一文读懂智能大灯光源技术路线

01
导言:智能大灯睁开趋向

根据分歧路况改变光型的大灯概念早在 1958 年已被初次提出,但在以卤素灯为大灯重要光源的年月从技术上难以实现。

而跟着汽车灯具技术的赓续提高,由其是 LED 光源的普及,和传感器和算法处理领域的大批技术改革,目前较先辈的大灯体系已实现根据各种复杂的路面环境停止多样化光型调节的功效,履行诸如多途径情势切换、智能随动转向、主动辨认对向来车的无眩光远光、路标辨认、行人警示等智能照明举动。

此类功效既对行驶平安有帮助,也能直观地晋升车辆的科技感, 更与目前的辅助驾驶/主动驾驶技术趋向所契合,市场远景宽广。

图一 ADB (Adaptive Driving Beam)的市场份额趋向评估

不管实现何种智能照明举动,其光源技术的中央均为把远近光光型分为数目不等的多个地区,并根据摄像头或传感器的数据输入及预设的算法对每个地区停止开关节制或亮度调节。

所分地区越多,能组合进去的光型数目则越多,就能实现越复杂的智能照明举措。跟着所分地区的逐渐增多及单个地区面积的赓续缩小,的谝开端用显示技术中的“像素”概念来指代此类地区。

本文将对实现此类多像素智能大灯的几大主流光源技术路线停止阐发。因为篇幅所限,本文仅对各技术停止概括性的描述,并阐发此中央优势及重要瓶颈。

02
光源技术路线阐发

(1)LED 矩阵式

基于 LED 小体积、易驱动、疾速相应等特性,应用多颗 LED 构成行、列或矩阵式排列是实现入门级多像素智能大灯的基础计划。与通俗 LED 大灯相比,LED矩阵式大灯必要更多路的驱动,更大的散热能力,和给每颗 LED 配光成为自力像素的较复杂的二次光学体系。

虽然其本钱比通俗 LED 大灯要高,但与后面介绍的几种技术相比,LED 矩阵仍不失为较经济的多像素实现办法。同样地,相干技术也相对较成熟,开拓的不确定性较低,周期相对较短。这便是其最大的优势。

可其限制也很显著。

不管是全体应用单芯片的 LED 颗粒,还是混合应用多芯片的颗粒,因为 LED 封装尺寸的限制,最终的像素数目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、色彩、电压等参数同等性的调控难度也成比例上升。在加工上,二次光学体系与 LED 之间的校准难度也会跟着 LED 数目成比例上升。这些因素都限制了此计划在高像素请求的智能大灯中的应用。

图二 LED 矩阵式智能大灯示例 (来源: HELLA 官网)

(2)LCD 式

跟着像素数目标提高,智能大灯的照明功效已逐渐兼具显示功效。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体系的一个抉择。

除去大灯所不必要的三色滤色片(RGB Color Filter), LCD 式大灯与通俗 LCD 显示器一样,必要背光源、偏光片及液晶面板等基本构件。

另因为功率密度比通俗显示器高得多,LED 矩阵背光大零售热,使得液晶面板无法像 LCD 显示器一样间接放在背光源上,必要增长如反射镜等一些二次光学器件来构成一定距离的光路。

即使如斯,因为相对较高的亮度,偏光片及液晶面板必要接收的来自光线自己的损耗也远高于通俗液晶显示器,加上必要颠末严酷的车规级验证,这些器件,由其是液晶面板,必要厂家分外定制。

目前的 LCD 式大灯的像素数目级已经能做到万级,鉴于以后用于显示的 LCD 技术能做到高得多的像素级别,有来由相信 LCD 式大灯能在不远的未来打破十万级甚至更高的像素数目级。

相对付下面介绍的基于投影技术的 DLP 式大灯光源体系,LCD 式具有本钱相对较低,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。

其重要限制在于,因为偏光片及液晶面板的损耗,光学效力相对较低,而且从原理上来说改良空间有用。另外,液晶面板长光阴在高温工作下的寿命衰减,甚至各项机能参数的变动(如液晶体反应速率,透过率,均匀性等)也是必要密切存眷的技术点。

更值得注意的是,能相符大灯应釉勖请求的液晶面板必需分外定制,只要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;而且目前估计也只要极少数面板厂能临盆出相符请求的面板,因此此技术的普及有一定难度。

图三 LCD 式智能大灯示例 (图片来源: HELLA 官网)

(3)DLP 式

与睁开 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体系目裳技术路线。

DLP 式大灯光源体系,可懂得为仅应用白色像素的投影仪,其基本原理与投影仪并无本质差别。当然,为了相符车规认证,分外是大灯中严苛的应用环境,从 DMD 器件到与之共同的光机体系均必要作设计优化。另外,大灯投影面为程度路面,投射距离越远,其投影图像的梯形畸变效应越显著,因此还必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 体系的光源。因为 RGB 三原色激光混光技术对付仅必要白光的大灯体系不合适,因此激光光源重要为蓝光激光+荧光粉转换白光的计划。

LED+DMD 的优势在于技术比较成熟,亮度、效力等各重要参数也足够好。激光+DMD 的优势在于,得益于激光的强偏向性,即使必要加上荧光粉转换白光,其光机出光孔仍可以或许做得非常小,一方面可以或许削减体系体积,另外一方面小出光口自己也是不停分歧凡响的头灯设计语言。

效力方面,实践上激光能做到比 LED 更高,但考虑到目前车规级蓝光激光的技术程度和荧光粉的转换效力,其全体差距其实并不大。而且,应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平安隐患(例如发生碰撞事故后)等统统车用激光光源均必要面对的共同成就。

