采用不同技術的高分辨率前照燈的設計思路

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

PART#01

汽車前照燈現(xiàn)有功能及技術

近年來，在汽車行業(yè)中，主動照明功能被認為是對傳統(tǒng)前照燈的補充。其中針對交通區(qū)域的自適應照明，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行交互。下面將介紹前照燈當前和潛在的開發(fā)功能和技術。

1. 自適應前照燈系統(tǒng)（AFS）和自適應遠光燈系統(tǒng)（ADB）

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

1）自適應前照燈系統(tǒng)（AFS）

自適應前照燈系統(tǒng)（AFS）的研究始于20世紀90年代，在21世紀初AFS納入聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會（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）自適應遠光燈系統(tǒng)（ADB）

自適應遠光燈系統(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，其光束模式適應迎面而來和前方車輛的存在，以提高駕駛員的遠距離能見度，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)境中實現(xiàn)廣泛應用。

2. 前照燈相關技術

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。前照燈系統(tǒng)的調(diào)制技術包括LED陣列、微像素LED、不同的掃描技術等，采用的系統(tǒng)設備包括聲光偏轉(zhuǎn)器（AOD）、微光機電系統(tǒng)（MEOMS）、旋轉(zhuǎn)鏡、數(shù)字微鏡設備（DMD）、LCD和硅上液晶（LCoS）等。高分辨率光分布調(diào)制技術的分類如圖2所示。

圖2高分辨率光分布調(diào)制技術分類

PART#02

汽車前照燈相關法規(guī)和要求

歐洲地區(qū)的汽車照明的標準一般采用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。這些法規(guī)包括車輛前照燈設計和安裝的要求。在所有關于車輛前照燈的UNECE法規(guī)中，近光和遠光的光分布要求作為前照燈開發(fā)和驗證最重要的指南。

例如，UNECE法規(guī)第123條中關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條還對遠光分布進行了額外定義。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。遠光分布的表示如圖4所示。該屏幕定義了角度方面的遠光分布。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)光強度相關的定義點。點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)光強度在點1處最高，因為它隨著角度分布的增加而降低。此外，點6-7位于V-V線上。點6位于水平面上方2°，點7位于水平面下方4°

圖4 右側(cè)交通的規(guī)定遠光燈分布表示

（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光的主要優(yōu)點是消眩光區(qū)域可以控制。高分辨率前照燈可以精確關閉迎面而來車輛擋風玻璃和人臉區(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，它還實現(xiàn)了照射交通標志的昏暗照明區(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)境中無眩光遠光燈示意圖

PART#03汽車前照燈設計

1. 光源

LED和激光二極管（LDs）通常被視為當前高分辨率前照燈的光源。在AFS照明功能中運用的是基于區(qū)域的調(diào)制系統(tǒng)，LED和LDs都可以用作光源。由于光源的亮度應小于或等于調(diào)制器的亮度，否則就會降低效率。因此，當使用帶有基于面積的調(diào)制器的LED時，必須進行預先計算。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的工作機制，投影透鏡系統(tǒng)可能會導致對比度問題。微像素LED通過將藍光與黃色熒光磷光體層結合來產(chǎn)生白光。二極管發(fā)出的藍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，微像素LED前的透鏡可能會將一些藍光從被照明像素反射到芯片表面上的未激活區(qū)域。反射的藍光刺激磷光體，導致這些非像素產(chǎn)生不必要的光，如圖7所示。

圖7 微像素LED光學系統(tǒng)的菲涅耳反射

導致對比度降低

因為照射區(qū)域中存在應遮住的光線，所以這種現(xiàn)象會對前照燈的對比度性能產(chǎn)生負面影響。因此，應考慮采取適當?shù)拇胧?，例如防反射（AR）涂層。

2. 調(diào)制技術

在整合前照燈系統(tǒng)中使用的技術時，調(diào)制技術和系統(tǒng)的匹配程度是主要分析和比較的部分。與當前前照燈系統(tǒng)中的其他光學系統(tǒng)相比，缺少附加光學系統(tǒng)會導致相對較窄的FOV。當需要更寬的視野時，仍然需要光學元件投影加以輔助（加法）。相比之下，DMD、LCD和LCoS前照燈通過遮光或濾光（減法）實現(xiàn)調(diào)制，這些系統(tǒng)必須與光學投影系統(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，光學效率通常低于使用加法的調(diào)制器。

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

PART#04 未來展望

未來，高分辨率照明功能應在無需駕駛員干預的情況下自動實，這需要多種傳感器的協(xié)調(diào)。當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ADAS的輸出設備，以便前照燈能夠調(diào)節(jié)，使照明和投影照明內(nèi)容適應交通場景。例如，傳感器可以區(qū)分駕駛環(huán)境，以便應用AFS的不同照明模式。對車輛前方路況ADAS相應設備的協(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