【LED小課堂】透析LED智能大燈光源的技術(shù)路線

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?zé)魹榇鬅糁饕庠吹哪甏鷱募夹g(shù)上難以實現(xiàn)。

而隨著汽車燈具技術(shù)的不斷進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(yuǎn)光、路標(biāo)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。

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(yuǎn)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(jìn)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(jìn)行分析。由于篇幅所限,本文僅對各技術(shù)進(jìn)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(zhǔn)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。

(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(yuǎn)高于普通液晶顯示器,加上需要經(jīng)過嚴(yán)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(dāng)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(yuǎn)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(dāng)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。

(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(dāng)然,為了符合車規(guī)認(rèn)證,特別是大燈中嚴(yán)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(yuǎn),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(lán)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(lán)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(jìn)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(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)。

(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?yán)?,每個芯片只有單個正極和單個負(fù)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(jìn)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(dá)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(dāng)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(jìn)行開關(guān)動作,其能達(dá)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(yuǎn)期的規(guī)劃當(dāng)中。

(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(jìn)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(yuǎn)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(rèn)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。

但此技術(shù)目前離通過車規(guī)認(rèn)證還有相當(dāng)?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(yuǎn)達(dá)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(yán)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(dá)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(jìn)行主要參數(shù)對比,可得對比圖如下:

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(dāng)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(biāo)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(yuǎn)場及主要照明區(qū)域使用 μAFS 進(jìn)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(yuǎn)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:


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。