光的背后

王鐵城

車燈誕生之初的作用，就是為了解決黑夜中行車安全性問(wèn)題，可是這個(gè)和行車安全最直接相關(guān)的部件最初卻被人們忽視了。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，車燈終于和汽車的其他部件一樣成為車身上不可分割的一部分。車燈的演化過(guò)程是工業(yè)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)直接體現(xiàn)，從最初的煤油燈到今天的激光大燈，人們逐漸賦予車燈更多的東西，有科技性、有安全性、還有設(shè)計(jì)美學(xué)，車身上的每一道光都變得越來(lái)越不簡(jiǎn)單。

自從1886年Karl Benz把汽油機(jī)裝在了三輪車上使其成為了世界上第一輛汽車之后，一百多年來(lái)，作為工業(yè)化時(shí)代和信息化時(shí)代的雙重寵兒——汽車，一直日新月異般地飛速發(fā)展。它改變了人類的出行，同時(shí)也改變了人類的生活方式。作為汽車技術(shù)更新?lián)Q代的尖兵，汽車燈具，不僅是汽車整體造型的點(diǎn)睛之筆，在保障駕駛員及其他道路使用者的安全與舒適性上，更是起到了關(guān)鍵性的作用。

在汽車剛剛發(fā)明的時(shí)候，制造者和使用者并沒(méi)有考慮車燈的事情，而只是想著怎樣才能讓車子更快，當(dāng)時(shí)定義的“快”，就是裝上發(fā)動(dòng)機(jī)后，四輪馬車能夠以18km/h的速度“令人窒息”般地狂奔。

燃料照明時(shí)代

據(jù)說(shuō)在1887年，也就是汽車被認(rèn)為發(fā)明的第二年，有位駕駛員在曠野上開(kāi)車迷路，一位農(nóng)民兄弟用手提燈把他指引回家。事件真實(shí)與否現(xiàn)在已經(jīng)無(wú)從考證，但是確實(shí)直到那時(shí)，人們才想起，原來(lái)車燈真的還挺重要的。起初，人們僅僅是使用煤油燈放在車前引路，雖然發(fā)出的光實(shí)在照不了多遠(yuǎn)，但是好在當(dāng)時(shí)的車速并不快，所以事故率其實(shí)沒(méi)有那么顯眼。隨著汽車數(shù)量的增多以及車速的提升，人們對(duì)夜間照明的光線強(qiáng)度有了更進(jìn)一步的需求。1779年，克魯平發(fā)明拋物面的反光條，也就是現(xiàn)在反射鏡的雛形，放在了煤油燈的后方，形成了具有聚光能力的汽車前照燈。盡管現(xiàn)在看起來(lái)有點(diǎn)兒簡(jiǎn)陋得難以接受，但是在當(dāng)時(shí)那個(gè)時(shí)代，這種方式改變了燈具的基本結(jié)構(gòu)，使它向著專業(yè)車燈的方向發(fā)展，而不再是兼顧車用與家用。

盡管1879年時(shí)就已經(jīng)發(fā)明了白熾燈，但是在汽車前照燈上，還是煤油燈一統(tǒng)天下的局面。這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)真空白熾燈的燈絲還是用碳絲做的，脆弱的燈絲無(wú)法承受一路的顛簸，所以難以應(yīng)用到汽車上。到了1905年，乙炔燈開(kāi)始用作車燈光源，那時(shí)的乙炔燈亮度比電燈要高上一倍。乙炔燈的燈室內(nèi)部并沒(méi)有存儲(chǔ)乙炔氣體，而是利用碳化鈣和水進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的。在行車過(guò)程中，晃動(dòng)的燈體正好為產(chǎn)生乙炔提供了便利條件。當(dāng)時(shí)乙炔燈的照明能力比白熾燈要強(qiáng)不少，不過(guò)就算是乙炔充足的情況下，也只能照到前方的20m，而且一旦停下車來(lái)，由于化學(xué)反應(yīng)減緩，乙炔氣體減少，車燈也會(huì)逐漸地變暗，再加上這種燃燒型的燈具無(wú)法安裝燈罩，遇到刮風(fēng)下雨的惡劣天氣更是難以使用，所以使用乙炔燈也算是一種無(wú)奈之舉，終究會(huì)被電燈所取代。不過(guò)作為當(dāng)時(shí)僅有的還算穩(wěn)定的光源，乙炔燈一直沿用到1925年前后。

