汽车前照灯发展趋势与研究

赵松岭， 雷永富， 刘晓喻， 王宪礼， 王红余， 陶华胜

（奇瑞商用车（安徽） 有限公司， 安徽 芜湖 241000）

在行车用车的过程中，安全至高无上。眼睛是人类心灵的窗户，而对于汽车来说，前照灯就好比是人类的眼睛，明亮的眼睛可以让我们更加清晰地接收影像信息，拒绝盲区带来的意外交通事故。因此好的前照灯可以提高夜间的行车安全，使驾驶者在夜间行驶更为轻松舒适。据了解，有相关统计显示，车辆总行驶里程的25%是处于晚上或者自然光线不足的情况下，而在此种情况下所发生的涉及到人身伤害的事故占33%，同时，约50%的死亡事故都是发生在夜间。如此来看，前照灯对于我们在夜晚行车的重要性不言而喻。

1 汽车前照灯发展历程

汽车从1886年诞生至今，从内而外发生了翻天覆地的变化，各个厂商除了

在动力和性能上做文章，对车身上各个部件也是跃跃欲试。汽车前照灯经历了从汽灯到电灯，从灯泡到LED，再到激光前照灯的过程，从最开始单纯用于照明，到现在用在夜视、装饰等各种用途。汽车前照灯发展历程如图1所示。

2 汽车前照灯技术现状

LED远近光产品首先在合资品牌的中高端车型中应用，因此合资品牌对于LED远近光产品的应用更早，技术积累也更成熟丰富一些，对合资品牌自2007年起发布的车型进行统计（部分数据来源：中汽数据中心） 并根据远近光光源种类进行分析如图2所示。

自主品牌由于各方面原因的限制，对于LED远近光产品应用的起步较晚，也没有形成全面有体系的技术积累，略显弱势，但自2012年起，随着LED技术的进步和自主品牌研发能力的提升，自主品牌也在LED远近光应用技术方面做出了很多积极的尝试，并取得了一定的成果，对自主品牌自2007年起发布的车型进行统计，如图3所示。

3 LED前照灯发展趋势

LED前照灯是汽车照明发展的大趋势。20世纪90年代开始出现氙气灯，但氙气前照灯在尚未完全普及时，LED前照灯已悄然出现。和传统卤素灯热辐射发光、氙气灯高压气体发光相比，LED前照灯通过发光二极管将电能转换为光能，使得LED具备色彩鲜艳丰富、亮度高、寿命长、高效率、低能耗、体积小、质量轻等独特优势。自此在汽车车灯行业独占鳌头，并促使车灯行业无论是性能还是造型美观性进行了一次又一次的“大革命”。从具体性能指标上看，LED灯的光线强度可达卤素灯的5倍，氙气灯的1.4倍。LED灯的使用寿命可达10万小时，远远长于卤素灯和氙气灯。LED的能耗仅仅为卤素灯的1／10，氙气灯的1／7。此外，LED灯在照射距离、照明效果明显优于卤素灯及氙气前照灯，照明效果如图4所示。

图1 汽车前照灯发展历程图

图2 前照灯技术发展现状

图3 自主品牌车型统计

图4 照明效果

众多性能的优越性，使得LED车灯近年来渗透率快速增长，同时也吸引了更多的企业的参与，LED车灯开始在合资品牌和自主品牌中高端车型普及。目前合资品牌大部分中高端车型都配置LED车灯，自主品牌也纷纷推出具备LED灯的新款车型，成功吸引了潜在的消费者。

随着LED前照灯渗透率快速提升，智能LED车灯开始崭露头角。随着近年来人工智能、机器智能的发展以及消费升级对汽车智能化、安全化等需求的提高，自适应前照灯系统应运而生。

从发展先后顺序来讲，自适应前照灯可以分为3代：①第1代自适应前照灯（AFS）、②第2代自适应前照灯 （全功能AFS）、 ③第3代自适应前照灯（ADB）。

3.1 第1代自适应前照灯（AFS）

第1代的自适应前照灯主要有上下左右（或者只有上下）调整功能。整体功能如图5、图6所示。

图5为上下调节功能，图6为左右调节功能，上下功能可以根据车身俯仰情况，实时调节前照灯的照射高度，防止产生炫目；左右功能可以根据方向盘的转动角度，实时旋转前照灯，优化驾驶员视野。从图中可以明显看出上下左右功能的特点。第1代的自适应前照灯大家习惯上称之为AFS。

AFS的整体构成如图7所示，图7为只有上下调节功能的AFS，图8为具有上下左右调节功能的AFS。

图5 上下调节功能

图6 左右调节功能

图7 只有上下调节功能

图8 有上下左右调节功能

3.2 第2代自适应前照灯（全功能AFS）

第2代的自适应前照灯，主要在第1代的基础上增加了城镇模式、高速模式、恶劣天气模式。

图9为高速模式，比基础近光能够照射更远的距离，可以保证驾驶员具有更远的视野，保证了较远的反应距离；可以通过简单的抬高前照灯来实现，也可以通过头灯内的配光设计实现。

图9 高速模式

图10 是城镇模式，比基础近光照射的更宽，可以提高驾驶员两侧的视野，防止突然闯出行人；可以通过将左右车灯向道路两侧旋转后实现，也可以通过头灯内的导光片配光设计实现。

