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，但在以鹵素燈為大燈主要光源的年代從技術(shù)上難以實現(xiàn)。
而隨著汽車燈具技術(shù)的不斷進步，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，目前較先進的大燈系統(tǒng)已實現(xiàn)根據(jù)各種復(fù)雜的路面環(huán)境進行多樣化光型調(diào)節(jié)的功能，執(zhí)行諸如多道路模式切換、智能隨動轉(zhuǎn)向、自動識別對向來車的無眩光遠光、路標識別、行人警示等智能照明動作。
此類功能既對行駛安全有幫助，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）的市場份額趨勢評估
無論實現(xiàn)何種智能照明動作，其光源技術(shù)的核心均為把遠近光光型分為數(shù)量不等的多個區(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)的算法對每個區(qū)域進行開關(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，就能實現(xiàn)越復(fù)雜的智能照明動作。隨著所分區(qū)域的逐漸增多及單個區(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。
本文將對實現(xiàn)此類多像素智能大燈的幾大主流光源技術(shù)路線進行分析。由于篇幅所限，本文僅對各技術(shù)進行概括性的描述，并分析其核心優(yōu)勢及主要瓶頸。
02
光源技術(shù)路線分析
(1)LED 矩陣式
基于 LED 小體積、易驅(qū)動、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現(xiàn)入門級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，更大的散熱能力，以及給每顆 LED 配光成為獨立像素的較復(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)濟的多像素實現(xiàn)方式。同樣地，相關(guān)技術(shù)也相對較成熟，開發(fā)的不確定性較低，周期相對較短。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，最終的像素數(shù)量級能到百位級已經(jīng)基本上是極限。
同時，在 LED 顆數(shù)增多的同時，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 之間的校準難度也會隨著 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)）
(2)LCD 式
隨著像素數(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高于普通液晶顯示器，加上需要經(jīng)過嚴酷的車規(guī)級驗證，這些器件，由其是液晶面板，需要廠家特殊定制。
目前的 LCD 式大燈的像素數(shù)量級已經(jīng)能做到萬級，鑒于當前用于顯示的 LCD 技術(shù)能做到高得多的像素級別，有理由相信 LCD 式大燈能在不遠的未來突破十萬級乃至更高的像素數(shù)量級。
相對于下面介紹的基于投影技術(shù)的 DLP 式大燈光源系統(tǒng)，LCD 式具有成本相對較低，體積相對較小，光型可拉伸角度較寬，明暗對比度較高等優(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)效率相對較低，而且從原理上來說改善空間有效。另外，液晶面板長時間在高溫工作下的壽命衰減，乃至各項性能參數(shù)的變動（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。
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)）
(3)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。當然，為了符合車規(guī)認證，特別是大燈中嚴苛的使用環(huán)境，從 DMD 器件到與之配合的光機系統(tǒng)均需要作設(shè)計優(yōu)化。另外，大燈投影面為水平路面，投射距離越遠，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，得益于激光的強方向性，即使需要加上熒光粉轉(zhuǎn)換白光，其光機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)級藍光激光的技術(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的共同問題。
就整體方案而言，DLP 相對于目前其他的多像素技術(shù)最大的優(yōu)勢正是在于像素數(shù)量之多。目前的首款 DLP 式智能大燈已突破百萬級的像素，遙遙領(lǐng)先于其他技術(shù)，而且將來還有進一步上升的空間。此外，雖然投影光機的技術(shù)門檻較高，但汽車主機廠或燈具廠可發(fā)揮自身熟悉車規(guī)行業(yè)規(guī)范的設(shè)計優(yōu)勢與傳統(tǒng)投影光機廠開展合作，實現(xiàn)相關(guān)的技術(shù)轉(zhuǎn)移和技術(shù)升級。
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比度較低，對于部分對比度要求較高的智能動作（如遠光去眩光）不夠理想。
另外，目前的車規(guī)級 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現(xiàn)隨動轉(zhuǎn)向）可能只有增加額外的 DMD 器件或重新加入機械轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)。前者會導(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)計較復(fù)雜的圖像模式。而過于復(fù)雜的圖像是否會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)在廣泛討論的一個話題。相信各國的法規(guī)訂制部門將來也會對此出臺相應(yīng)的標準。
圖四 DLP 式智能大燈示例 （圖片來源: BENZ 及 TI 官網(wǎng)）
(4)μAFS 式
μAFS 是業(yè)內(nèi)對可尋址像素矩陣式 LED（Addressable LED Pixel Array）的簡稱，是一種專門針對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 工藝里，每個芯片只有單個正極和單個負極（多芯片 LED 僅是把多個獨立的 LED 芯片整合到一個 LED 封裝），外部驅(qū)動提供電能后，整片芯片同時點亮。
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，實現(xiàn)了對芯片上每一個獨立的微結(jié)構(gòu)區(qū)域進行單獨的開、關(guān)及電流調(diào)節(jié)的功能，使每一個微結(jié)構(gòu)區(qū)域直接成為了大燈光型中可獨立控制的像素。
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——歐司朗的 EVIYOS, 能在 4mm×4mm 的單個芯片上做到 1024 像素，單個像素達到 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，以及相當高的效率。這三個特性意味著使用多個 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較好。又由于是直接對 LED 光源進行開關(guān)動作，其能達到的明暗對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 像素數(shù)量級在千級，未來幾年有望能提升到萬級，十萬級以上產(chǎn)品則在更遠期的規(guī)劃當中。
圖五 EVIYOS-μAFS 式智能大燈示例 （圖片來源: OSRAM）
(5)激光掃描式
激光掃描式投影技術(shù)已在消費及工業(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。其像素數(shù)量級也能做到與 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)認證還有相當?shù)木嚯x，特別是在大燈的高溫度、強震動工作環(huán)境下，目前的 MEMS 掃描鏡技術(shù)還遠達不到應(yīng)用要求。
另外，掃描式的投影圖像有可能在真實路況中與車輛的震動形成頻率疊加，產(chǎn)生人眼可感知的圖像抖動或者閃爍，嚴重時可能會引起駕駛員的不適。
若能攻克以上困難，真正能達到車用級別的 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，對于技術(shù)相對接近并各有所長的LED+LCD, LED+DMD, Laser+DMD 及 μAFS 四種高像素技術(shù)，外加入門級的低像素 LED 矩陣進行主要參數(shù)對比，可得對比圖如下：
圖七 各技術(shù)綜合對比
可見，LED+LCD 總的來說各方面比較均衡，效率是瓶頸；LED/LASER+DMD 在像素數(shù)量上一枝獨秀；而 μAFS 在效率、對比度、工作溫度范圍等方面均有相當優(yōu)勢。
值得指出的是，這幾項技術(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)域標識等）或信息簡明的智能動作（如投射到路面的導(dǎo)航箭頭）；同時在遠場及主要照明區(qū)域使用 μAFS 進行大范圍的區(qū)域照明并實施功能性智能動作（如無眩光遠光燈）；并輔以分立式 LED 作光型補充（如隨動轉(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。(文：歐司朗光電半導(dǎo)體 何海翔)
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