汽車照明燈具技術需求及發(fā)展趨勢
羅滔
中山大學佛山研究院副院長
《2018阿拉丁照明產(chǎn)業(yè)調(diào)研白皮書》汽車照明 顧問
1)LED技術的快速推廣
LED光源與傳統(tǒng)光源相比，具備了諸多性能優(yōu)點，壽命長、響應快、光效高、節(jié)能環(huán)保，外加LED體積小，易造型，有助于燈具造型的靈活設計，這些都造就了LED光源的競爭力。
其次，國家對LED產(chǎn)業(yè)的大力度扶持，孕育了LED技術應用的良性生態(tài)?？傊?，LED成本侵蝕、性能優(yōu)化、LED模塊標準化、驅(qū)動成本下降、車用LED需求增加，都加速催化了LED 技術的應用和推廣。據(jù)某公司新開發(fā)項目的統(tǒng)計，LED光源占比已達90% 以上，即未來兩至三年后上市的車型，幾乎所有車型都將使用LED光源。
值得一提的是，新能源汽車的發(fā)展推動了LED車燈的應用，不僅加快了LED車用照明的普及，同時為LED在整車上的應用創(chuàng)造了更多可能。
由于新能源汽車對續(xù)航里程的需求，除了提升電池性能外，還需要在各環(huán)節(jié)降低能量消耗，LED的發(fā)光效率高，能耗僅是傳統(tǒng)鹵素燈的30%左右。例如，比亞迪整車燈具，光源全部由燈泡更換為LED光源，單車大約可以節(jié)約250W的能耗，以比亞迪E6為例，大約能節(jié)約 3%~~5%的電量，所以新能源汽車對LED車用照明的需求十分強烈。
此外，LED技術在新能源汽車上可以實現(xiàn)更多的應用。新能源車由于能耗問題一般設計的比較輕巧，而LED發(fā)光集中、光源小，更能滿足新能源車對小巧車燈的需要。
2)造型個性化與成本平衡
兼顧個性化的同時，發(fā)展基于多樣化的標準模組、驅(qū)動模塊平臺件，并配以合適的散熱設計，確保零件盡可能多地復用，有利于縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)費用，最終取得成本優(yōu)勢。
3)儀式感塑造
隨著LED光源技術、電子驅(qū)動技術、傳感器技術、及 軟件技術的結合，儀式感塑造將從單一燈光模式，向聲、光、電一體的融合模式進化，會越來越多地體現(xiàn)在將來的產(chǎn)品上。因此，我們也會看到未來汽車燈光將變得越來越“個性”、“感性”、“靈性”。
4)標準軟硬件架構加軟件個性化定制
今后，燈具設計會往個性化、智能化、場景化趨勢發(fā)展，燈光控制將愈加多樣復雜，甚至需車輛總線(CAn、LIn)的介入。再者，新車型上市周期縮減，車型平臺的更新加快，功能推陳出新頻繁，燈控模塊需標準化設計，采用標準化軟硬件架構，隔離應用軟件與底層及硬件，擺脫 ECU軟件開發(fā)驗證對硬件系統(tǒng)的依賴，為客戶提供一個具有高度動態(tài)性和靈活性的平臺來實現(xiàn)個性化定制和快速迭代，滿足功能復雜、規(guī)范化要求高的項目需求，縮減了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本和風險。
LED汽車照明燈具光學技術現(xiàn)狀分析
概況
