帶你領(lǐng)悟智能大燈光源技術(shù)路線

01

導(dǎo)言：智能大燈發(fā)展趨勢

根據(jù)不同路況改變光型的大燈概念早在 1958 年已被首次提出，但在以鹵素?zé)魹榇鬅糁饕庠吹哪甏鷱募夹g(shù)上難以實(shí)現(xiàn)。

而隨著汽車燈具技術(shù)的不斷進(jìn)步，由其是 LED 光源的普及，以及傳感器和算法處理領(lǐng)域的大量技術(shù)革新，目前較先進(jìn)的大燈系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)根據(jù)各種復(fù)雜的路面環(huán)境進(jìn)行多樣化光型調(diào)節(jié)的功能，執(zhí)行諸如多道路模式切換、智能隨動(dòng)轉(zhuǎn)向、自動(dòng)識(shí)別對(duì)向來車的無眩光遠(yuǎn)光、路標(biāo)識(shí)別、行人警示等智能照明動(dòng)作。

此類功能既對(duì)行駛安全有幫助，也能直觀地提升車輛的科技感, 更與目前的輔助駕駛/自動(dòng)駕駛技術(shù)趨勢所契合，市場前景廣闊。

圖一 ADB （Adaptive Driving Beam）的市場份額趨勢評(píng)估

無論實(shí)現(xiàn)何種智能照明動(dòng)作，其光源技術(shù)的核心均為把遠(yuǎn)近光光型分為數(shù)量不等的多個(gè)區(qū)域，并根據(jù)攝像頭或傳感器的數(shù)據(jù)輸入及預(yù)設(shè)的算法對(duì)每個(gè)區(qū)域進(jìn)行開關(guān)控制或亮度調(diào)節(jié)。

所分區(qū)域越多，能組合出來的光型數(shù)量則越多，就能實(shí)現(xiàn)越復(fù)雜的智能照明動(dòng)作。隨著所分區(qū)域的逐漸增多及單個(gè)區(qū)域面積的不斷縮小，業(yè)內(nèi)已開始用顯示技術(shù)中的“像素”概念來指代此類區(qū)域。

本文將對(duì)實(shí)現(xiàn)此類多像素智能大燈的幾大主流光源技術(shù)路線進(jìn)行分析。由于篇幅所限，本文僅對(duì)各技術(shù)進(jìn)行概括性的描述，并分析其核心優(yōu)勢及主要瓶頸。

02

光源技術(shù)路線分析

? LED 矩陣式

基于 LED 小體積、易驅(qū)動(dòng)、快速響應(yīng)等特性，使用多顆 LED 組成行、列或矩陣式排列是實(shí)現(xiàn)入門級(jí)多像素智能大燈的基礎(chǔ)方案。與普通 LED 大燈相比，LED矩陣式大燈需要更多路的驅(qū)動(dòng)，更大的散熱能力，以及給每顆 LED 配光成為獨(dú)立像素的較復(fù)雜的二次光學(xué)系統(tǒng)。

雖然其成本比普通 LED 大燈要高，但與后面介紹的幾種技術(shù)相比，LED 矩陣仍不失為較經(jīng)濟(jì)的多像素實(shí)現(xiàn)方式。同樣地，相關(guān)技術(shù)也相對(duì)較成熟，開發(fā)的不確定性較低，周期相對(duì)較短。這便是其最大的優(yōu)勢。

可其限制也很明顯。

無論是全部使用單芯片的 LED 顆粒，還是混合使用多芯片的顆粒，由于 LED 封裝尺寸的限制，最終的像素?cái)?shù)量級(jí)能到百位級(jí)已經(jīng)基本上是極限。

同時(shí)，在 LED 顆數(shù)增多的同時(shí)，LED 之間亮度、顏色、電壓等參數(shù)一致性的調(diào)控難度也成比例上升。在加工上，二次光學(xué)系統(tǒng)與 LED 之間的校準(zhǔn)難度也會(huì)隨著 LED 數(shù)量成比例上升。這些因素都限制了此方案在高像素要求的智能大燈中的使用。

圖二 LED 矩陣式智能大燈示例 （來源: HELLA 官網(wǎng)）

?LCD 式

隨著像素?cái)?shù)量的提高，智能大燈的照明功能已逐漸兼具顯示功能。LCD（Liquid Crystal Display，液晶顯示技術(shù)）作為目前主流的顯示技術(shù)自然而然地成為了智能大燈光源系統(tǒng)的一個(gè)選擇。

