一文读懂智能大灯光源技术路线

01
导言:智能大灯发展趋势

根据不同路况改变光型的大灯概念早在 1958 年已被首次提出,但在以卤素灯为大灯主要光源的年代从技术上难以实现。

而随着汽车灯具技术的不断进步,由其是 LED 光源的普及,以及传感器和算法处理领域的大量技术革新,目前较先进的大灯系统已实现根据各种复杂的路面环境进行多样化光型调节的功能,执行诸如多道路模式切换、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。

此类功能既对行驶安全有帮助,也能直观地提升车辆的科技感, 更与目前的辅助驾驶/自动驾驶技术趋势所契合,市场前景广阔。

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,其光源技术的核心均为把远近光光型分为数量不等的多个区域,并根据摄像头或传感器的数据输入及预设的算法对每个区域进行开关控制或亮度调节。

所分区域越多,能组合出来的光型数量则越多,就能实现越复杂的智能照明动作。随着所分区域的逐渐增多及单个区域面积的不断缩小,业内已开始用显示技术中的“像素”概念来指代此类区域。

本文将对实现此类多像素智能大灯的几大主流光源技术路线进行分析。由于篇幅所限,本文仅对各技术进行概括性的描述,并分析其核心优势及主要瓶颈。

02
光源技术路线分析

(1)LED 矩阵式

基于 LED 小体积、易驱动、快速响应等特性,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。与普通 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 配光成为独立像素的较复杂的二次光学系统。

虽然其成本比普通 LED 大灯要高,但与后面介绍的几种技术相比,LED 矩阵仍不失为较经济的多像素实现方式。同样地,相关技术也相对较成熟,开发的不确定性较低,周期相对较短。这便是其最大的优势。

可其限制也很明显。

无论是全部使用单芯片的 LED 颗粒,还是混合使用多芯片的颗粒,由于 LED 封装尺寸的限制,最终的像素数量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 数量成比例上升。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 (来源: HELLA 官网)

(2)LCD 式

随着像素数量的提高,智能大灯的照明功能已逐渐兼具显示功能。LCD(Liquid Crystal Display,液晶显示技术)作为目前主流的显示技术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 式大灯与普通 LCD 显示器一样,需要背光源、偏光片及液晶面板等基本构件。

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

即使如此,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本身的损耗也远高于普通液晶显示器,加上需要经过严酷的车规级验证,这些器件,由其是液晶面板,需要厂家特殊定制。

目前的 LCD 式大灯的像素数量级已经能做到万级,鉴于当前用于显示的 LCD 技术能做到高得多的像素级别,有理由相信 LCD 式大灯能在不远的未来突破十万级乃至更高的像素数量级。

相对于下面介绍的基于投影技术的 DLP 式大灯光源系统,LCD 式具有成本相对较低,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损耗,光学效率相对较低,而且从原理上来说改善空间有效。另外,液晶面板长时间在高温工作下的寿命衰减,乃至各项性能参数的变动(如液晶体反应速率,透过率,均匀性等)也是需要密切关注的技术点。

更值得注意的是,能符合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合作定制此类面板;而且目前估计也只有极少数面板厂能生产出符合要求的面板,因此此技术的普及有一定难度。

图三 LCD 式智能大灯示例 (图片来源: HELLA 官网)

(3)DLP 式

与发展 LCD 式智能大灯的原因类似,作为目前投影设备主流技术的基于 DMD 器件 (Digital Micromirror Device, 数字微镜元件)的 DLP 技术 (Digital Light Processing, 数字光处理)自然也成为了多像素智能大灯光源系统的可选技术路线。

DLP 式大灯光源系统,可理解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。当然,为了符合车规认证,特别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明显,因此还需要作相应的图像算法校正。

光源方面,与目前的投影技术类似,LED 和激光(Laser)均可作为 DLP 系统的光源。由于 RGB 三原色激光混光技术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 的优势在于技术比较成熟,亮度、效率等各主要参数也足够好。激光+DMD 的优势在于,得益于激光的强方向性,即使需要加上荧光粉转换白光,其光机出光孔仍可以做得非常小,一方面可以减少系统体积,另一方面小出光口本身也是一直与众不同的头灯设计语言。

效率方面,理论上激光能做到比 LED 更高,但考虑到目前车规级蓝光激光的技术水平以及荧光粉的转换效率,其整体差距其实并不大。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安全隐患(例如发生碰撞事故后)等所有车用激光光源均需要面对的共同问题。