隨著LED照明應用的深入，LED已經(jīng)進入了絕大多數(shù)照明應用領域，也包括汽車照明。和所有的照明系統(tǒng)一樣，汽車照明也包括光學、電子控制、驅(qū)動、散熱和外形結構等部分。其中，光學設計決定了形成汽車照明特殊的光斑形狀 和光色分布，是整個燈具中最精密的部分，也是設計自由度相對最大的部分。因此，光學技術是針對LED車燈的技術布局中最重要的一個部分。
研究LED車燈光學技術的現(xiàn)狀，最好的途徑是從分析比對LED車燈專利入手。因此，編者調(diào)研了截止2014年國內(nèi)申請的LED光學專利，共找到符合LED照明用光學系統(tǒng)相關的專利共計6503件，僅車燈專利就有841件，占我國申請專利數(shù)量的12.93%，遠遠超過其他單一照明領域的專利數(shù)量。由此可見，在光學設計研發(fā)成果中，LED車燈的研發(fā)成果是最豐富的。形成 LED 汽車照明如此重視光學開發(fā)的原因，包括以下幾點:
1)、汽車照明燈具類別多，外觀形態(tài)豐富，為光學設計提供了巨大的發(fā)揮空間。
2)、汽車照明技術要求特殊，需要獨特的光學設計。
3)、汽車照明利潤空間大，集合了最強大的光學設計開發(fā)能力。在LED汽車照明光學專利，前照燈的專利數(shù)量 超過了一半。此外，由于汽車前照燈的技術要求明確，設計雖然有相當自由度但放置燈頭的空間大體相當，便于橫向比對和總結汽車用照明光學系統(tǒng)發(fā)展脈絡。因此，本白皮書針對光學技術的分析將集中在汽車前照燈展開。
前照燈照明規(guī)范光學性能對光學設計的要求
現(xiàn)存的汽車前照燈的主要標準體系有：中國GB標準、歐盟ECE法規(guī)、美國SAE標準、澳大利亞ADR設計規(guī)則等。
其中，歐洲ECE標準中近光燈配光要求規(guī)定了四個照明區(qū)域，相應的測試點如圖1所示。該圖中同時標定了路面不同遠近位置在垂直接收測試面的映射位置。從標準可知，主要規(guī)定了9 個測試點的光度要求;遠光燈相對簡單，要求遠光燈具有足夠大的發(fā)光強度和足夠?qū)挼恼彰鞣秶h光光束中心(最大照度點)與中心點的比值大于80%，并設置了5個測試控制點。
對于近光燈的照明規(guī)范來說，參考圖3.10描述的汽車照明路面模擬示意圖，詳細說明了ECE 歐標中規(guī)定的四個區(qū)域?qū)膶嶋H照明情況。B50L稱作防眩點, 距前照燈50m處迎面而來的車輛駕駛員眼睛的位置，為了降低對面車輛的眩光，設計中希望這個點的照度越低越好;50R、75R分別代表本車右邊距前照燈50米、75米處路邊的照度值，希望能夠獲得足夠的照度;25L及25R分別表示燈具前方25米處的道路的左、右路邊的照度值，同樣需要一定的照度從而能夠讓駕駛員的視野更開闊;III區(qū)，又稱為防眩區(qū)，表明車燈的眩目情況，一般需要控制在較精準的范圍內(nèi)，需要照度很低;IV區(qū)為過渡區(qū)，表示汽車在25米至50米范圍內(nèi)車道全寬的照明情況，需要獲得盡量高的照度水平;I區(qū)稱作近距離照明區(qū)，表示距車前25米以內(nèi)的道路照明情況，在標準中規(guī)定得較寬松，但在實際使用的過程中都希望在距離車更近的位置開始獲得較好的照明。
現(xiàn)有前照車燈主流技術路線及解決方案總結分析
1)透鏡方案
包括單一透鏡方案及透鏡加切光結構、多透鏡方案。
在單一透鏡方案包括cn201310095626.0和cn200910210810.9，需要在透鏡出射面及透鏡的本體結構上設置特殊結構，用于形成截止線。這種方案的透鏡本體一定需要具有特殊結構，以實現(xiàn)截止線光斑。