除去大燈所不需要的三色濾色片（RGB Color Filter）, LCD 式大燈與普通 LCD 顯示器一樣，需要背光源、偏光片及液晶面板等基本構(gòu)件。

另由于功率密度比普通顯示器高得多，LED 矩陣背光大量發(fā)熱，使得液晶面板無法像 LCD 顯示器一樣直接放在背光源上，需要增加如反射鏡等一些二次光學(xué)器件來形成一定距離的光路。

即使如此，由于相對(duì)較高的亮度，偏光片及液晶面板需要吸收的來自光線本身的損耗也遠(yuǎn)高于普通液晶顯示器，加上需要經(jīng)過嚴(yán)酷的車規(guī)級(jí)驗(yàn)證，這些器件，由其是液晶面板，需要廠家特殊定制。

目前的 LCD 式大燈的像素?cái)?shù)量級(jí)已經(jīng)能做到萬級(jí)，鑒于當(dāng)前用于顯示的 LCD 技術(shù)能做到高得多的像素級(jí)別，有理由相信 LCD 式大燈能在不遠(yuǎn)的未來突破十萬級(jí)乃至更高的像素?cái)?shù)量級(jí)。

相對(duì)于下面介紹的基于投影技術(shù)的 DLP 式大燈光源系統(tǒng)，LCD 式具有成本相對(duì)較低，體積相對(duì)較小，光型可拉伸角度較寬，明暗對(duì)比度較高等優(yōu)勢。

其主要限制在于，由于偏光片及液晶面板的損耗，光學(xué)效率相對(duì)較低，而且從原理上來說改善空間有效。另外，液晶面板長時(shí)間在高溫工作下的壽命衰減，乃至各項(xiàng)性能參數(shù)的變動(dòng)（如液晶體反應(yīng)速率，透過率，均勻性等）也是需要密切關(guān)注的技術(shù)點(diǎn)。

更值得注意的是，能符合大燈使用要求的液晶面板必須特殊定制，只有具有相當(dāng)規(guī)模的燈具廠才有可能跟液晶面板廠商合作定制此類面板；而且目前估計(jì)也只有極少數(shù)面板廠能生產(chǎn)出符合要求的面板，因此此技術(shù)的普及有一定難度。

圖三 LCD 式智能大燈示例 （圖片來源: HELLA 官網(wǎng)）

? DLP 式

與發(fā)展 LCD 式智能大燈的原因類似，作為目前投影設(shè)備主流技術(shù)的基于 DMD 器件 （Digital Micromirror Device, 數(shù)字微鏡元件）的 DLP 技術(shù) (Digital Light Processing, 數(shù)字光處理)自然也成為了多像素智能大燈光源系統(tǒng)的可選技術(shù)路線。

DLP 式大燈光源系統(tǒng)，可理解為僅使用白色像素的投影儀，其基本原理與投影儀并無本質(zhì)區(qū)別。當(dāng)然，為了符合車規(guī)認(rèn)證，特別是大燈中嚴(yán)苛的使用環(huán)境，從 DMD 器件到與之配合的光機(jī)系統(tǒng)均需要作設(shè)計(jì)優(yōu)化。另外，大燈投影面為水平路面，投射距離越遠(yuǎn)，其投影圖像的梯形畸變效應(yīng)越明顯，因此還需要作相應(yīng)的圖像算法校正。

光源方面，與目前的投影技術(shù)類似，LED 和激光（Laser）均可作為 DLP 系統(tǒng)的光源。由于 RGB 三原色激光混光技術(shù)對(duì)于僅需要白光的大燈系統(tǒng)不合適，因此激光光源主要為藍(lán)光激光+熒光粉轉(zhuǎn)換白光的方案。

LED+DMD 的優(yōu)勢在于技術(shù)比較成熟，亮度、效率等各主要參數(shù)也足夠好。激光+DMD 的優(yōu)勢在于，得益于激光的強(qiáng)方向性，即使需要加上熒光粉轉(zhuǎn)換白光，其光機(jī)出光孔仍可以做得非常小，一方面可以減少系統(tǒng)體積，另一方面小出光口本身也是一直與眾不同的頭燈設(shè)計(jì)語言。

效率方面，理論上激光能做到比 LED 更高，但考慮到目前車規(guī)級(jí)藍(lán)光激光的技術(shù)水平以及熒光粉的轉(zhuǎn)換效率，其整體差距其實(shí)并不大。而且，使用激光作光源還要解決車用激光壽命，高溫光衰，及熒光粉脫落導(dǎo)致的直射人眼的安全隱患（例如發(fā)生碰撞事故后）等所有車用激光光源均需要面對(duì)的共同問題。