就全体计划而言,DLP 相对付目前其余的多像素技术最大的优势恰是在于像素数目之多。目前的首款 DLP 式智能大灯已打破百万级的像素,遥遥抢先于其余技术,而且未来另有进一步上升的空间。别的,虽然投影光机的技术门坎较高,但汽车主机厂或灯具厂可发挥自己认识车规行业尺度的设计优势与传统投影光机厂睁开合作,实现相干的技术转移和技术进级。

DLP 技术目前的瓶颈在于体系本钱较高,所需的体系空间相对较大。而且因为 DMD 的工作原理,像素间杂散光难以完全消除,像素明暗极值之间的对比度较低,对付部分对比度请求较高的智能举措(如远光去眩光)不够抱负。

另外,目前的车规级 DMD 器件投射角度有限,单颗 DMD 仅得当近场小规模投射。除非未来无为大灯分外定制的广角度 DMD 器件。

目前要大幅拓宽 DLP 体系的图像规模(例如用投影的办法间接实现随动转向)可能只要增长额外的 DMD 器件或从新加入机械转动布局。前者会导致本钱的大幅上升,后者则有违智能大灯数字化的睁开趋向,从新增长了体系的复杂度和低落了靠得住性。

另外,要充足利用 DLP 的超高像素优势,自然要相应地设计算复杂的图像情势。而过于复杂的图像是否会引起本车及路上其余车辆的驾驶员分心,发生平安隐患,也是目前的谠谄毡樘致的一个话题。相信列国的法规订制部分未来也会对此出台相应的模范。

图四 DLP 式智能大灯示例 (图片来源: BENZ 及 TI 官网)

(4)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体系开拓的 LED 技术。

在曩昔传统的 LED 工艺里,每个芯片只要单个正极和单个负极(多芯片 LED 仅是把多个自力的 LED 芯片整合到一个 LED 封装),内部驱动供给电能后,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 节制电路,结条约样经矩阵式微布局处理的芯片,实现为了对芯片上每个自力的微布局地区停止单独的开、关及电流调节的功效,使每个微布局地区间接成为了大灯光型中可自力节制的像素。

因此,μAFS 虽仍以 LED 为光源,但其与同以 LED 为光源的 LCD 式和 DLP 式大灯光源体系的差别在于像素的构成:μAFS 在 LED 芯片的层面间接构成像素;LCD 颠末过程液晶面板、DLP 颠末过程 DMD 器件构成像素。

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,单个像素到达 3lm 的光通量。

得益于无需额外增长像素天生体系的特性,μAFS 的重要优势便体如今系的体系本钱,较小的体系体积,和相当高的效力。这三个特性意味着应用多个 μAFS 排列组合为更复杂的光学体系成为可能。

别的,因为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。又因为是间接对 LED 光源停止开关举措,其能到达的明暗对比度是几种计划里面最高的。成熟的 LED 硅衬底技术也使得 μAFS 有更稳固的温度特性。

与 LCD 式及 DLP 式相比,μAFS 的重要限制在于像素的数目。目前面世的 μAFS 像素数目级在千级,未来几年有望能晋升到万级,十万级以上产品则在更远期的计划傍边。

图五  EVIYOS-μAFS 式智能大灯示例 (图片来源: OSRAM)

(5)激光扫描式

激光扫描式投影技术已在消费及工业领域开端应用,实践上存在拓展到车载领域,分外是智能大灯体系上应用的可能性,已有厂家提出相干概念并停止可行性研究。

其基本原理为利用基于 MEMS 技术(Micro-Electro-Mechanical System, 微电机体系)所制成的高精度扫描镜周期性地在歧角度上依次反射激光光路,在投射面上构成远高于人眼反应速率的疾速改革图像。

假如斯技术能颠末过程车规认证应用在智能大灯体系上,将有可能是效力最高,体积最小的解决计划。其像素数目级也能做到与 DLP 式接近。

图六    激光扫描式投影技术示意(图片来源: BOSCH 官网)

但此技术目前离颠末过程车规认证另有相当的距离,分外是在大灯的高温度、强震动工作环境下,目前的 MEMS 扫描镜技术还远达不到应釉勖请求。

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构成频率叠加,发生人眼可感知的图像抖动或许闪烁,严重时可能会引起驾驶员的不适。

若能攻克以上艰难,真正能到达车用级别的 MEMS 扫描镜技术也有可能已与本日的技术面孔大不一样,相干课题必要从新研究。因此该技术值得存眷,但在短期内还难以在智能大灯上应用,并存在较大不确定性。

03
总结及瞻望

除去技术目前尚未成熟的激光扫描式大灯,对付技术相对接近并各有长处的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 矩阵停止重要参数对比,可得对比图如下:

图七 各技术综合对比

可见,LED+LCD 总的来说各方面比较均衡,效力是瓶颈;LED/LASER+DMD 在像素数目上一枝独秀;而 μAFS 在效力、对比度、工作温度规模等方面均有相当优势。

值得指出的是,这几项技术互相间虽有一定的竞争性,但更存在着各取长处的无机结合空间。

典型的例子:在近场应用超高像素的 LCD 或 DLP 构成对驾驶员干扰较少的高清图案(如行人指示,自行车平安地区标识等)或信息简明的智能举动(如投射到路面的导航箭头);同时在远场及重要照明地区应用 μAFS 停止大规模的地区照明并履行功效性智能举动(如无眩光远光灯);并辅以分立式 LED 作光型弥补(如随动转向光型延展)。例如下图图八所示:

图八 几种技术的无机结合

可见,作为未来汽车照明睁开偏向的多像素智能大灯体系,具有宽广的市场远景,丰富的技术贮备,和无穷的创新空间,值得的诔Ъ姨崆巴度和布局。(文:何海翔)

 

来源:欧司朗光电半导体

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