透鏡加截止線切光結構方案(cn200510105013.6、cn201210582683.7與 cn201180067832.X) 中，需要額外添加一個用于切光的結構，而透鏡本身有全反射透鏡、菲涅爾透鏡或雙折射透鏡構成，形成一定準直特性又具備一定擴展的光束;截止線則由截止切光結構實現(xiàn)。
2) 反射器加擋片方案
包括 201220416425.7，201320540267.0 通過反射器的自由曲面設計將光線分布在偏光角度范圍，并根據(jù)擋片切出截止線的形狀。
3)反射器加透鏡
在近光光學系統(tǒng)設計方案中，反射器加透鏡是主流技術路線。其中，部分方案會添加切光裝置實現(xiàn)近光照明截止線; 也有方案(如cn201310330109.7)通過反射器準直，讓透鏡的自由曲面微結構實現(xiàn)截止線。
LED遠光照明解決方案，本質(zhì)上是一個小角度匯聚方案基礎上進行光斑略微整形的設計需求。大多數(shù)遠光光學設計都是需要首先滿足高匯聚準直設計需求，同時要抑制雜散光和眩光，最后需要有一點光斑彌散控制。基于此要求，LED遠光照明設計思路主要包括以下:
1)透鏡
使用透鏡的方案，包括TIR透鏡、雙折射透鏡、菲涅爾薄型透鏡，透鏡組合。從應用廣泛性來看，雙折射和透鏡組合的透鏡方案應用還是最多的。
2)反射器
形成遠光的單一反射器基本都是基于旋轉(zhuǎn)拋物面或者 旋轉(zhuǎn)拋物線的曲面加上微小調(diào)整實現(xiàn)的。反射器具有光色一致性好、準直能力強的特點，但需要通過設計的考慮控制更多光線，減少反射器的厚度;
3)透鏡+反射器方案
透鏡和反射器結合使用，可以最大程度降低眩光和不可控雜散光，同時提高光學效率和最大光強，從而實現(xiàn)最佳性能。當然，這樣的方案系統(tǒng)也是對系統(tǒng)匹配精度、冗余度要求最高的方案。
遠近光一體的光學解決方案，主要包括以下技術路線: 透鏡，反射器組合和透鏡+反射器組合。
單一透鏡實現(xiàn)遠近光一體的方案較少，專利cn201010186802.8和cn201310099299.6均通過復雜的自由曲面設計來實現(xiàn)遠近光一體的光斑。反射器組合和透鏡+反射組合都有很多應用。透鏡+反射器組合的技術方案，可以在很緊湊的空間范圍內(nèi)實現(xiàn)遠近光的切換，是目前二級市場用量最廣的技術方案。由于光學器件占用空間小，可以節(jié)省更多空間性給進行裝飾作用的日行燈或其他裝飾結構，增加燈具的美感。
最早該技術在專利cn200710149692.6中記錄。進一步，這種技術路線通過設置上下兩個光源，分別實現(xiàn)遠光和近光，如專利cn201210291632.9可以在相同直徑范圍避免使用彈片實現(xiàn)遠近光切換，但需要交替點亮兩個光源。
未來LED前照燈光學設計趨勢展望
隨著人性化駕駛趨勢的發(fā)展，LED前照燈照明也向著智能化的方向演進。其中，作為自動駕駛技術的重要組成部分，自適應駕駛技術(ADB)必然成為未來LED車燈照明的主要發(fā)展方向。適應ADB 技術的汽車照明光學方案中，矩陣式照明和電子控制遮擋片技術都是可采用的技術路線。
矩陣式照明，能夠最大程度利用LED發(fā)光面小的優(yōu)勢，通過很小的口徑實現(xiàn)一個局部區(qū)域的精準照明，從而大大增加控制的靈活性。代表應用是奧迪A8矩陣式LED汽車前大燈，能夠?qū)崿F(xiàn)分區(qū)域、分模塊照明，更加安全人性化(如圖3.11)