就整體方案而言，DLP 相對(duì)于目前其他的多像素技術(shù)最大的優(yōu)勢正是在于像素?cái)?shù)量之多。目前的首款 DLP 式智能大燈已突破百萬級(jí)的像素，遙遙領(lǐng)先于其他技術(shù)，而且將來還有進(jìn)一步上升的空間。此外，雖然投影光機(jī)的技術(shù)門檻較高，但汽車主機(jī)廠或燈具廠可發(fā)揮自身熟悉車規(guī)行業(yè)規(guī)范的設(shè)計(jì)優(yōu)勢與傳統(tǒng)投影光機(jī)廠開展合作，實(shí)現(xiàn)相關(guān)的技術(shù)轉(zhuǎn)移和技術(shù)升級(jí)。

DLP 技術(shù)目前的瓶頸在于系統(tǒng)成本較高，所需的系統(tǒng)空間相對(duì)較大。而且由于 DMD 的工作原理，像素間雜散光難以完全消除，像素明暗極值之間的對(duì)比度較低，對(duì)于部分對(duì)比度要求較高的智能動(dòng)作（如遠(yuǎn)光去眩光）不夠理想。

另外，目前的車規(guī)級(jí) DMD 器件投射角度有限，單顆 DMD 僅適合近場小范圍投射。除非將來有為大燈特殊定制的廣角度 DMD 器件。

目前要大幅拓寬 DLP 系統(tǒng)的圖像范圍（例如用投影的方式直接實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)轉(zhuǎn)向）可能只有增加額外的 DMD 器件或重新加入機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)。前者會(huì)導(dǎo)致成本的大幅上升，后者則有違智能大燈數(shù)字化的發(fā)展趨勢，重新增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和降低了可靠性。

另外，要充分利用 DLP 的超高像素優(yōu)勢，自然要相應(yīng)地設(shè)計(jì)較復(fù)雜的圖像模式。而過于復(fù)雜的圖像是否會(huì)引起本車及路上其他車輛的駕駛員分心，產(chǎn)生安全隱患，也是目前業(yè)內(nèi)在廣泛討論的一個(gè)話題。相信各國的法規(guī)訂制部門將來也會(huì)對(duì)此出臺(tái)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

圖四 DLP 式智能大燈示例 （圖片來源: BENZ 及 TI 官網(wǎng)）

? μAFS 式

μAFS 是業(yè)內(nèi)對(duì)可尋址像素矩陣式 LED（Addressable LED Pixel Array）的簡稱，是一種專門針對(duì)多像素智能大燈系統(tǒng)開發(fā)的 LED 技術(shù)。

在過去傳統(tǒng)的 LED 工藝?yán)?，每個(gè)芯片只有單個(gè)正極和單個(gè)負(fù)極（多芯片 LED 僅是把多個(gè)獨(dú)立的 LED 芯片整合到一個(gè) LED 封裝），外部驅(qū)動(dòng)提供電能后，整片芯片同時(shí)點(diǎn)亮。

而 μAFS 則是預(yù)先在芯片的硅襯底中整合了矩陣式的 CMOS 控制電路，結(jié)合同樣經(jīng)矩陣式微結(jié)構(gòu)處理的芯片，實(shí)現(xiàn)了對(duì)芯片上每一個(gè)獨(dú)立的微結(jié)構(gòu)區(qū)域進(jìn)行單獨(dú)的開、關(guān)及電流調(diào)節(jié)的功能，使每一個(gè)微結(jié)構(gòu)區(qū)域直接成為了大燈光型中可獨(dú)立控制的像素。

因此，μAFS 雖仍以 LED 為光源，但其與同以 LED 為光源的 LCD 式和 DLP 式大燈光源系統(tǒng)的區(qū)別在于像素的形成：μAFS 在 LED 芯片的層面直接形成像素；LCD 通過液晶面板、DLP 通過 DMD 器件形成像素。

目前已面世的首款 μAFS——?dú)W司朗的 EVIYOS, 能在 4mm×4mm 的單個(gè)芯片上做到 1024 像素，單個(gè)像素達(dá)到 3lm 的光通量。

得益于無需額外增加像素生成系統(tǒng)的特性，μAFS 的主要優(yōu)勢便體現(xiàn)在較低的系統(tǒng)成本，較小的系統(tǒng)體積，以及相當(dāng)高的效率。這三個(gè)特性意味著使用多個(gè) μAFS 排列組合為更復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)成為可能。

