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汽车智能大灯发展趋势与光源技术路线

放大字体  缩小字体 发布日期:2022-06-24 浏览次数:264
汽车照明智能控制技术是光源技术、电气技术、微电子技术、检测技术、微机技术、自控技术、传感技术和通信技术的紧密结合和相互渗透的结晶。随着人类高新技术在汽车照明领域的广泛应用,汽车照明控制技术将不断向节能化、智能化、信息化、人性化、艺术化和个性化方向发展。智能化控制在汽车照明中占据着重要地位,也是必不可少的一部分,将越来越受到人们的青睐。
 
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。
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。

光源技术路线分析

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。
 
前照灯自适应控制技术
   前照灯随动调节
 
   1.光照强度传感器感知车辆外部的环境亮度。
 
   2.转角传感器测量出汽车转弯的角度。
 
   3.横摆角速度传感器测量出汽车的横摆角速度。
 
   4.车速传感器测量出当前汽车的行驶速度。
 
   5.加速度计传感器获取车身高度(车辆质心)。
 
   6.车灯转角传感器获取车灯转角等变化信息。
 
   7.多传感器信息交互对汽车前大灯的配光进行最优化的调节。
 
矩阵式LED光束调节
 
矩阵式LED大灯可以实现对照明区域的精确控制,即在光源的覆盖范围内,系统可以选择特定区域进行照明,亦可以选择一些区域来进行遮蔽。所以在前置摄像头的配合下,矩阵式大灯在会车时可以由系统自动控制,关闭射向对方来车的光束,而正常负责照明的光束则不受任何影响。等到会车结束之后,之前因为遮蔽而关闭LED灯珠再自动开启,恢复正常的照明工作。
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。
 
防炫目技术

矩阵式LED大灯控制系统能够通过车辆检测系统,感知和跟踪到800米距离内的其它车辆;当检测到汽车前方或对向车道有车辆和行人时,大灯控制系统会实时检测跟踪目标车辆,并关闭相应位置的LED单体,同时,其他LED单体继续保持照明。这样既能够避免对方产生炫目的情况,又保证了驾驶员的正常照明需求。
 
 
车灯控制技术的未来发展趋势—越来越智能化
 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。
 
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。

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。
 
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。
 
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。当汽车遇到各种不同的交通情况时,采用的DMD(Digital Micromirror Device)技术能够提供最适合的照明方案。从技术层面上来说,DMD技术可以让矩阵式激光大灯拥有无限种可能的控制方式。
 
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。
 
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。

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,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。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。
 
 
从这张光源照射距离图中我们可以发现,激光灯源拥有近乎LED远光灯两倍的照射距离,最远照射距离可达500米,而且镭射灯二极管直径仅为几微米,比组成LED灯二极管体积要小得多。
 
OLED车灯技术
 
OLED(Organic Light-Emitting Diode)有机发光二极管的优点:
 
1.可视度和亮度高,呈现出来的色彩更加准确。
 
2.单片二极管的厚度不到 1 毫米,也无需反射器、导光板等光学组件,自然减轻了重量。
 
3.驱动电压低且省电效率高,同样亮度的情况下,工作寿命可提高 10 倍,而且在零下 40 °正常工作。
 
宝马在 2015 年 8 月发布首款使用 OLED 的量产车 M4 GTS
 
奥迪在 2016 年 1 月的国际消费电子展(CES)上展出配备 OLED 的新款 TT RS
 
中国最薄柔性OLED车灯样品:2017年翌光发布全新的柔性OLED车灯屏体。该柔性屏体厚度仅0.1mm,比蓝色火车票还薄一半多,重量不到1克,发光面积约13cm²,不仅实现了很好的弯曲性,而且屏体均匀性也达到了新的高度。
 
该车的尾灯共选用了36片翌光科技提供的OLED红光灯片,采用三角形叠加造型,未点亮时屏体呈透明状态,点亮后发出深红光,呈现出多种流水动态效果,具有3D纵深感。该车灯打造轻量化设计的同时兼顾了功能性,实现了人与车、车与车之间的信息交流与互动功能。
 
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:
各技术综合对比
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。
 
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:
几种技术的有机结合
 
辅助看点分析:
 