白熾燈時(shí)代

不過(guò)電燈取代乙炔燈也不是一蹴而就的，20世紀(jì)初的科學(xué)變革速度遠(yuǎn)不如現(xiàn)在。1912年發(fā)明了用來(lái)啟動(dòng)發(fā)電機(jī)的電起動(dòng)機(jī)，這就要求必須安裝蓄電池，從而在客觀上為汽車采用電光源創(chuàng)造了條件。不過(guò)當(dāng)時(shí)的汽車電器設(shè)備并非必備，而只是根據(jù)用戶要求提供的選裝設(shè)備。1913年發(fā)明了螺旋鎢絲做發(fā)光體的充惰性氣體的白熾燈泡，發(fā)光效率比碳絲時(shí)期提高了十幾倍。但是當(dāng)時(shí)大多數(shù)的車還都處于使用手搖柄啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，所以乙炔燈還是占市場(chǎng)的主體。

直到20世紀(jì)20年代，可以說(shuō)白熾燈經(jīng)歷了將近50年的技術(shù)努力，才終于能夠應(yīng)用到了汽車上，成為主流。有趣的是，電燈最初主要的應(yīng)用并不是在汽油車而是在電動(dòng)車上。雖然原理上與現(xiàn)在風(fēng)頭正勁的電動(dòng)車類似，但是那個(gè)年代的電動(dòng)車還是以鉛酸蓄電池作為動(dòng)力來(lái)源。雖然驅(qū)動(dòng)效率很低，但是比起汽油車的噪聲和味道，電動(dòng)車在20世紀(jì)初大受“土豪”們的青睞。

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多的人擁有了汽車，夜晚開(kāi)車的人也多了起來(lái)。當(dāng)時(shí)白熾燈并沒(méi)有遠(yuǎn)近光之分，因此很容易引起其他道路使用者的眩目，造成事故率的上升。如何做好照明能力與控制眩目之間的平衡，即使在今天，也是一個(gè)重要的課題與難點(diǎn)。直到1924年，Osram發(fā)明了雙燈絲燈泡，即在一個(gè)燈泡內(nèi)部有兩根燈絲，其中一根燈絲的旁邊附帶了一個(gè)小小的碗狀遮擋，擋住了一部分光線出射，在照明區(qū)域內(nèi)造出了一個(gè)暗區(qū)，用來(lái)避免引起對(duì)面車道來(lái)車駕駛員眩目，同時(shí)在其他的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)照明，這就是近光燈。不使用遮擋物的那根燈絲則作為遠(yuǎn)光功能使用，目的則是更好地照亮前方。這種雙燈絲的燈泡直接解決了遠(yuǎn)近光的問(wèn)題，因此使得汽車燈光告別了燃料，進(jìn)入了電的時(shí)代。不過(guò)這種雙絲燈泡開(kāi)始由于技術(shù)與成本的限制，并不是馬上就大規(guī)模地普及，而是只有像奔馳SSK這樣的高端車型才能夠使用，成為了車燈中的奢侈品。而直到1925年，電器設(shè)備系統(tǒng)才成為每輛汽車的必備。