(a)對面來車的自適應光斑變化;(b)同向會車的自適應光斑變化
圖 3.11 奧迪矩陣式前照燈
傳統(tǒng)的汽車頭燈的設計方式，是以平滑拋物面所構成的反射效果，再搭配上花紋透明燈殼，將光源集中置于拋物面的焦距，以便形成平行光束，再經(jīng)過小凸透鏡而形 成雕塑光源。目前兩大主要汽車頭燈應用分為多重反射鏡面車燈(Multi-Re-flector;MR) 與投射式汽車頭燈 (Projection system)。
實際上，車燈的技術路線選擇雖然豐富，但考慮性價比和工藝可行性，真正實用的技術方案也較為有限。比如雙光透鏡(透鏡+反射器)的遠近光一體光學系統(tǒng)的應用就非常廣，但真正擁有其專利權的還是日本歐洲美國企業(yè)。相對 于其他技術路線，矩陣式技術方案在方案的選擇面上更小，因此國外企業(yè)的專利壁壘會更高，因此我國光學設計團隊和汽車照明企業(yè)都需要特別注意的相關知識產(chǎn)權的保護與規(guī)避。
LED汽車照明燈具控制技術現(xiàn)狀分析
牛萍娟
天津工業(yè)大學大功率半導體照明應用系統(tǒng)教育部工程研究中心、天津市半導體照明技術工程中心主任，教授，博導
《2018阿拉丁照明產(chǎn)業(yè)調(diào)研白皮書》汽車照明 顧問
目前主流的車燈控制技術
1)前照燈自適應控制技術
前照燈隨動調(diào)節(jié)
汽車控制系統(tǒng)通過光照強度傳感器能夠檢測車輛外部的環(huán)境亮度，當環(huán)境亮度低于規(guī)定值時汽車控制系統(tǒng)就會自動開啟前照大燈。汽車轉(zhuǎn)彎時，通過轉(zhuǎn)角傳感器測量出汽車轉(zhuǎn)彎的角度，使用橫擺角速度傳感器測量出汽車的橫擺角速度，利用車速傳感器測量出當前汽車的行駛速度，以及采用加速度計傳感器獲取車身高度 (車輛質(zhì)心) 和車燈轉(zhuǎn)角傳感器獲取車燈轉(zhuǎn)角等變化信息。
矩陣式LED光束調(diào)節(jié)
前照燈隨動調(diào)節(jié)在實際應用中卻存在著操縱性差和車燈轉(zhuǎn)角滯后等問題。操縱性差表現(xiàn)為行駛過程中車燈會抖動，車燈轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)精度不高，轉(zhuǎn)角容易出現(xiàn)超調(diào)等情況;車燈轉(zhuǎn)角滯后體現(xiàn)在車燈轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)滯后于駕駛員所期望的轉(zhuǎn)角。為了解決上述問題，研究人員引進了CCD 圖像傳感器技術和矩陣式LED大燈技術。
2)防炫目技術
汽車檢測和跟蹤
汽車檢測系統(tǒng)通常由圖像采集模塊、車輛檢測模塊和車輛跟蹤模塊等組成。汽車檢測是整個車輛識別好人跟蹤過程的基礎部分，后期進行的汽車運動估計和汽車跟蹤的實現(xiàn)都需要建立在正確、可靠的車輛檢測之上。汽車控制系統(tǒng)可以依據(jù)需求實時的對前方車輛進行檢測、識別和跟蹤，并通過相應的光束調(diào)節(jié)，進而能夠?qū)崿F(xiàn)防炫目功能。
防炫目光束調(diào)節(jié)
