汽車照明智能控制技術是光源技術、電氣技術、微電子技術、檢測技術、微機技術、自控技術、傳感技術和通信技術的緊密結合和相互滲透的結晶。隨著人類高新技術在汽車照明領域的廣泛應用,汽車照明控制技術將不斷向節能化、智能化、信息化、人性化、藝術化和個性化方向發展。智能化控制在汽車照明中佔據著重要地位,也是必不可少的一部分,將越來越受到人們的青睞。
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,尤其是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複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。
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,並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製或亮度調節。
所分區域越多,能組合出來的光型數量則越多,就能實現越複雜的智能照明動作。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。
光源技術路線分析
LED 矩陣式
基於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複雜的二次光學系統。
前照燈自適應控制技術
前照燈隨動調節
1.光照強度傳感器感知車輛外部的環境亮度。
2.轉角傳感器測量出汽車轉彎的角度。
3.橫擺角速度傳感器測量出汽車的橫擺角速度。
4.車速傳感器測量出當前汽車的行駛速度。
5.加速度計傳感器獲取車身高度(車輛質心)。
6.車燈轉角傳感器獲取車燈轉角等變化信息。
7.多傳感器信息交互對汽車前大燈的配光進行最優化的調節。
矩陣式LED光束調節
矩陣式LED大燈可以實現對照明區域的精確控制,即在光源的覆蓋範圍內,系統可以選擇特定區域進行照明,亦可以選擇一些區域來進行遮蔽。所以在前置攝像頭的配合下,矩陣式大燈在會車時可以由系統自動控制,關閉射向對方來車的光束,而正常負責照明的光束則不受任何影響。等到會車結束之後,之前因為遮蔽而關閉LED燈珠再自動開啟,恢復正常的照明工作。
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,由於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。
防炫目技術
矩陣式LED大燈控制系統能夠通過車輛檢測系統,感知和跟蹤到800米距離內的其它車輛;當檢測到汽車前方或對向車道有車輛和行人時,大燈控制系統會實時檢測跟踪目標車輛,並關閉相應位置的LED單體,同時,其他LED單體繼續保持照明。這樣既能夠避免對方產生炫目的情況,又保證了駕駛員的正常照明需求。
車燈控制技術的未來發展趨勢—越來越智能化
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。
另由於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,由於相對較高的亮度,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於普通液晶顯示器,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,鑑於當前用於顯示的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。
相對於下面介紹的基於投影技術的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。
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。
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於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並無本質區別。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。由於RGB 三原色激光混光技術對於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 的優勢在於技術比較成熟,亮度、效率等各主要參數也足夠好。激光+DMD 的優勢在於,得益於激光的強方向性,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,其整體差距其實並不大。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(例如發生碰撞事故後)等所有車用激光光源均需要面對的共同問題。
整體方案而言,DLP 相對於目前其他的多像素技術最大的優勢正是在於像素數量之多。目前的首款DLP 式智能大燈已突破百萬級的像素,遙遙領先於其他技術,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範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。
另外,目前的車規級DMD 器件投射角度有限,單顆DMD 僅適合近場小範圍投射。除非將來有為大燈特殊定制的廣角度DMD 器件。當汽車遇到各種不同的交通情況時,採用的DMD(Digital Micromirror Device)技術能夠提供最適合的照明方案。從技術層面上來說,DMD技術可以讓矩陣式激光大燈擁有無限種可能的控制方式。
要大幅拓寬DLP 系統的圖像範圍(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,後者則有違智能大燈數字化的發展趨勢,重新增加了系統的複雜度和降低了可靠性。
µAFS 式
µAFS 是業內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開發的LED 技術。在過去傳統的LED 工藝裡,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),外部驅動提供電能後,整片芯片同時點亮。
而µAFS 則是預先在芯片的矽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於像素的形成: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。
得益於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 排列組合為更複雜的光學系統成為可能。此外,由於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。又由於是直接對LED 光源進行開關動作,其能達到的明暗對比度是幾種方案裡面最高的。成熟的LED 矽襯底技術也使得µAFS 有更穩定的溫度特性。