鹵鎢燈時(shí)代

鹵鎢燈在20世紀(jì)50年代末被發(fā)明出來(lái)之后，很快地應(yīng)用到汽車前照燈上。初期的燈泡長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)發(fā)黑，在改進(jìn)后，將燈泡內(nèi)充入氯和碘，明顯改善了鹵鎢燈的性能。即便到了今天，鹵鎢燈也還在被大量使用。1965年，海拉H1系列鹵鎢燈誕生，而H4系列則在1971年第一次應(yīng)用在了奔馳350SL上。即便是現(xiàn)在，在某些車型上，也依然使用著這種類型燈泡，以12V系統(tǒng)為例，具有55W和60W兩根燈絲，分別作為產(chǎn)生近光和遠(yuǎn)光光束使用。而Philips和Osram作為兩大光源廠商，除了新型光源的開(kāi)發(fā)之外，也投入了不少精力繼續(xù)研究高品質(zhì)的鹵鎢燈光源，成為了企業(yè)低成本的光源解決方案，但是效果并不差。1983年，海拉的投射式前照燈再次變革了車燈技術(shù)。即利用幻燈片機(jī)的原理，透過(guò)透鏡的投射，讓車燈結(jié)構(gòu)更為緊湊，大大提升車燈照明的控制能力。加上計(jì)算機(jī)小型化時(shí)代的來(lái)臨，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)大大加快了車燈行業(yè)的變革進(jìn)程，計(jì)算精度和速度大為提高，開(kāi)始不斷地涌現(xiàn)新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

氣體放電燈時(shí)代

1991年，氣體放電燈橫空出世，亮度為鹵鎢燈的兩倍，最先的應(yīng)用是寶馬7系上。不過(guò)當(dāng)時(shí)的氣體放電燈的技術(shù)并不成熟，像太陽(yáng)一樣的車燈隨著汽車的顛簸給對(duì)向來(lái)車的駕駛員造成眩目，直到后來(lái)汽車前照燈自動(dòng)水平裝置的配備才算比較好地解決了這個(gè)問(wèn)題。

氣體放電燈英文全稱是High Intensity Discharge，縮寫(xiě)是HID。它是由小型石英燈泡、變壓器和電子控制器構(gòu)成。在接通電源后，2萬(wàn)伏特以上的高壓脈沖瞬間加載在石英燈泡的金屬電極間，將燈泡內(nèi)的氙氣、少量水銀蒸氣和金屬鹵化物在電弧中電離并發(fā)出強(qiáng)光。

1995年，歐洲法規(guī)批準(zhǔn)使用氣體放電燈泡。1999年，奔馳裝配上了遠(yuǎn)近光均為氙氣的前照燈。盡管這種新型燈泡成本較高，但是優(yōu)勢(shì)也非常明顯。它具有更高的亮度、更長(zhǎng)的壽命以及穩(wěn)定性，同時(shí)也更加節(jié)能。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，氣體放電燈已經(jīng)逐漸普及，不再僅僅是豪華車所專享。

在氙燈時(shí)代逐漸成熟的還有自適應(yīng)前照明系統(tǒng)，（英文是Adaptive Front-lighting System，縮寫(xiě)為AFS），在最初的階段，為了能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)先在將要轉(zhuǎn)彎的方向上的照明，前照燈出現(xiàn)了彎道照明功能，通過(guò)旋轉(zhuǎn)光源模組或點(diǎn)亮輔助光源實(shí)現(xiàn)。由于彎道照明是自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，很多人認(rèn)為這就是AFS，實(shí)際上是一種誤讀。AFS最初的模型建立于20世紀(jì)60年代，但由于技術(shù)水平和工藝設(shè)計(jì)的限制，直到30多年以后，才逐步地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。AFS雖然叫自適應(yīng)前照明系統(tǒng)，實(shí)際上只是包括近光，遠(yuǎn)光的要求與普通遠(yuǎn)光完全一致。AFS為了改善車燈難以對(duì)所有使用環(huán)境都具備良好照明效果的問(wèn)題，提供了除去基礎(chǔ)光型之外的其他光型以適應(yīng)變化的外部環(huán)境，通常被分為高速模式、鄉(xiāng)村模式和惡劣天氣模式這幾大類，在其下可以再細(xì)分若干小類，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界環(huán)境更為精確的匹配。AFS最大的貢獻(xiàn)，我認(rèn)為是將汽車的左、右前照燈進(jìn)行了充分的融合，兩側(cè)的前照燈對(duì)照明的貢獻(xiàn)不再是簡(jiǎn)單的重復(fù)，而是各司其職，通過(guò)各自旋轉(zhuǎn)不同的角度，以不同的貢獻(xiàn)率來(lái)實(shí)現(xiàn)多樣的照明效果。

