汽车尾部信号灯具光学实现方式概述

陶孙文，陈 芳，金立军，郑志军，王坤阳

（上汽大众汽车有限公司，上海 201800）

1 前言

汽车尾部灯具按其功能主要分为照明灯具和信号灯具两类，信号灯具对车辆行驶安全性至关重要。随着当前市面上车辆造型的加速迭代，车灯作为展现车辆造型个性化特征的重要组成部件，近年来汽车尾部信号灯具在产品、标准和技术等方面都有巨大的进步，其中最重要的创新是光源由卤素灯泡到LED（发光二极管）的变革。目前尾部信号灯具的主流设计趋向采用LED光源，考虑到尾部信号灯具本身特性、激光光源和OLED的自身属性及市场价格等情况，短期内激光光源和OLED光源或不会普及至车辆尾部信号灯具的使用中。当下，尾部信号灯具的创新将主要集中在基于LED光源的光学实现方式上。本文阐释了部分当前业内较新的光学实现方式，并展望了未来新型的尾部信号灯具光学实现方式。

2 新光学实现方式

阐释部分当前行业较新的光学实现方式，对信号灯来说，其基础理念仍是在满足相关配光法规的前提下，尽可能地做得更加美观、更加个性化。从各类光学实现方式来说，高成本及设计难度是导致其未大面积普及的两个主要因素，此外，部分厂家对其设计的专利保护也是后来者需考虑的方面。

2.1 隧道效果信号灯

最早出现在雪铁龙品牌C4毕加索等量产车型的“隧道”视觉制动灯，如图1a所示，环状发光区域一直往灯具深处延伸，犹如隧道。近年利用“隧道”原理设计尾部信号灯的车辆逐渐增多，其大致原理如图1b所示，其主要光学元器件有光源、带透光区域的反射镜、半透半反屏以及外配光镜等，光源采用LED或灯泡皆较为常见，光线通过反射镜的透光区域第1次打到半透半反屏，一部分透过半透半反屏形成“隧道”的第一环，剩余部分反射回反射镜，因反射镜具有一定的弧度，该部分光线经一定角度偏转后第2次打到半透半反屏，依次循环，形成若干“隧道”环，直至人眼不可分辨的“深度”。实际在应用中，通过控制反射镜

图1 隧道信号灯实例及结构原理

的弧度来控制各环的间距，又通过控制半透半反屏的透过率与反射率的大小来控制可视环的数量及亮度。

2.2 星辰效果信号灯

当前如Mercedes Benz的一些中高端车型上使用星辰视觉效果的尾部灯具，其主要特征是该信号灯具发出较大波长的红光，搭配不规则布置的金属质感亮点，在一定的人眼炫光条件下，造就独特的观感，如图2所示。其主要光学原理为：采用自由曲面反光碗做基面，对反光碗上的反射单元进行细化并对所有反射单元在角度、面积、形状等做全随机性设计。此光学实现方式的难点在于反射单元的全随机性设计，且需满足相关的配光法规。

图2 星辰信号灯效果

2.3 水晶光幕效果信号灯

近年市面开始出现一些车型上使用水晶光幕效果的位置灯，其主要设计特点是有较大面积的光幕区域，根据设计需求调整亮度和造型，但能够较好地控制光源的成本，并营造出通透、错落的3D效果。其一般采用PC等透明材料作导光器件，将光源（如LED）的一部分光线传导至预留的且带一定光线设计的通透区域，进而点亮该区域。一般来说，因水晶光幕信号灯的设计特殊性，故一般将此类光学实现方式作为位置灯的一部分，不用来应对光学配光之需求，仅作装饰。如图3所示，某德系车型尾部信号灯使用的水晶光幕效果位置灯，其光幕区域亮度较低，作为原位置灯造型（前面亮度较高的连贯区域）的拓展区域，可在几乎不增加光源成本的前提下实现。

图3 水晶光幕信号灯效果

2.4 OLED光源信号灯

早在2015年，宝马量产M4 GTS就使用OLED（Organic Light-Emitting Diode有机发光二极管）尾灯，次年奥迪也发布了使用OLED尾灯的量产车型TT RS，如图4所示。OLED是指有机半导体材料在电场驱动下，通过载流子注入和复合导致发光的现象，其主要包括基板、透明电极、有机发光层等，总厚度小于500nm，不同于LED光源的应用方式，OLED作为一种面光源，其发光面即可作为信号灯视表面进行设计，因其具有广视角、几乎无穷高的对比度、较低耗电、极高反应速度等优点，且可使用塑性基材，即原则上可做出各种所需的空间曲面，给汽车信号灯提供较大的设计空间。当前OLED技术日趋成熟，开始从中高端车型切入市场，而不得不提的是，其高低温性能差，较难应对一些极端恶劣环境下车辆使用工况，可能导致寿命大大缩短。