與LCD 式及DLP 式相比,µAFS 的主要限制在於像素的數量。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。
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,其基本原理為利用基於MEMS 技術(Micro-Electro-Mechanical System, 微機電系統)所製成的高精度掃描鏡週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於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。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。
從這張光源照射距離圖中我們可以發現,激光燈源擁有近乎LED遠光燈兩倍的照射距離,最遠照射距離可達500米,而且鐳射燈二極管直徑僅為幾微米,比組成LED燈二極管體積要小得多。
OLED車燈技術
OLED(Organic Light-Emitting Diode)有機發光二極管的優點:
1.可視度和亮度高,呈現出來的色彩更加準確。
2.單片二極管的厚度不到1 毫米,也無需反射器、導光板等光學組件,自然減輕了重量。
3.驅動電壓低且省電效率高,同樣亮度的情況下,工作壽命可提高10 倍,而且在零下40 °正常工作。
寶馬在2015 年8 月發布首款使用OLED 的量產車M4 GTS
奧迪在2016 年1 月的國際消費電子展(CES)上展出配備OLED 的新款TT RS
中國最薄柔性OLED車燈樣品:2017年翌光發布全新的柔性OLED車燈屏體。該柔性屏體厚度僅0.1mm,比藍色火車票還薄一半多,重量不到1克,發光面積約13cm²,不僅實現了很好的彎曲性,而且屏體均勻性也達到了新的高度。
該車的尾燈共選用了36片翌光科技提供的OLED紅光燈片,採用三角形疊加造型,未點亮時屏體呈透明狀態,點亮後發出深紅光,呈現出多種流水動態效果,具有3D縱深感。該車燈打造輕量化設計的同時兼顧了功能性,實現了人與車、車與車之間的信息交流與互動功能。
總結及展望
除去技術目前尚未成熟的激光掃描式大燈,對於技術相對接近並各有所長的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:
各技術綜合對比
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、工作溫度範圍等方面均有相當優勢。
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 進行大範圍的區域照明並實施功能性智能動作(如無眩光遠光燈);並輔以分立式LED 作光型補充(如隨動轉向光型延展)。例如下圖圖八所示:
幾種技術的有機結合
輔助看點分析:
另外,《2020-2021全球車用LED產品趨勢與區域市場分析》顯示,隨著智能頭燈、貫穿式尾燈、HDR車用顯示、氛圍燈等先進技術的發展,推升車用LED市場需求。
車用照明產品趨勢
2020年受到COVID-19影響之下,全球車廠更為積極提升LED頭燈滲透率,以求在市場需求重挫之際,做出差異化競爭、提升市場佔有率。汽車照明即為車廠、車燈廠商與LED廠商共同努力的方向之一。
根據TrendForce集邦諮詢分析,2020年LED頭燈滲透率於全球乘用車達到53.1%,其中LED頭燈滲透率於電動車更高達85%。2021年將分別有機會達到60%與90%。智能頭燈中的自適應性遠光燈(ADB Headlights)更為時勢所趨。自適應性遠光燈(ADB Headlights) 具有兩大駕駛者優點,更為眾廠商所追求之目標。
a. 擴大了駕駛者夜間視野,可增加對前方障礙物的反應時間。
b. 無眩光遠光燈(Glare- Free High Beam),減少前車、對向來車和行人被車燈照到的不適感。
自適應頭燈(ADB Headlight)現階段以矩陣式LED(Matrix LED) 設計為主,可單獨控制的高性能LED,駕駛員現在可以實現更好的道路照明,並且可以更精確地保護其他道路使用者免受眩光影響。根據TrendForce集邦諮詢分析,自適應性頭燈(ADB Headlight)市場滲透率於2020年僅為0.7%,預期於2025年將有機會達到2.7%。
車用顯示產品趨勢
根據面板廠商表示,車用顯示將朝向1.5m寬度全車顯示、異形化或是透明顯示、高解析度(250ppi)等趨勢。長期展望,車用顯示市場潛力無限!
1. HDR市場需求
在區域調光需求與成本要求的考量之下,主流區域調光數為60到384區。發展廠商如通用汽車General Motors、吉利、群創、友達、聚積、日亞化學Nichia、歐司朗OSRAM、億光與隆達等。通用汽車旗下Cadillac LYRIQ採用34英寸車用顯示,區域調光高達>3,000區,且搭配主動驅動產品設計。預計將會帶動高階旗艦車款導入高動態對比與區域調光技術的趨勢。
2. 全車顯示
受限於車用安全規範的考量(氣囊爆出時,不能有玻璃碎片),因此,當車廠欲將車用面板自儀表板延伸至中控面板與副駕駛座(即為A柱到A柱顯示)時,現階段僅能採用OLED顯示。Micro LED顯示可省去玻璃碎片帶來的風險與傷害。可想見當Micro LED技術成熟時,也將競逐於OLED全車顯示市場份額。
3. 透明顯示屏
Micro LED為次世代顯示技術,搭配柔性屏與透明屏,應用於未來智能汽車,其資訊顯示將可出現在車內外幾乎所有區域,為先進駕駛輔助系統(ADAS)、無人駕駛(Autonomous Vehicle)與共用汽車(Car Sharing)開創移動(Mobility)與通訊(Communication)結合的新世紀。
車燈市場規模與車燈廠商動態
根據TrendForce集邦諮詢調查與分析,受到COVID-19的影響,2020年全球車燈市場規模達到276.52億美金(-5% YoY),前五大國際車燈廠商為Koito、Valeo、Marelli Automotive Lighting、Hella、Stanley,涵蓋71.7%市場佔有率。
多數主營歐美與日本車市的車燈廠商,其2020年營收下滑9%-12%;僅星宇、曼德營收年成長分別高達21% YoY與17%,主要受惠於中國大陸車市需求。星宇隨著智能駕駛升級機會帶來的LED以及ADB頭燈升級機會,單車價值逐年提升,並陸續獲得BMW、Audi、Jaguar Land Rover等豪華品牌訂單。
曼德推出DLP ADB+雷射頭燈大燈,並應用於長城汽車旗下WEY品牌的量產車WEY VV6與WEY VV7。通過提供超過100萬個可定址的照明像素點,智能頭燈可對複雜路面環境,包含道路上行人、車輛等物體的識別進行智能化運算,進而對光路進行程式設計和精確到像素級別的控制。