汽車照明燈具技術(shù)需求及發(fā)展趨勢

　　羅滔

　　中山大學(xué)佛山研究院副院長

　　《2018阿拉丁照明產(chǎn)業(yè)調(diào)研白皮書》汽車照明 顧問

　　1)LED技術(shù)的快速推廣

　　LED光源與傳統(tǒng)光源相比，具備了諸多性能優(yōu)點(diǎn)，壽命長、響應(yīng)快、光效高、節(jié)能環(huán)保，外加LED體積小，易造型，有助于燈具造型的靈活設(shè)計(jì)，這些都造就了LED光源的競爭力。

　　其次，國家對LED產(chǎn)業(yè)的大力度扶持，孕育了LED技術(shù)應(yīng)用的良性生態(tài)?？傊?，LED成本侵蝕、性能優(yōu)化、LED模塊標(biāo)準(zhǔn)化、驅(qū)動成本下降、車用LED需求增加，都加速催化了LED 技術(shù)的應(yīng)用和推廣。據(jù)某公司新開發(fā)項(xiàng)目的統(tǒng)計(jì)，LED光源占比已達(dá)90% 以上，即未來兩至三年后上市的車型，幾乎所有車型都將使用LED光源。

　　值得一提的是，新能源汽車的發(fā)展推動了LED車燈的應(yīng)用，不僅加快了LED車用照明的普及，同時為LED在整車上的應(yīng)用創(chuàng)造了更多可能。

　　由于新能源汽車對續(xù)航里程的需求，除了提升電池性能外，還需要在各環(huán)節(jié)降低能量消耗，LED的發(fā)光效率高，能耗僅是傳統(tǒng)鹵素?zé)舻?0%左右。例如，比亞迪整車燈具，光源全部由燈泡更換為LED光源，單車大約可以節(jié)約250W的能耗，以比亞迪E6為例，大約能節(jié)約 3%~~5%的電量，所以新能源汽車對LED車用照明的需求十分強(qiáng)烈。

　　此外，LED技術(shù)在新能源汽車上可以實(shí)現(xiàn)更多的應(yīng)用。新能源車由于能耗問題一般設(shè)計(jì)的比較輕巧，而LED發(fā)光集中、光源小，更能滿足新能源車對小巧車燈的需要。

　　2)造型個性化與成本平衡

　　兼顧個性化的同時，發(fā)展基于多樣化的標(biāo)準(zhǔn)模組、驅(qū)動模塊平臺件，并配以合適的散熱設(shè)計(jì)，確保零件盡可能多地復(fù)用，有利于縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)費(fèi)用，最終取得成本優(yōu)勢。

　　3)儀式感塑造

　　隨著LED光源技術(shù)、電子驅(qū)動技術(shù)、傳感器技術(shù)、及 軟件技術(shù)的結(jié)合，儀式感塑造將從單一燈光模式，向聲、光、電一體的融合模式進(jìn)化，會越來越多地體現(xiàn)在將來的產(chǎn)品上。因此，我們也會看到未來汽車燈光將變得越來越“個性”、“感性”、“靈性”。

　　4)標(biāo)準(zhǔn)軟硬件架構(gòu)加軟件個性化定制

　　今后，燈具設(shè)計(jì)會往個性化、智能化、場景化趨勢發(fā)展，燈光控制將愈加多樣復(fù)雜，甚至需車輛總線(CAn、LIn)的介入。再者，新車型上市周期縮減，車型平臺的更新加快，功能推陳出新頻繁，燈控模塊需標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，采用標(biāo)準(zhǔn)化軟硬件架構(gòu)，隔離應(yīng)用軟件與底層及硬件，擺脫 ECU軟件開發(fā)驗(yàn)證對硬件系統(tǒng)的依賴，為客戶提供一個具有高度動態(tài)性和靈活性的平臺來實(shí)現(xiàn)個性化定制和快速迭代，滿足功能復(fù)雜、規(guī)范化要求高的項(xiàng)目需求，縮減了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本和風(fēng)險(xiǎn)。

　　LED汽車照明燈具光學(xué)技術(shù)現(xiàn)狀分析

　　概況

　　隨著LED照明應(yīng)用的深入，LED已經(jīng)進(jìn)入了絕大多數(shù)照明應(yīng)用領(lǐng)域，也包括汽車照明。和所有的照明系統(tǒng)一樣，汽車照明也包括光學(xué)、電子控制、驅(qū)動、散熱和外形結(jié)構(gòu)等部分。其中，光學(xué)設(shè)計(jì)決定了形成汽車照明特殊的光斑形狀 和光色分布，是整個燈具中最精密的部分，也是設(shè)計(jì)自由度相對最大的部分。因此，光學(xué)技術(shù)是針對LED車燈的技術(shù)布局中最重要的一個部分。

