近年來(lái)，為了提高安全性和舒適性，前照燈系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展，并呈現(xiàn)出分辨率越來(lái)越高的的趨勢(shì)。更高的分辨率帶來(lái)了新的功能，如精確的眩光控制和道路投影。其中，道路投影是照明之外的一種功能，它為駕駛員與其他道路參與者進(jìn)行交流提供了機(jī)會(huì)。這種基于照明的通信對(duì)于即將到來(lái)的更高自動(dòng)駕駛水平的時(shí)代尤其重要。為了充分利用道路投影的優(yōu)勢(shì)，提出了彩色投影技術(shù)。這種技術(shù)使信息不僅在夜間可見，且在白天也可見。當(dāng)前車燈的彩色投影技術(shù)要么光通量過低，無(wú)法達(dá)到照明要求；要么結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)成本高且不緊湊。本文提出了一種利用激光二極管和LCoS器件的高分辨率汽車前照燈系統(tǒng)的創(chuàng)新概念。并根據(jù)這一概念討論了具體的設(shè)計(jì)方案。

本文分為上下兩部分，上半部分主要介紹前照燈相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用、高分辨率前照燈的概念、技術(shù)現(xiàn)狀和存在的問題，下半部分主要介紹激光LCoS前照燈的概念、設(shè)計(jì)方法、仿真結(jié)果和實(shí)現(xiàn)。

一、前照燈相關(guān)技術(shù)的發(fā)展

汽車工業(yè)中，前照燈系統(tǒng)在過去的十年得到了飛躍式發(fā)展。與傳統(tǒng)前照燈相比，系統(tǒng)中加入了許多主動(dòng)照明功能，以便為不同的駕駛情況提供足夠的照明。自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)（AFS）是UNECE在第123號(hào)法規(guī)中規(guī)定生效的第一個(gè)補(bǔ)充系統(tǒng)。引入AFS后，ECE第48號(hào)法規(guī)中定義了自適應(yīng)遠(yuǎn)光（ADB）系統(tǒng)，以適應(yīng)更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。除此之外，相關(guān)色溫（CCT）可調(diào)白光系統(tǒng)與前照燈投影系統(tǒng)也在高速發(fā)展中。

圖1 雷克薩斯 LS600h的LED前照燈

A．   AFS

AFS基本上是通過彎曲光模式和四種近光模式給駕駛員提供不同情況下的最佳視野。彎曲光是當(dāng)車輛在彎道轉(zhuǎn)彎時(shí)，通過附加光束提供側(cè)面照明，使得駕駛員能觀察到轉(zhuǎn)彎方向的路況。其他四種近光模式分別是經(jīng)典近光（基本近光燈模式）、高速公路近光（高速行駛時(shí)，行駛方向的增強(qiáng)光束模式）、城鎮(zhèn)近光（不會(huì)產(chǎn)生眩光的光束模式）和惡劣天氣近光（惡劣天氣時(shí)、避免對(duì)自身和迎面而來(lái)車輛造成強(qiáng)眩光的光束模式）。

圖2   AFS系統(tǒng)模擬示意圖

B．   ADB

ADB是AFS的一種遠(yuǎn)光燈，它根據(jù)迎面駛來(lái)的車輛的存在來(lái)調(diào)整其光束模式，以提高駕駛員的遠(yuǎn)程可視性，而不會(huì)對(duì)其他道路使用者造成不適和干擾。該系統(tǒng)是AFS在遠(yuǎn)光功能方面的補(bǔ)充。ADB系統(tǒng)通常會(huì)生成許多光束來(lái)照明整個(gè)視野，每個(gè)部分都可以獨(dú)立調(diào)暗/亮、打開/關(guān)閉。ADB系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了去眩光功能，允許在某些需要優(yōu)化能見度的情況下長(zhǎng)期使用遠(yuǎn)光燈。

圖3   ADB系統(tǒng)仿真示意圖

C．   CCT可調(diào)白光系統(tǒng)

接近太陽(yáng)光色溫的前照燈在正常情況下為人類提供了更好的照明性能。然而，在如霧天和雨天這樣的惡劣天氣條件下，較低CCT可為駕駛員和其他道路參與者提供更好的能見度。前照燈CCT可調(diào)白光系統(tǒng)的使用能夠提高道路安全性。

圖4 車燈色溫對(duì)比（左邊低色溫，右邊高色溫）

D．   前照燈投影系統(tǒng)

可以直接在道路上顯示車輛信息的投影近年來(lái)也被集成到前照燈系統(tǒng)中。除了駕駛員可以不移動(dòng)視線而獲取信息外，駕駛員和其他道路參與者之間基于照明的通信也是可能的。這種通信在即將到來(lái)的智能交通和自動(dòng)駕駛時(shí)代尤其有用，能夠幫助其他道路使用者快速了解車輛意圖。為了實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境（白天、夜間和積雪或良好照明的路面等）可檢測(cè)的道路投影，彩色投影將是潛在的解決方案。