就整体方案而言,DLP 相对于目前其他的多像素技术最大的优势正是在于像素数量之多。目前的首款 DLP 式智能大灯已突破百万级的像素,遥遥领先于其他技术,而且将来还有进一步上升的空间。此外,虽然投影光机的技术门槛较高,但汽车主机厂或灯具厂可发挥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合作,实现相关的技术转移和技术升级。

DLP 技术目前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 的工作原理,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,对于部分对比度要求较高的智能动作(如远光去眩光)不够理想。

另外,目前的车规级 DMD 器件投射角度有限,单颗 DMD 仅适合近场小范围投射。除非将来有为大灯特殊定制的广角度 DMD 器件。

目前要大幅拓宽 DLP 系统的图像范围(例如用投影的方式直接实现随动转向)可能只有增加额外的 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发展趋势,重新增加了系统的复杂度和降低了可靠性。

另外,要充分利用 DLP 的超高像素优势,自然要相应地设计较复杂的图像模式。而过于复杂的图像是否会引起本车及路上其他车辆的驾驶员分心,产生安全隐患,也是目前业内在广泛讨论的一个话题。相信各国的法规订制部门将来也会对此出台相应的标准。

图四 DLP 式智能大灯示例 (图片来源: 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 技术。

在过去传统的 LED 工艺里,每个芯片只有单个正极和单个负极(多芯片 LED 仅是把多个独立的 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,结合同样经矩阵式微结构处理的芯片,实现了对芯片上每一个独立的微结构区域进行单独的开、关及电流调节的功能,使每一个微结构区域直接成为了大灯光型中可独立控制的像素。

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。

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

得益于无需额外增加像素生成系统的特性,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。这三个特性意味着使用多个 μAFS 排列组合为更复杂的光学系统成为可能。

此外,由于与单颗朗伯体发光的 LED 光型接近,μAFS 的光型延展性也相对较好。又由于是直接对 LED 光源进行开关动作,其能达到的明暗对比度是几种方案里面最高的。成熟的 LED 硅衬底技术也使得 μAFS 有更稳定的温度特性。

与 LCD 式及 DLP 式相比,μAFS 的主要限制在于像素的数量。目前面世的 μAFS 像素数量级在千级,未来几年有望能提升到万级,十万级以上产品则在更远期的规划当中。

图五  EVIYOS-μAFS 式智能大灯示例 (图片来源: OSRAM)

(5)激光扫描式

激光扫描式投影技术已在消费及工业领域开始应用,理论上存在拓展到车载领域,特别是智能大灯系统上应用的可能性,已有厂家提出相关概念并进行可行性研究。

其基本原理为利用基于 MEMS 技术(Micro-Electro-Mechanical System, 微机电系统)所制成的高精度扫描镜周期性地在不同角度上依次反射激光光路,在投射面上形成远高于人眼反应速率的快速刷新图像。

假如此技术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。其像素数量级也能做到与 DLP 式接近。

图六    激光扫描式投影技术示意(图片来源: BOSCH 官网)

但此技术目前离通过车规认证还有相当的距离,特别是在大灯的高温度、强震动工作环境下,目前的 MEMS 扫描镜技术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动形成频率叠加,产生人眼可感知的图像抖动或者闪烁,严重时可能会引起驾驶员的不适。

若能攻克以上困难,真正能达到车用级别的 MEMS 扫描镜技术也有可能已与今天的技术面貌大不一样,相关课题需要重新研究。因此该技术值得关注,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。

03
总结及展望

除去技术目前尚未成熟的激光扫描式大灯,对于技术相对接近并各有所长的LED+LCD, LED+DMD, Laser+DMD 及 μAFS 四种高像素技术,外加入门级的低像素 LED 矩阵进行主要参数对比,可得对比图如下:

图七 各技术综合对比

可见,LED+LCD 总的来说各方面比较均衡,效率是瓶颈;LED/LASER+DMD 在像素数量上一枝独秀;而 μAFS 在效率、对比度、工作温度范围等方面均有相当优势。

值得指出的是,这几项技术相互间虽有一定的竞争性,但更存在着各取所长的有机结合空间。

典型的例子:在近场使用超高像素的 LCD 或 DLP 形成对驾驶员干扰较少的高清图案(如行人指示,自行车安全区域标识等)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 进行大范围的区域照明并实施功能性智能动作(如无眩光远光灯);并辅以分立式 LED 作光型补充(如随动转向光型延展)。例如下图图八所示:

图八 几种技术的有机结合

可见,作为未来汽车照明发展方向的多像素智能大灯系统,具有广阔的市场前景,丰富的技术储备,以及无限的创新空间,值得业内厂家提前投入和布局。(文:何海翔)

 

来源:欧司朗光电半导体

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