矩陣式LED大燈控制系統(tǒng)能夠通過車輛檢測系統(tǒng)，感知和跟蹤到800米距離內(nèi)的其它車輛;當檢測到汽車前方或?qū)ο蜍嚨烙熊囕v和行人時，大燈控制系統(tǒng)會實時檢測跟蹤目標車輛，并關閉相應位置的LED單體，同時，其他LED單體繼續(xù)保持照明。
3)輔助駕駛技術
輔助駕駛的主要內(nèi)容
首先是信息搜集：不同的系統(tǒng)需要由不同類型的車用傳感器，包含毫米波雷達、超聲波雷達、紅外雷達、激光雷達、CCD CMOS影像傳感器及輪速傳感器等，來收集整車的工作狀態(tài)及其參數(shù)變化情形，并將不斷變化的機械運動變成電子參數(shù) (電壓、電阻及電流)。
其次是信息分析與指令下達：電子控制單元 (ECU)會在針對傳感器所收集到的信息進行分析處理，然后再向控制的執(zhí)行裝置下達作棟指令。
最后則是執(zhí)行動作：包含油門、剎車、燈光、聲響等系統(tǒng)都是屬于執(zhí)行器的范疇內(nèi)，會依據(jù) ECU輸出的訊號，來執(zhí)行各種反應動作，讓汽車安全行駛于道路上。
紅外熱成像原理
紅外熱成像是基于紅外熱成像原理，通過紅外探測器，將夜間汽車前方道路上的目標與背景相應的轉(zhuǎn)化為圖像坐標系中的信息，此時的圖像為灰度圖像，由灰度值的大小反映視覺場中的信息。
根據(jù)上述原理設計的車載紅外夜視儀，能夠根據(jù)熱成像技術獲得同一時間和空間的目標，以及背景在圖像坐標系中的相對位置，并通過檢測與識別技術對道路中的行人和動物進行識別。
行人提醒實現(xiàn)
當車載紅外夜視儀檢測到車輛前方有行人或動物將要進入危險區(qū)域時，夜視輔助駕駛系統(tǒng)會在顯示屏上標注相應的目標及向駕駛員發(fā)出警報(圖3.11)。
4)動態(tài)轉(zhuǎn)向燈技術
動態(tài)轉(zhuǎn)向燈就像流水燈一樣，當駕駛員開啟轉(zhuǎn)向燈時，排列在轉(zhuǎn)向燈帶上的多個LED單體會依次亮起，形成一種與“眨眼”方式相同的動態(tài)漸變效果，雖然這種轉(zhuǎn)向燈對安全性而言并無太多實質(zhì)意義，但在漆黑的夜晚中，這種獨具一格的變換方式使其識別度更高，對追求個性的人來說，可是有著不小的吸引力(如圖 3.12)。
5)水坑燈技術
水坑燈技術是為了更好的保障人們出行安全，汽車安全技術也是廠商研發(fā)的重點。在夜間行駛燈光技術的研發(fā)方面，研究員研發(fā)了一種頗為新穎的“水坑燈”。在夜間，當車門打開時位于車輛外面的后視鏡處安裝的水坑燈就會亮起，它可以將燈光投射到車門旁邊的地面上，照亮汽車周邊的路面(如圖3.13)，從而防止駕駛員和乘客在下車時陷入水坑或發(fā)生其它潛在的危險。
6)窄路照明技術
當汽車行駛在施工路段或狹窄的道路時，它能夠讓左右大燈投射出兩條約15米長的光束，兩條光束的間距與車身寬度一致，從而能夠幫助駕駛員更容易的通過那些施工區(qū)域或其它狹窄路段，該項技術對于剛拿到駕駛證不久的新手來說是非常有幫助的(如圖 3.14)。
車燈控制技術的未來發(fā)展趨勢
1)矩陣式激光大燈技術
空間光調(diào)制
DMD 技術 (Digital Micromirror Device) 是一種通過數(shù)字電壓信號控制微型反射鏡來執(zhí)行機械轉(zhuǎn)動，最終實現(xiàn)光學控制的裝置。其核心部分由數(shù)百萬個微型反射鏡組成，鏡面為鋁制，邊長達到數(shù)百分之一毫米，每一個都可以進行單獨尋址操作，通過靜電場的作用，微型反射鏡每秒鐘能夠翻轉(zhuǎn)多達5,000次。