　　研究LED車燈光學(xué)技術(shù)的現(xiàn)狀，最好的途徑是從分析比對LED車燈專利入手。因此，編者調(diào)研了截止2014年國內(nèi)申請的LED光學(xué)專利，共找到符合LED照明用光學(xué)系統(tǒng)相關(guān)的專利共計(jì)6503件，僅車燈專利就有841件，占我國申請專利數(shù)量的12.93%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他單一照明領(lǐng)域的專利數(shù)量。由此可見，在光學(xué)設(shè)計(jì)研發(fā)成果中，LED車燈的研發(fā)成果是最豐富的。形成 LED 汽車照明如此重視光學(xué)開發(fā)的原因，包括以下幾點(diǎn):

　　1)、汽車照明燈具類別多，外觀形態(tài)豐富，為光學(xué)設(shè)計(jì)提供了巨大的發(fā)揮空間。

　　2)、汽車照明技術(shù)要求特殊，需要獨(dú)特的光學(xué)設(shè)計(jì)。

　　3)、汽車照明利潤空間大，集合了最強(qiáng)大的光學(xué)設(shè)計(jì)開發(fā)能力。在LED汽車照明光學(xué)專利，前照燈的專利數(shù)量 超過了一半。此外，由于汽車前照燈的技術(shù)要求明確，設(shè)計(jì)雖然有相當(dāng)自由度但放置燈頭的空間大體相當(dāng)，便于橫向比對和總結(jié)汽車用照明光學(xué)系統(tǒng)發(fā)展脈絡(luò)。因此，本白皮書針對光學(xué)技術(shù)的分析將集中在汽車前照燈展開。

　　前照燈照明規(guī)范光學(xué)性能對光學(xué)設(shè)計(jì)的要求

　　現(xiàn)存的汽車前照燈的主要標(biāo)準(zhǔn)體系有：中國GB標(biāo)準(zhǔn)、歐盟ECE法規(guī)、美國SAE標(biāo)準(zhǔn)、澳大利亞ADR設(shè)計(jì)規(guī)則等。

　　其中，歐洲ECE標(biāo)準(zhǔn)中近光燈配光要求規(guī)定了四個照明區(qū)域，相應(yīng)的測試點(diǎn)如圖1所示。該圖中同時標(biāo)定了路面不同遠(yuǎn)近位置在垂直接收測試面的映射位置。從標(biāo)準(zhǔn)可知，主要規(guī)定了9 個測試點(diǎn)的光度要求;遠(yuǎn)光燈相對簡單，要求遠(yuǎn)光燈具有足夠大的發(fā)光強(qiáng)度和足夠?qū)挼恼彰鞣秶?，遠(yuǎn)光光束中心(最大照度點(diǎn))與中心點(diǎn)的比值大于80%，并設(shè)置了5個測試控制點(diǎn)。

　　對于近光燈的照明規(guī)范來說，參考圖3.10描述的汽車照明路面模擬示意圖，詳細(xì)說明了ECE 歐標(biāo)中規(guī)定的四個區(qū)域?qū)?yīng)的實(shí)際照明情況。B50L稱作防眩點(diǎn), 距前照燈50m處迎面而來的車輛駕駛員眼睛的位置，為了降低對面車輛的眩光，設(shè)計(jì)中希望這個點(diǎn)的照度越低越好;50R、75R分別代表本車右邊距前照燈50米、75米處路邊的照度值，希望能夠獲得足夠的照度;25L及25R分別表示燈具前方25米處的道路的左、右路邊的照度值，同樣需要一定的照度從而能夠讓駕駛員的視野更開闊;III區(qū)，又稱為防眩區(qū)，表明車燈的眩目情況，一般需要控制在較精準(zhǔn)的范圍內(nèi)，需要照度很低;IV區(qū)為過渡區(qū)，表示汽車在25米至50米范圍內(nèi)車道全寬的照明情況，需要獲得盡量高的照度水平;I區(qū)稱作近距離照明區(qū)，表示距車前25米以內(nèi)的道路照明情況，在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定得較寬松，但在實(shí)際使用的過程中都希望在距離車更近的位置開始獲得較好的照明。

　　現(xiàn)有前照車燈主流技術(shù)路線及解決方案總結(jié)分析

　　1)透鏡方案

　　包括單一透鏡方案及透鏡加切光結(jié)構(gòu)、多透鏡方案。

　　在單一透鏡方案包括cn201310095626.0和cn200910210810.9，需要在透鏡出射面及透鏡的本體結(jié)構(gòu)上設(shè)置特殊結(jié)構(gòu)，用于形成截止線。這種方案的透鏡本體一定需要具有特殊結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)截止線光斑。

　　透鏡加截止線切光結(jié)構(gòu)方案(cn200510105013.6、cn201210582683.7與 cn201180067832.X) 中，需要額外添加一個用于切光的結(jié)構(gòu)，而透鏡本身有全反射透鏡、菲涅爾透鏡或雙折射透鏡構(gòu)成，形成一定準(zhǔn)直特性又具備一定擴(kuò)展的光束;截止線則由截止切光結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

　　2) 反射器加擋片方案

　　包括 201220416425.7，201320540267.0 通過反射器的自由曲面設(shè)計(jì)將光線分布在偏光角度范圍，并根據(jù)擋片切出截止線的形狀。

　　3)反射器加透鏡

　　在近光光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，反射器加透鏡是主流技術(shù)路線。其中，部分方案會添加切光裝置實(shí)現(xiàn)近光照明截止線; 也有方案(如cn201310330109.7)通過反射器準(zhǔn)直，讓透鏡的自由曲面微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)截止線。