图10 城镇模式

图11 是恶劣天气模式，主要的目的是防止灯光照射到路上积水后反射到对面驾驶员眼睛里面；此模式主要靠头灯内的挡光片遮挡一部分灯光后实现，同时头灯也需要旋转一定角度来实现更好的效果。

图11 恶劣天气模式

第2代的自适应前照灯系统称之为全功能AFS，相比第1代系统主要增加了摄像头系统来识别当前的路况。

3.3 第3代自适应前照灯（ADB）

第3代的自适应前照灯习惯称之为ADB，在满足驾驶员的同时，不产生炫目。所以在对面没有车辆时会开启远光灯；当对面有车辆时，会调节头灯内的挡光片，挡住部分远光，防止产生炫目；并且随着不同的路况，会实时调节光型，实现城镇模式、乡村模式等。主要功能工况如图12所示。

图12 ADB主要功能工况

过去几年中，基于矩阵和像素化的高分辨率前照灯技术发展十分迅速，业内推出的高分辨率LED前照灯已被应用于自适应远光系统（ADB） 上，部分畅销车型已有量产车型出现。大体上，可以分为以下4种技术路线：①DMD系统（DLP技术）、②μMatrix技术、③激光扫描前照灯、④LCD前照灯。

3.3.1 DMD系统（DLP技术）

2018年在国际消费类电子产品展览会（CES） 上展示了高分辨率车前照灯系统的DLP技术，如图13所示。奥迪和宝马等车型均已引入。DMD技术不仅在任何驾驶情况下，可提供驾驶最理想的照明，还可在车头前方做出各种高解析度图形的指示，例如：结合导航系统，在转弯时预先投射出“箭头”图案引导驾驶方向；或者是提醒当下重要的交通标志等。将车前照灯系统转变为新的交通通信方式，加强驾驶员之间以及驾驶员与行人间的交流，为未来的自动驾驶和无人驾驶车辆提供一种有效的解决方案。

图13 DMD技术应用

3.3.2 μMatrix技术

该技术由Infineon公司与霍伦霍夫研究所共同研究开发，其设计的LED芯片中的驱动电路直接把它控制的LED发光二极管进行了连接。传统的LED车灯只是把多个独立的LED芯片整合到一个LED封装器件中，外部驱动提供电能后，整片芯片同时点亮，矩阵式则是将多个 （目前Multibeam矩阵车灯内含84个独立LED器件） LED器件矩阵化后分别控制，但是灯珠像素数量相对较少。而μMatrix （微型矩阵） 解决方案由一颗LED芯片构成，分解为1024个独立控制的像素。这里的场平面由LED阵列本身组成，因此光型可以叠加更改。该技术的一个优点是能耗有所降低，因为只有开启的像素耗能。用该技术制成的首个前照灯实验方案已经得到了验证。μMatrix微型矩阵灯如图14所示。

图14 μMatrix微型矩阵灯

3.3.3 激光扫描前照灯

该技术的主要部件为一款波长约450nm的蓝光激光二极管，和具有机电控制功能的微型光学系统MEMS微镜。MEMS微镜负责将激光反射至荧光体，荧光体中包含嵌入矩阵的转换和散射颗粒。进而产生的混合散射蓝光和转换光通过调制获得白色光。凭借协同整合的MEMS微镜倾斜运动和激光器功率控制，可以在荧光体上产生任何想要的模式光，然后像幻灯片一样投射在路面上。激光扫描前照灯如图15所示。

图15 激光扫描前照灯

该解决方案的光源是一个高功率蓝光激光二极管。通过快速二维扫描激光束，激光光束在荧光体上产生特定光型，并通过光学系统投射到路面。通过与激光二极管的切换结合荧光体的扫描区域不同，可以产生多种光型。缺点是扫描激光束和荧光体的超高辐照度耗能较高。iLAS （基于智能激光的自适应头灯） 项目正在研究解决该问题。

3.3.4 LCD前照灯

随着汽车智能化的需求越来越高，主机厂对智能车前照灯像素数量的要求也逐渐提高，同时要求智能前照灯的照明功能兼具显示功能。LCD （Liquid Crystal Display） 作为最为成熟的显示技术，其相关驱动与控制技术产业链也相当成熟，因此LCD自然而然地成为了智能前照灯光源控制系统的选择之一。LCD前照灯系统可以通过控制系统向LCD模块发出指令，最终以每秒钟60次的频率对前方发送像素显示的指向与强度，为汽车提供高分辨率及清晰成像的照明和显示体验。目前的LCD式前照灯的像素数量级已经能做到万级，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。其主要限制在于偏光片及液晶面板存在损耗，且LCD前照灯的光学和能量利用效率相对较低，而且改善空间有限。

4 总结

综合以上新技术发展，对各新技术进行参数对比，如表1所示。

表1 高分辨率前照灯技术指标对比

由此我们可以得出结论：当前新的前沿趋势各有优缺点，且新的前沿趋势有诸多难点需要攻克，诸如：激光扫描前照灯激光束和荧光体的超高辐照度耗能较高以及激光光束的破坏性防护，新前沿技术的成本高昂等，若攻克以上难题并使得成本大众化，新的前沿趋势可能成为前照灯的发展趋势。