图4 OLED在TT RS车型的应用

2.5 类面光源信号灯

受制于OLED的高成本，一类新型的光学实现方式便是使用传统技术制作出类面光源的效果，在一定程度上其点亮外观与OLED面光源非常相似，且环境适应性与传统灯具相当。如图5所示，VW品牌车辆的一种类面光源信号灯具的实现方式，其结构上一般分为LED光源模块、支架和导光片3部分，光源模块经过设计合理排布在PCB（印刷电路板）上，由LED发出的光线垂直向上沿导光片延伸方向传导到导光片内，经特制的导光片将光线方向改变至导光片厚度方向，点亮整个导光片。因其光学实现方式外观均匀性好，而对光线的利用率较低、受制于光源空间上的布置及热量分布，因此其整体亮度维持在一个较低的水平，故常用于尾部信号灯中的位置灯。

图5 一种类面光源信号灯

3 光学实现方式展望

结合行业特点及当下科技的发展情况，对未来可能在汽车尾部信号灯具出现的光学实现方式进行展望，分析其特点和普及可能性。

3.1 LED显示屏信号灯

区别于LED做背光的LED液晶显示屏，LED显示屏是指以单颗LED发光作为单个像素点的显示屏，采用大规模集成电路的方式，将大量LED阵列排布并实现单个颜色控制，进而实现画面输出。当前LED显示屏已广泛应用于大型广场、体育场馆等，因其较大的发光强度、色彩清晰和立体感强等优点，将之应用于车辆尾部信号灯具，在满足车辆灯具相关标准的同时，可获得极具个性化且可用户自定义的信号显示效果。现已有相关企业研究人员尝试将其改良欲使之达到车规级的使用标准，但由于极端耐候、抗振等性能尚不足，LED较大的颗粒感使显示点距较大等原因，故实现量产仍需一定时间。

3.2 激光光源信号灯

自2011年奔驰公司宣布了对激光前照灯的研究，随后2014年宝马公司发布了首款搭载激光前照灯的量产车型i 8，表明继LED前照灯之后，激光前照灯的问世，是未来车灯发展“合理的下一步”。激光光源有发光强度高、体积小、发热少、出光准直性好等主要特性，未来在尾部信号灯具中，对激光光源的使用亦将围绕这些特性展开。

利用激光光源光强、准直性好的特点，未来可以将位置灯、制动灯、雾灯3个同颜色的灯设计为复合灯具，采用同一光源，采用光传导器件 （如透明厚壁件、柔性光纤等），将光线传递到不同功能灯的透表面，并增加各功能单独启闭设计，形成各功能的独立使用。借助光传导器件，可以实现单侧移动部件及非移动部件间的共光源，甚至实现左右侧灯具的共光源，此外，光源的布置可不拘泥于在透光面较近的位置，可将光源置于车身内部任一位置。

3.3 全息投影信号灯

全息投影技术是虚拟成像技术的一种，利用衍射和干涉原理记录和再现物体三维图像的技术。其记录过程原理如图6a所示，光源发出的激光，在打到半透半反膜G上一分为二，再分别经过反射和透镜扩散，一部分打到物体后反射至全息底片H，另一部分作为参考光投射到全息底片，两部分光经叠加干涉将物体光波信息记录至全息底片H。其再现过程如图6b所示，全息底片H通过多次曝光还可以在同一张底片上记录多个不同的图像，而后在相干激光照射下，一张线性记录的正弦型全息图的衍射光波一般可给出原始象和共轭象，再将所有图像互不干扰地显示出来便成了全息影像。全息投影色彩鲜艳，对比度、清晰度高，具有很强的空间透视感。

图6 全息投影原理

3.4 非接触悬浮立体光源信号灯

当前非接触电能传输技术已较为成熟稳定地实现近距离传输电能，利用电磁感应原理，将两个线圈放置于临近位置，在一个线圈中产生电流波动时，其产生的磁通量作为媒介，致使另一线圈中产生电动势，如手机的无线充电。在增加无线传输距离下研究目标中，利用电磁波能量可以通过天线发送和接收的原理（即微波输能），理论上未来微波输能可实现定向高效的电能传输，在此基础上，造型设计诉求较高的汽车尾部信号灯具将可使用悬浮立体式光源，设计布局不受电路布线的约束，预计可更好地实现造型设计上的 “天马行空”。

4 结论

总的来说，未来汽车尾部信号灯具将在造型、光源、功能等3个方面实现突破。从外观造型方面来看，随着国内新能源汽车的快速发展及一众新能源汽车品牌的兴起，更加智能化、个性化的造型被设计出来，尾部信号灯具作为车辆尾部造型的点睛之笔，其外观上将会朝着更加美观、更加具科技感和更有辨识度的方向发展；光源发展兴替方面，技术的发展引领光源的突破，当前LED对灯泡光源的替换，亦可预见未来可能在LED光源不断普及的基础上，激光光源及OLED面光源将不断实现技术突破，实用性不断提高的同时成本不断降低，带给尾部信号灯具超过LED光源更好的光学效果及设计自由度；从功能设计方面来说，新的技术发展如LED显示屏在尾部信号灯具的使用，跨界技术在汽车领域的转变应用，如全息投影技术在尾部信号灯具上的应用潜力，都可能是未来尾部信号灯具在功能设计上的从无到有。