)光與黃色熒光磷光體層結(jié)合來產(chǎn)生白光。二極管發(fā)出的藍(lán)光部分被磷光體吸收，并被轉(zhuǎn)換成更長的波長。未轉(zhuǎn)換光和轉(zhuǎn)換光的組合在人類視覺系統(tǒng)中形成白光。在大多數(shù)情況下，從磷光體表面發(fā)射具有朗伯分布的光。該工作原理如圖6所示。

圖6微像素LED工作原理

與傳統(tǒng)的白色LED不同，微像素LED可以照亮LED芯片上的一部分像素，而其他像素保持未激活狀態(tài)。由于菲涅耳效應(yīng)，微像素LED前的透鏡可能會將一些藍(lán)光從被照明像素反射到芯片表面上的未激活區(qū)域。反射的藍(lán)光刺激磷光體，導(dǎo)致這些非像素產(chǎn)生不必要的光，如圖7所示。

圖7 微像素LED光學(xué)系統(tǒng)的菲涅耳反射

導(dǎo)致對比度降低

因?yàn)檎丈鋮^(qū)域中存在應(yīng)遮住的光線，所以這種現(xiàn)象會對前照燈的對比度性能產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，應(yīng)考慮采取適當(dāng)?shù)拇胧?，例如防反射（AR）涂層。

2. 調(diào)制技術(shù)

在整合前照燈系統(tǒng)中使用的技術(shù)時，調(diào)制技術(shù)和系統(tǒng)的匹配程度是主要分析和比較的部分。與當(dāng)前前照燈系統(tǒng)中的其他光學(xué)系統(tǒng)相比，缺少附加光學(xué)系統(tǒng)會導(dǎo)致相對較窄的FOV。當(dāng)需要更寬的視野時，仍然需要光學(xué)元件投影加以輔助（加法）。相比之下，DMD、LCD和LCoS前照燈通過遮光或?yàn)V光（減法）實(shí)現(xiàn)調(diào)制，這些系統(tǒng)必須與光學(xué)投影系統(tǒng)配合使用。對于使用高分辨率基于面積的調(diào)制器，由于使用減法生成照明方案和投影圖案，光學(xué)效率通常低于使用加法的調(diào)制器。

總之，對于實(shí)現(xiàn)前照燈系統(tǒng)，加法和減法調(diào)制器都有其缺點(diǎn)。不同技術(shù)的缺點(diǎn)主要來自這些技術(shù)本身的工作機(jī)制，不同調(diào)制技術(shù)方面特性設(shè)計如表2所示?？筛鶕?jù)具體設(shè)計意圖選擇合適的光源和調(diào)制技術(shù)作為解決方案。

PART#04 未來展望

未來，高分辨率照明功能應(yīng)在無需駕駛員干預(yù)的情況下自動實(shí)，這需要多種傳感器的協(xié)調(diào)。當(dāng)前所謂的高級駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）就是將不同的傳感器集成到車輛上，以檢測交通環(huán)境。檢測到的信息可用作前照燈控制系統(tǒng)的輸入，前照燈充當(dāng)ADAS的輸出設(shè)備，以便前照燈能夠調(diào)節(jié)，使照明和投影照明內(nèi)容適應(yīng)交通場景。例如，傳感器可以區(qū)分駕駛環(huán)境，以便應(yīng)用AFS的不同照明模式。對車輛前方路況ADAS相應(yīng)設(shè)備的協(xié)同工作如圖8所示。

圖8 ADAS協(xié)同工作示意圖

審核編輯 ：李倩