技術文章 |高分辨率前照燈：下一代的創新理念（上）

近年來，為了提高安全性和舒適性，前照燈系統得到了迅速的發展，并呈現出分辨率越來越高的的趨勢。更高的分辨率帶來了新的功能，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行交流提供了機會。這種基于照明的通信對于即將到來的更高自動駕駛水平的時代尤其重要。為了充分利用道路投影的優勢，提出了彩色投影技術。這種技術使信息不僅在夜間可見，且在白天也可見。當前車燈的彩色投影技術要么光通量過低，無法達到照明要求；要么結構復雜，實現成本高且不緊湊。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的創新概念。并根據這一概念討論了具體的設計方案。

本文分為上下兩部分，上半部分主要介紹前照燈相關技術的發展與應用、高分辨率前照燈的概念、技術現狀和存在的問題，下半部分主要介紹激光LCoS前照燈的概念、設計方法、仿真結果和實現。

一、前照燈相關技術的發展

汽車工業中，前照燈系統在過去的十年得到了飛躍式發展。與傳統前照燈相比，系統中加入了許多主動照明功能，以便為不同的駕駛情況提供足夠的照明。自適應前照燈系統（AFS）是UNECE在第123號法規中規定生效的第一個補充系統。引入AFS后，ECE第48號法規中定義了自適應遠光（ADB）系統，以適應更廣泛的應用場景。除此之外，相關色溫（CCT）可調白光系統與前照燈投影系統也在高速發展中。

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。彎曲光是當車輛在彎道轉彎時，通過附加光束提供側面照明，使得駕駛員能觀察到轉彎方向的路況。其他四種近光模式分別是經典近光（基本近光燈模式）、高速公路近光（高速行駛時，行駛方向的增強光束模式）、城鎮近光（不會產生眩光的光束模式）和惡劣天氣近光（惡劣天氣時、避免對自身和迎面而來車輛造成強眩光的光束模式）。

圖2   AFS系統模擬示意圖

B．   ADB

ADB是AFS的一種遠光燈，它根據迎面駛來的車輛的存在來調整其光束模式，以提高駕駛員的遠程可視性，而不會對其他道路使用者造成不適和干擾。該系統是AFS在遠光功能方面的補充。ADB系統通常會生成許多光束來照明整個視野，每個部分都可以獨立調暗/亮、打開/關閉。ADB系統實現了去眩光功能，允許在某些需要優化能見度的情況下長期使用遠光燈。

圖3   ADB系統仿真示意圖

C．   CCT可調白光系統

接近太陽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可調白光系統的使用能夠提高道路安全性。

圖4 車燈色溫對比（左邊低色溫，右邊高色溫）

D．   前照燈投影系統

可以直接在道路上顯示車輛信息的投影近年來也被集成到前照燈系統中。除了駕駛員可以不移動視線而獲取信息外，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的智能交通和自動駕駛時代尤其有用，能夠幫助其他道路使用者快速了解車輛意圖。為了實現不同環境（白天、夜間和積雪或良好照明的路面等）可檢測的道路投影，彩色投影將是潛在的解決方案。

圖5 奔馳邁巴赫S級前照燈投影效果

二、高分辨率前照燈

A．概念與設計元件

像素數量在幾十到數百萬之間的前照燈系統被稱為高分辨率前照燈。要實現預期的光分布，需要使用高分辨率調制技術。主要的調制技術如圖6所示。掃描微鏡直接偏轉入射光束；相比之下，數字微鏡陣列（DMD）、液晶顯示器（LCD）和硅晶顯示（LCoS）是基于區域的照明調制器。

圖6 高分辨率調制技術及其工作原理

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

B．設計方法

利用圖6中的技術，可以使用具有不同波長的聯合光源來實現CCT可調白光系統和彩色投影，且通常使用RGB三基色光源。要近似計算來自基于RGB的光源的發射光的CCT，可以應用以下公式。其中，x和y是光源的CIE1931色坐標。通過調整RGB發射器的輸出功率，可以控制x和y值。

除了CCT控制外，利用RGB光源和調制技術實現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，系統由光學元件和調制器疊加而成。該方法的功能示意圖如圖7所示。基于區域的調制器通過使用三個相同的調制器來實現空間疊加，每個調制器都針對單個顏色進行調制。在調制過程之后，利用適當的光學元件將這些單獨調制的圖案組合起來，以獲得最終的投影。

圖7 基于空間合成的RGB調制方法

基于顏色序列的方法是指調制設備在時間上而不是在空間上分離RGB顏色。調制器將每個幀分成R/G/B子幀。在每一個子幀中，調制器產生一個單色圖案，光源的單色發射器只在相應的子幀中亮起，然后發射器和子幀都被關閉，移到下一個顏色的子幀。這樣，三種顏色通過子幀的快速切換進行疊加，以實現人類視覺系統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 基于顏色序列的調制方法

C．存在的問題

這兩種采用不同調制器的方法各有優缺點。當使用基于區域的調制器的空間疊加方法時，它保證了光源的高輸出功率。這是因為調制機制允許光源的所有發射器在工作過程中可以永久地打開。然而，使用帶有附加光學元件的三個調制器會對成本、系統復雜性和安裝空間產生負面影響。

相比之下，掃描微鏡只需一個調制器就可以實現空間調制。然而，由于通常用于驅動反射鏡的正弦信號導致照明區域邊緣處的亮度高于中間區域的亮度，這種分布模式不適合應用于照明。雖然這可以通過專門設計的投影光學器件進行修改，但這種調制器需要二極管具有相當快的開關速度才能實現高分辨率。

使用基于顏色序列的方法只需要一個基于區域的調制器，與空間疊加方法相比，它對成本和系統安裝的要求更低。然而，由于R/G/B光源的順序開關效應，最終得到的光通量較低，這與前照燈系統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計，它不僅能夠實現上述所有功能，而且還具有相當大的輸出光通量。此外，前照燈系統不應具有非常高的系統復雜性，本文設計的前照燈系統還需是緊湊型的。欲知如何設計，請見下周三的技術文章《高分辨率前照燈：下一代的創新概念（下）》。