EN

ENCN

棒球服怎么穿才不会土鳖:燈具百科

一文讀懂智能大燈光源技術路線

欄目:燈具百科 時間:2019年03月29日 瀏覽:

棒球英豪浅仓南 www.gqbopt.com.cn 01 導言:智能大燈發展趨勢

根據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上難以實現。

而隨著汽車燈具技術的不斷進步,由其是LED光源的普及,以及傳感器和算法處理領域的大量技術革新,目前較先進的大燈系統已實現根據各種復雜的路面環境進行多樣化光型調節的功能,執行諸如多道路模式切換、智能隨動轉向、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

無論實現何種智能照明動作,其光源技術的核心均為把遠近光光型分為數量不等的多個區域,并根據攝像頭或傳感器的數據輸入及預設的算法對每個區域進行開關控制或亮度調節。

所分區域越多,能組合出來的光型數量則越多,就能實現越復雜的智能照明動作。隨著所分區域的逐漸增多及單個區域面積的不斷縮小,業內已開始用顯示技術中的“像素”概念來指代此類區域。

本文將對實現此類多像素智能大燈的幾大主流光源技術路線進行分析。由于篇幅所限,本文僅對各技術進行概括性的描述,并分析其核心優勢及主要瓶頸。

02 光源技術路線分析

(1)LED矩陣式

基于LED小體積、易驅動、快速響應等特性,使用多顆LED組成行、列或矩陣式排列是實現入門級多像素智能大燈的基礎方案。與普通LED大燈相比,LED矩陣式大燈需要更多路的驅動,更大的散熱能力,以及給每顆LED配光成為獨立像素的較復雜的二次光學系統。

雖然其成本比普通LED大燈要高,但與后面介紹的幾種技術相比,LED矩陣仍不失為較經濟的多像素實現方式。同樣地,相關技術也相對較成熟,開發的不確定性較低,周期相對較短。這便是其最大的優勢。

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,最終的像素數量級能到百位級已經基本上是極限。

同時,在LED顆數增多的同時,LED之間亮度、顏色、電壓等參數一致性的調控難度也成比例上升。在加工上,二次光學系統與LED之間的校準難度也會隨著LED數量成比例上升。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

(2)LCD 式

隨著像素數量的提高,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)作為目前主流的顯示技術自然而然地成為了智能大燈光源系統的一個選擇。

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,加上需要經過嚴酷的車規級驗證,這些器件,由其是液晶面板,需要廠家特殊定制。

目前的 LCD 式大燈的像素數量級已經能做到萬級,鑒于當前用于顯示的 LCD 技術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量級。

相對于下面介紹的基于投影技術的 DLP 式大燈光源系統,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勢。

其主要限制在于,由于偏光片及液晶面板的損耗,光學效率相對較低,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,乃至各項性能參數的變動(如液晶體反應速率,透過率,均勻性等)也是需要密切關注的技術點。

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面板廠能生產出符合要求的面板,因此此技術的普及有一定難度。

圖三LCD式智能大燈示例

(3)DLP 式

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

DLP 式大燈光源系統,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區別。當然,為了符合車規認證,特別是大燈中嚴苛的使用環境,從 DMD 器件到與之配合的光機系統均需要作設計優化。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越明顯,因此還需要作相應的圖像算法校正。

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

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

效率方面,理論上激光能做到比LED更高,但考慮到目前車規級藍光激光的技術水平以及熒光粉的轉換效率,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,及熒光粉脫落導致的直射人眼的安全隱患(例如發生碰撞事故后)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最大的優勢正是在于像素數量之多。目前的首款 DLP 式智能大燈已突破百萬級的像素,遙遙領先于其他技術,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門檻較高,但汽車主機廠或燈具廠可發揮自身熟悉車規行業規范的設計優勢與傳統投影光機廠開展合作,實現相關的技術轉移和技術升級。

DLP 技術目前的瓶頸在于系統成本較高,所需的系統空間相對較大。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 系統的圖像范圍(例如用投影的方式直接實現隨動轉向)可能只有增加額外的 DMD 器件或重新加入機械轉動結構。前者會導致成本的大幅上升,后者則有違智能大燈數字化的發展趨勢,重新增加了系統的復雜度和降低了可靠性。

另外,要充分利用 DLP 的超高像素優勢,自然要相應地設計較復雜的圖像模式。而過于復雜的圖像是否會引起本車及路上其他車輛的駕駛員分心,產生安全隱患,也是目前業內在廣泛討論的一個話題。相信各國的法規訂制部門將來也會對此出臺相應的標準。

圖四DLP式智能大燈示例

(4)μAFS 式

μAFS 是業內對可尋址像素矩陣式LED(AddressableLEDPixel Array)的簡稱,是一種專門針對多像素智能大燈系統開發的LED技術。

在過去傳統的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),外部驅動提供電能后,整片芯片同時點亮。

而 μAFS 則是預先在芯片的硅襯底中整合了矩陣式的 CMOS 控制電路,結合同樣經矩陣式微結構處理的芯片,實現了對芯片上每一個獨立的微結構區域進行單獨的開、關及電流調節的功能,使每一個微結構區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 式大燈光源系統的區別在于像素的形成: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的特性,μAFS 的主要優勢便體現在較低的系統成本,較小的系統體積,以及相當高的效率。這三個特性意味著使用多個 μAFS 排列組合為更復雜的光學系統成為可能。

此外,由于與單顆朗伯體發光的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硅襯底技術也使得 μAFS 有更穩定的溫度特性。

與 LCD 式及 DLP 式相比,μAFS 的主要限制在于像素的數量。目前面世的 μAFS 像素數量級在千級,未來幾年有望能提升到萬級,十萬級以上產品則在更遠期的規劃當中。

圖五 EVIYOS-μAFS 式智能大燈示例

(5)激光掃描式

激光掃描式投影技術已在消費及工業領域開始應用,理論上存在拓展到車載領域,特別是智能大燈系統上應用的可能性,已有廠家提出相關概念并進行可行性研究。

其基本原理為利用基于 MEMS 技術(Micro-Electro-Mechanical System, 微機電系統)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速率的快速刷新圖像。

假如此技術能通過車規認證應用在智能大燈系統上,將有可能是效率最高,體積最小的解決方案。其像素數量級也能做到與 DLP 式接近。

圖六 激光掃描式投影技術示意

但此技術目前離通過車規認證還有相當的距離,特別是在大燈的高溫度、強震動工作環境下,目前的 MEMS 掃描鏡技術還遠達不到應用要求。

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 掃描鏡技術也有可能已與今天的技術面貌大不一樣,相關課題需要重新研究。因此該技術值得關注,但在短期內還難以在智能大燈上應用,并存在較大不確定性。

03 總結及展望

除去技術目前尚未成熟的激光掃描式大燈,對于技術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,外加入門級的低像素LED矩陣進行主要參數對比,可得對比圖如下:

圖七 各技術綜合對比

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勢。

值得指出的是,這幾項技術相互間雖有一定的競爭性,但更存在著各取所長的有機結合空間。

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,自行車安全區域標識等)或信息簡明的智能動作(如投射到路面的導航箭頭);同時在遠場及主要照明區域使用 μAFS 進行大范圍的區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(如隨動轉向光型延展)。例如下圖圖八所示:

圖八 幾種技術的有機結合

可見,作為未來汽車照明發展方向的多像素智能大燈系統,具有廣闊的市場前景,豐富的技術儲備,以及無限的創新空間,值得業內廠家提前投入和布局。


標簽:智能照明光源

180-8884-5357