LED時(shí)代

在氣體放電燈大行其道的同時(shí)，LED光源也在悄然興起。其實(shí)LED作為汽車上的光源，比氣體放電光源還要更早地應(yīng)用到汽車上，不過(guò)大多數(shù)都是閱讀燈和儀表盤(pán)燈等邊邊角角的地方，但是想用做汽車前照燈的照明光源絕非易事。想要達(dá)到氣體放電光源的照明能力，需要LED燈組來(lái)實(shí)現(xiàn)，而這種組合則對(duì)裝配精度要求很高，要保證量產(chǎn)的精度，成本則提高了很多，其次，LED光源對(duì)熱敏感，溫度上來(lái)之后，光效會(huì)下降得非常厲害，因此如何做好散熱也是困擾了多年的難題。但是這些問(wèn)題無(wú)法阻擋市場(chǎng)的熱情，LED光源屬于冷光源，耗電量要低于氣體放電光源，而且LED光源在恰當(dāng)?shù)碾娏麟妷合?，甚至能夠做到與車輛同壽命，另外LED光源還需要體積小、相應(yīng)速度快、無(wú)須高壓裝置等氣體放電光源所不具備的優(yōu)點(diǎn)。

2007年，雷克薩斯的頂級(jí)混動(dòng)車LS600h和LS600hL成為了全球首次使用Nichia的全白光LED作為光源的量產(chǎn)車。隨后的2009年，奧迪的R8，成為了全球首臺(tái)全車使用LED光源的量產(chǎn)車。那年我算是入行不久，看到了R8的LED前照燈，精致的造型、強(qiáng)大的功能讓我愛(ài)不釋手的同時(shí)也在感嘆技術(shù)的飛躍，此時(shí)無(wú)論是外觀還是功能，都已經(jīng)完全超越氣體放電燈，進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代。

時(shí)間軸上技術(shù)革新的時(shí)間間隔，被大大地縮短了。近年來(lái)，從歐洲興起了矩陣式的LED前照燈。如奧迪新款A(yù)8，5組共25枚LED光源配合在一起，每顆LED光源都可以獨(dú)立控制點(diǎn)亮、關(guān)閉或者變暗，通過(guò)攝像頭等各類傳感設(shè)備，將采集的外界環(huán)境數(shù)據(jù)送至處理系統(tǒng)，每秒可以進(jìn)行上百次的匹配計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)前方區(qū)域的可變的精確的照明。從理論上講，這樣的矩陣式LED前照燈能夠擁有將近10億種照明形式，而僅僅通過(guò)電路控制每顆LED光源的明暗開(kāi)閉即可，無(wú)須機(jī)械結(jié)構(gòu)，使得故障率下降而使用壽命大大增加。

自然而然地，近3年興起的技術(shù)ADB，在矩陣式LED前照燈的基礎(chǔ)上應(yīng)運(yùn)而生了，全稱是Adaptive Driving Beam，縮寫(xiě)為ADB。從字面上看是自適應(yīng)遠(yuǎn)光，實(shí)際上則是AFS的升級(jí)版本。我認(rèn)為它最大的進(jìn)步則是模糊了遠(yuǎn)光燈和近光燈之間的界限。在郊區(qū)或者高速公路上行駛時(shí)，由于幾乎沒(méi)有其他的道路使用者或者相隔甚遠(yuǎn)，LED前照燈就會(huì)以全功率模式開(kāi)啟，盡量地提高照明能力，這時(shí)相當(dāng)于之前的遠(yuǎn)光功能。與此同時(shí)，汽車上裝配的攝像頭會(huì)不斷地監(jiān)控車輛前方的狀況，一旦有對(duì)面車道駛來(lái)的車輛，或者前方有同向行駛的慢車，攝像頭就會(huì)把這種情況回傳至處理系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)計(jì)算后控制矩陣LED光源中的某一部分，使其關(guān)閉或變暗，將出射的光型制造出缺口，避讓開(kāi)有車的區(qū)域，同時(shí)依然照亮沒(méi)有車的區(qū)域，直到會(huì)車或超車結(jié)束后，前照燈則會(huì)自動(dòng)恢復(fù)為之前的狀態(tài)。此時(shí)不再有遠(yuǎn)光燈和近光燈的刻意區(qū)分，而是基于實(shí)際的使用效果來(lái)調(diào)整照明狀態(tài)。