此外，由于與單顆朗伯體發(fā)光的 LED 光型接近，μAFS 的光型延展性也相對(duì)較好。又由于是直接對(duì) LED 光源進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作，其能達(dá)到的明暗對(duì)比度是幾種方案里面最高的。成熟的 LED 硅襯底技術(shù)也使得 μAFS 有更穩(wěn)定的溫度特性。

與 LCD 式及 DLP 式相比，μAFS 的主要限制在于像素的數(shù)量。目前面世的 μAFS 像素?cái)?shù)量級(jí)在千級(jí)，未來幾年有望能提升到萬級(jí)，十萬級(jí)以上產(chǎn)品則在更遠(yuǎn)期的規(guī)劃當(dāng)中。

圖五 EVIYOS-μAFS 式智能大燈示例 （圖片來源: OSRAM）

? 激光掃描式

激光掃描式投影技術(shù)已在消費(fèi)及工業(yè)領(lǐng)域開始應(yīng)用，理論上存在拓展到車載領(lǐng)域，特別是智能大燈系統(tǒng)上應(yīng)用的可能性，已有廠家提出相關(guān)概念并進(jìn)行可行性研究。

其基本原理為利用基于 MEMS 技術(shù)（Micro-Electro-Mechanical System, 微機(jī)電系統(tǒng)）所制成的高精度掃描鏡周期性地在不同角度上依次反射激光光路，在投射面上形成遠(yuǎn)高于人眼反應(yīng)速率的快速刷新圖像。

假如此技術(shù)能通過車規(guī)認(rèn)證應(yīng)用在智能大燈系統(tǒng)上，將有可能是效率最高，體積最小的解決方案。其像素?cái)?shù)量級(jí)也能做到與 DLP 式接近。

圖六 激光掃描式投影技術(shù)示意（圖片來源: BOSCH 官網(wǎng)）

但此技術(shù)目前離通過車規(guī)認(rèn)證還有相當(dāng)?shù)木嚯x，特別是在大燈的高溫度、強(qiáng)震動(dòng)工作環(huán)境下，目前的 MEMS 掃描鏡技術(shù)還遠(yuǎn)達(dá)不到應(yīng)用要求。

另外，掃描式的投影圖像有可能在真實(shí)路況中與車輛的震動(dòng)形成頻率疊加，產(chǎn)生人眼可感知的圖像抖動(dòng)或者閃爍，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)引起駕駛員的不適。

若能攻克以上困難，真正能達(dá)到車用級(jí)別的 MEMS 掃描鏡技術(shù)也有可能已與今天的技術(shù)面貌大不一樣，相關(guān)課題需要重新研究。因此該技術(shù)值得關(guān)注，但在短期內(nèi)還難以在智能大燈上應(yīng)用，并存在較大不確定性。

03

總結(jié)及展望

除去技術(shù)目前尚未成熟的激光掃描式大燈，對(duì)于技術(shù)相對(duì)接近并各有所長的LED+LCD, LED+DMD, Laser+DMD 及 μAFS 四種高像素技術(shù)，外加入門級(jí)的低像素 LED 矩陣進(jìn)行主要參數(shù)對(duì)比，可得對(duì)比圖如下：

圖七 各技術(shù)綜合對(duì)比

可見，LED+LCD 總的來說各方面比較均衡，效率是瓶頸；LED/LASER+DMD 在像素?cái)?shù)量上一枝獨(dú)秀；而 μAFS 在效率、對(duì)比度、工作溫度范圍等方面均有相當(dāng)優(yōu)勢。

值得指出的是，這幾項(xiàng)技術(shù)相互間雖有一定的競爭性，但更存在著各取所長的有機(jī)結(jié)合空間。

典型的例子：在近場使用超高像素的 LCD 或 DLP 形成對(duì)駕駛員干擾較少的高清圖案（如行人指示，自行車安全區(qū)域標(biāo)識(shí)等）或信息簡明的智能動(dòng)作（如投射到路面的導(dǎo)航箭頭）；同時(shí)在遠(yuǎn)場及主要照明區(qū)域使用 μAFS 進(jìn)行大范圍的區(qū)域照明并實(shí)施功能性智能動(dòng)作（如無眩光遠(yuǎn)光燈）；并輔以分立式 LED 作光型補(bǔ)充（如隨動(dòng)轉(zhuǎn)向光型延展）。例如下圖圖八所示：

圖八 幾種技術(shù)的有機(jī)結(jié)合

可見，作為未來汽車照明發(fā)展方向的多像素智能大燈系統(tǒng)，具有廣闊的市場前景，豐富的技術(shù)儲(chǔ)備，以及無限的創(chuàng)新空間，值得業(yè)內(nèi)廠家提前投入和布局。