矩陣式激光大燈
激光大燈是采用激光二極管作為光源的汽車前照大燈。激光大燈具有響應速度快、發(fā)光效率高、亮度衰減低、體積小、和能耗低等優(yōu)點;和LED大燈相比，在體積方面具有明顯的優(yōu)勢。
當車載的雷達或紅外攝像機等探測器檢測到汽車前方有其他汽車或行人出現(xiàn)時，矩陣式激光大燈能夠使光束避開前方車輛，以免造成其他駕駛員或行人產(chǎn)生炫目的情況。矩陣式激光大燈使用空間光調(diào)制技術，成功的解決了激光大燈 發(fā)散性比較差和光束覆蓋的角度比較窄等缺點，令汽車激光前照大燈成為了可能。
2)數(shù)字“投影儀”前大燈技術
智能“像素”光束調(diào)制
目前使用的自適應照明系的統(tǒng)安裝受到空間限制，進而影響了其效性的充分發(fā)揮。例如，當傳感器檢測到其他駕駛員及行人時，它們就會讓前照大燈LED陣列內(nèi)的相應的LED單體變暗淡或關閉。
為了解決上述問題，研究人員研發(fā)了一款新型的智能像素前大燈(圖3.16)，它可以更加精確地塑造和控制發(fā)射的光束。
數(shù)字前大燈
數(shù)字前大燈系統(tǒng)中采用的智能“像素”式光束調(diào)制技術被稱作數(shù)字大燈，數(shù)字大燈中安裝有數(shù)百萬的微鏡。數(shù)字大燈利用攝像頭和雷達采集環(huán)境信息，通過相應的算法，可以識別出其他駕駛員及行人，并按照不同的交通情況調(diào)整光束分配。
3)可編程LED車頭燈技術
卡內(nèi)基梅隆大學著名的機器人研究所宣布，其研究人員正在研發(fā)一種由攝像機、處理器、空間光調(diào)制器和分束器組成的全新可編程智能LED車頭燈(圖3.17)?？删幊痰闹悄躄ED車頭燈可以通過攝像機檢測、識別和追蹤所有迎面而來的其他駕駛員，并遮擋住可能造成對向駕駛員及行炫目的少部分光線。
基于傳感器融合的目標識別技術
基于其它傳感器的目標識別有基于激光雷達和紅外相機的方法?；诩す饫走_的目標識別主要分為兩類，一類不考慮物體的三維形狀只根據(jù)物體的中心對目標進行跟蹤。如只提取物體的中心表示被測物體，通過分析行人走路的頻率和幅度對行人進行識別。另一類算法根據(jù)物體的三維點云信息進行目標識別，如利用被測物體表面的點云和被測物的三維點云做對比，對目標進行識別。
控制技術
決定智能車燈智能化高低的核心有兩點，第一是采集信息的傳感器能否及時準確的完成工作;第二是電腦控制邏輯的合理性。電腦邏輯控制目前一般采用比較先進的微處理器進行邏輯處理、簡單運算和控制執(zhí)行等功能。而車燈智能控制系統(tǒng)一般作為整車的控制系統(tǒng)的一個子功能模塊存在。
結語
汽車照明系統(tǒng)正經(jīng)歷著非常重大的變革，不但氣體放電光源得到了更加廣泛的應用、新型 LED光源得到了不斷普及和激光光源也初見雛形，而且汽車照明系統(tǒng)也變得更加的智能化，并且智能化的范圍在不斷延伸和擴大。
隨著人類高新技術在汽車照明領域的廣泛應用，汽車照明控制技術將不斷向節(jié)能化、智能化、信息化、人性化、藝術化和個性化方向發(fā)展。智能化控制在汽車照明中占據(jù)著重要地位，也是必不可少的一部分，將越來越受到人們的青睞。
粵公網(wǎng)安備 44010602001351號