另外,《2020-2021全球车用LED产品趋势与区域市场分析》显示,随着智能头灯、贯穿式尾灯、HDR车用显示、氛围灯等先进技术的发展,推升车用LED市场需求。
 
车用照明产品趋势
2020年受到COVID-19影响之下,全球车厂更为积极提升LED头灯渗透率,以求在市场需求重挫之际,做出差异化竞争、提升市场占有率。汽车照明即为车厂、车灯厂商与LED厂商共同努力的方向之一。
 
根据TrendForce集邦咨询分析,2020年LED头灯渗透率于全球乘用车达到53.1%,其中LED头灯渗透率于电动车更高达85%。2021年将分别有机会达到60%与90%。智能头灯中的自适应性远光灯(ADB Headlights)更为时势所趋。自适应性远光灯(ADB Headlights) 具有两大驾驶者优点,更为众厂商所追求之目标。
 
a. 扩大了驾驶者夜间视野,可增加对前方障碍物的反应时间。
b. 无眩光远光灯(Glare- Free High Beam),减少前车、对向来车和行人被车灯照到的不适感。
 
自适应头灯(ADB Headlight)现阶段以矩阵式 LED(Matrix LED) 设计为主,可单独控制的高性能LED,驾驶员现在可以实现更好的道路照明,并且可以更精确地保护其他道路使用者免受眩光影响。根据TrendForce集邦咨询分析,自适应性头灯(ADB Headlight)市场渗透率于2020年仅为0.7%,预期于2025年将有机会达到2.7%。

车用显示产品趋势
 
根据面板厂商表示,车用显示将朝向1.5m宽度全车显示、异形化或是透明显示、高解析度(250ppi)等趋势。长期展望,车用显示市场潜力无限!
 
1. HDR市场需求
在区域调光需求与成本要求的考量之下,主流区域调光数为60到384区。发展厂商如通用汽车General Motors、吉利、群创、友达、聚积、日亚化学Nichia、欧司朗OSRAM、亿光与隆达等。通用汽车旗下Cadillac LYRIQ采用34英寸车用显示,区域调光高达>3,000区,且搭配主动驱动产品设计。预计将会带动高阶旗舰车款导入高动态对比与区域调光技术的趋势。
 
2. 全车显示
受限于车用安全规范的考量 (气囊爆出时,不能有玻璃碎片),因此,当车厂欲将车用面板自仪表板延伸至中控面板与副驾驶座(即为A柱到A柱显示)时,现阶段仅能采用OLED显示。Micro LED显示可省去玻璃碎片带来的风险与伤害。可想见当Micro LED技术成熟时,也将竞逐于OLED全车显示市场份额。
 
3. 透明显示屏
Micro LED为次世代显示技术,搭配柔性屏与透明屏,应用于未来智能汽车,其资讯显示将可出现在车内外几乎所有区域,为先进驾驶辅助系统(ADAS)、无人驾驶(Autonomous Vehicle)与共用汽车(Car Sharing)开创移动(Mobility)与通讯(Communication)结合的新世纪。
 
车灯市场规模与车灯厂商动态
根据TrendForce集邦咨询调查与分析,受到COVID-19的影响,2020年全球车灯市场规模达到276.52亿美金(-5% YoY),前五大国际车灯厂商为Koito、Valeo、Marelli Automotive Lighting、Hella、Stanley,涵盖71.7%市场占有率。
 
多数主营欧美与日本车市的车灯厂商,其2020年营收下滑9%-12%;仅星宇、曼德营收年成长分别高达21% YoY与17%,主要受惠于中国大陆车市需求。星宇随着智能驾驶升级机会带来的LED以及ADB头灯升级机会,单车价值逐年提升,并陆续获得BMW、Audi、Jaguar Land Rover等豪华品牌订单。
 
曼德推出DLP ADB+雷射头灯大灯,并应用于长城汽车旗下WEY品牌的量产车WEY VV6与WEY VV7。通过提供超过100万个可定址的照明像素点,智能头灯可对复杂路面环境,包含道路上行人、车辆等物体的识别进行智能化运算,进而对光路进行程式设计和精确到像素级别的控制。

(来源:智享新汽车)
 
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