　　LED遠(yuǎn)光照明解決方案，本質(zhì)上是一個小角度匯聚方案基礎(chǔ)上進(jìn)行光斑略微整形的設(shè)計(jì)需求。大多數(shù)遠(yuǎn)光光學(xué)設(shè)計(jì)都是需要首先滿足高匯聚準(zhǔn)直設(shè)計(jì)需求，同時要抑制雜散光和眩光，最后需要有一點(diǎn)光斑彌散控制。基于此要求，LED遠(yuǎn)光照明設(shè)計(jì)思路主要包括以下:

　　1)透鏡

　　使用透鏡的方案，包括TIR透鏡、雙折射透鏡、菲涅爾薄型透鏡，透鏡組合。從應(yīng)用廣泛性來看，雙折射和透鏡組合的透鏡方案應(yīng)用還是最多的。

　　2)反射器

　　形成遠(yuǎn)光的單一反射器基本都是基于旋轉(zhuǎn)拋物面或者 旋轉(zhuǎn)拋物線的曲面加上微小調(diào)整實(shí)現(xiàn)的。反射器具有光色一致性好、準(zhǔn)直能力強(qiáng)的特點(diǎn)，但需要通過設(shè)計(jì)的考慮控制更多光線，減少反射器的厚度;

　　3)透鏡+反射器方案

　　透鏡和反射器結(jié)合使用，可以最大程度降低眩光和不可控雜散光，同時提高光學(xué)效率和最大光強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)最佳性能。當(dāng)然，這樣的方案系統(tǒng)也是對系統(tǒng)匹配精度、冗余度要求最高的方案。

　　遠(yuǎn)近光一體的光學(xué)解決方案，主要包括以下技術(shù)路線: 透鏡，反射器組合和透鏡+反射器組合。

　　單一透鏡實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)近光一體的方案較少，專利cn201010186802.8和cn201310099299.6均通過復(fù)雜的自由曲面設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)近光一體的光斑。反射器組合和透鏡+反射組合都有很多應(yīng)用。透鏡+反射器組合的技術(shù)方案，可以在很緊湊的空間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)近光的切換，是目前二級市場用量最廣的技術(shù)方案。由于光學(xué)器件占用空間小，可以節(jié)省更多空間性給進(jìn)行裝飾作用的日行燈或其他裝飾結(jié)構(gòu)，增加燈具的美感。

　　最早該技術(shù)在專利cn200710149692.6中記錄。進(jìn)一步，這種技術(shù)路線通過設(shè)置上下兩個光源，分別實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)光和近光，如專利cn201210291632.9可以在相同直徑范圍避免使用彈片實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)近光切換，但需要交替點(diǎn)亮兩個光源。

　　未來LED前照燈光學(xué)設(shè)計(jì)趨勢展望

　　隨著人性化駕駛趨勢的發(fā)展，LED前照燈照明也向著智能化的方向演進(jìn)。其中，作為自動駕駛技術(shù)的重要組成部分，自適應(yīng)駕駛技術(shù)(ADB)必然成為未來LED車燈照明的主要發(fā)展方向。適應(yīng)ADB 技術(shù)的汽車照明光學(xué)方案中，矩陣式照明和電子控制遮擋片技術(shù)都是可采用的技術(shù)路線。

　　矩陣式照明，能夠最大程度利用LED發(fā)光面小的優(yōu)勢，通過很小的口徑實(shí)現(xiàn)一個局部區(qū)域的精準(zhǔn)照明，從而大大增加控制的靈活性。代表應(yīng)用是奧迪A8矩陣式LED汽車前大燈，能夠?qū)崿F(xiàn)分區(qū)域、分模塊照明，更加安全人性化(如圖3.11)

　　(a)對面來車的自適應(yīng)光斑變化;(b)同向會車的自適應(yīng)光斑變化

　　圖 3.11 奧迪矩陣式前照燈

　　傳統(tǒng)的汽車頭燈的設(shè)計(jì)方式，是以平滑拋物面所構(gòu)成的反射效果，再搭配上花紋透明燈殼，將光源集中置于拋物面的焦距，以便形成平行光束，再經(jīng)過小凸透鏡而形 成雕塑光源。目前兩大主要汽車頭燈應(yīng)用分為多重反射鏡面車燈(Multi-Re-flector;MR) 與投射式汽車頭燈 (Projection system)。

　　實(shí)際上，車燈的技術(shù)路線選擇雖然豐富，但考慮性價(jià)比和工藝可行性，真正實(shí)用的技術(shù)方案也較為有限。比如雙光透鏡(透鏡+反射器)的遠(yuǎn)近光一體光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用就非常廣，但真正擁有其專利權(quán)的還是日本歐洲美國企業(yè)。相對 于其他技術(shù)路線，矩陣式技術(shù)方案在方案的選擇面上更小，因此國外企業(yè)的專利壁壘會更高，因此我國光學(xué)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和汽車照明企業(yè)都需要特別注意的相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)與規(guī)避。