圖5 奔馳邁巴赫S級(jí)前照燈投影效果

二、高分辨率前照燈

A．概念與設(shè)計(jì)元件

像素?cái)?shù)量在幾十到數(shù)百萬(wàn)之間的前照燈系統(tǒng)被稱為高分辨率前照燈。要實(shí)現(xiàn)預(yù)期的光分布，需要使用高分辨率調(diào)制技術(shù)。主要的調(diào)制技術(shù)如圖6所示。掃描微鏡直接偏轉(zhuǎn)入射光束；相比之下，數(shù)字微鏡陣列（DMD）、液晶顯示器（LCD）和硅晶顯示（LCoS）是基于區(qū)域的照明調(diào)制器。

圖6 高分辨率調(diào)制技術(shù)及其工作原理

a)掃描微型鏡 b)數(shù)字微鏡陣列(DMD) c）液晶顯示(LCD) d)硅晶顯示（LCoS）

B．設(shè)計(jì)方法

利用圖6中的技術(shù)，可以使用具有不同波長(zhǎng)的聯(lián)合光源來(lái)實(shí)現(xiàn)CCT可調(diào)白光系統(tǒng)和彩色投影，且通常使用RGB三基色光源。要近似計(jì)算來(lái)自基于RGB的光源的發(fā)射光的CCT，可以應(yīng)用以下公式。其中，x和y是光源的CIE1931色坐標(biāo)。通過調(diào)整RGB發(fā)射器的輸出功率，可以控制x和y值。

除了CCT控制外，利用RGB光源和調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)彩色投影還有兩種方法。它們是基于空間合成的方法和基于顏色序列的方法。

基于空間合成的方法是指RGB光源在工作過程中始終處于開啟狀態(tài)，系統(tǒng)由光學(xué)元件和調(diào)制器疊加而成。該方法的功能示意圖如圖7所示?；趨^(qū)域的調(diào)制器通過使用三個(gè)相同的調(diào)制器來(lái)實(shí)現(xiàn)空間疊加，每個(gè)調(diào)制器都針對(duì)單個(gè)顏色進(jìn)行調(diào)制。在調(diào)制過程之后，利用適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)元件將這些單獨(dú)調(diào)制的圖案組合起來(lái)，以獲得最終的投影。

圖7 基于空間合成的RGB調(diào)制方法

基于顏色序列的方法是指調(diào)制設(shè)備在時(shí)間上而不是在空間上分離RGB顏色。調(diào)制器將每個(gè)幀分成R/G/B子幀。在每一個(gè)子幀中，調(diào)制器產(chǎn)生一個(gè)單色圖案，光源的單色發(fā)射器只在相應(yīng)的子幀中亮起，然后發(fā)射器和子幀都被關(guān)閉，移到下一個(gè)顏色的子幀。這樣，三種顏色通過子幀的快速切換進(jìn)行疊加，以實(shí)現(xiàn)人類視覺系統(tǒng)中的白色和彩色效果。顏色順序法的示意圖如圖8所示。

圖8 基于顏色序列的調(diào)制方法

C．存在的問題

這兩種采用不同調(diào)制器的方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。當(dāng)使用基于區(qū)域的調(diào)制器的空間疊加方法時(shí)，它保證了光源的高輸出功率。這是因?yàn)檎{(diào)制機(jī)制允許光源的所有發(fā)射器在工作過程中可以永久地打開。然而，使用帶有附加光學(xué)元件的三個(gè)調(diào)制器會(huì)對(duì)成本、系統(tǒng)復(fù)雜性和安裝空間產(chǎn)生負(fù)面影響。

相比之下，掃描微鏡只需一個(gè)調(diào)制器就可以實(shí)現(xiàn)空間調(diào)制。然而，由于通常用于驅(qū)動(dòng)反射鏡的正弦信號(hào)導(dǎo)致照明區(qū)域邊緣處的亮度高于中間區(qū)域的亮度，這種分布模式不適合應(yīng)用于照明。雖然這可以通過專門設(shè)計(jì)的投影光學(xué)器件進(jìn)行修改，但這種調(diào)制器需要二極管具有相當(dāng)快的開關(guān)速度才能實(shí)現(xiàn)高分辨率。

使用基于顏色序列的方法只需要一個(gè)基于區(qū)域的調(diào)制器，與空間疊加方法相比，它對(duì)成本和系統(tǒng)安裝的要求更低。然而，由于R/G/B光源的順序開關(guān)效應(yīng)，最終得到的光通量較低，這與前照燈系統(tǒng)高光通量的基本要求不符。

本文的目的是提出一種高分辨率前照燈的設(shè)計(jì)，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)上述所有功能，而且還具有相當(dāng)大的輸出光通量。此外，前照燈系統(tǒng)不應(yīng)具有非常高的系統(tǒng)復(fù)雜性，本文設(shè)計(jì)的前照燈系統(tǒng)還需是緊湊型的。欲知如何設(shè)計(jì)，請(qǐng)見下周三的技術(shù)文章《高分辨率前照燈：下一代的創(chuàng)新概念（下）》。