目前車燈的發(fā)展趨勢(shì)，不再是車燈本身的單純發(fā)展，而是結(jié)合了攝像系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、傳感裝置等各類電子器件的系統(tǒng)，成為一個(gè)有機(jī)的整體提供服務(wù)。通過(guò)數(shù)據(jù)模型的建立完善，車輛可以精確識(shí)別路況、天氣等環(huán)境之外，還能辨別道路使用者是行人還是動(dòng)物，并能分別采取不同的提醒方式。

激光LED時(shí)代

為了降低LED光源前照燈的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，提高可靠性，LED光源的其中一個(gè)發(fā)展分支是向大功率LED光源靠攏，即用盡量少的光源模組來(lái)實(shí)現(xiàn)照明。目前已經(jīng)有產(chǎn)品在使用單個(gè)模組實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)光或近光的功能，與普通的前照燈的結(jié)構(gòu)類似，降低了不少的成本。

在LED光源還未普及的時(shí)候，恐怕就會(huì)遭受被淘汰的風(fēng)險(xiǎn)。發(fā)光能力更強(qiáng)、能耗更低、占用空間更小、散熱更少的激光LED光源已經(jīng)應(yīng)用到了實(shí)車上，其中以寶馬公司的電動(dòng)車i8最為有名。激光與普通光的最大區(qū)別就是準(zhǔn)直性好，也就是能夠直接產(chǎn)生幾乎平行的光束，這種光束的形狀后處理的可塑性可以達(dá)到極致，激光從幾十年前已經(jīng)開(kāi)始了應(yīng)用性研究，現(xiàn)在終于作為光源裝配到了汽車上。與普通的LED光源前照燈相比，產(chǎn)生同樣的照明效果，激光所需的能源和占用空間大幅縮減，提升了照明效率。雖然名字叫激光前照燈，但是并不是把激光光源直接裝配在了燈里，而是采用了激光產(chǎn)生的方式，因?yàn)檎嬲募す馔哂羞^(guò)于集中的能量，容易造成人類傷害和引起火災(zāi)。如何完美處理好激光LED的安全性和耐用度，以及隨著技術(shù)發(fā)展帶來(lái)的成本降低，這都是激光LED能否普及的重要因素。很多人會(huì)擔(dān)心，激光會(huì)不會(huì)對(duì)人眼造成傷害，雖然用作車燈照明的激光已經(jīng)減弱到完全安全的程度，但是要讓民眾接受還需要一個(gè)過(guò)程。即便如此，依然擋不住廠家對(duì)激光LED光源的熱情，寶馬和奧迪今年一直展開(kāi)相關(guān)的競(jìng)賽，都希望盡快解決問(wèn)題實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。激光LED目前由于集中度高，通常先用于遠(yuǎn)光，照明距離比普通LED光源要大一倍左右。我認(rèn)為其實(shí)照得過(guò)遠(yuǎn)實(shí)際上并沒(méi)有太多的意義，因?yàn)轳{駛員坐在駕駛室里是以透視關(guān)系的視角來(lái)查看照明效果的，照射距離過(guò)遠(yuǎn)，超過(guò)了人類的分辨能力，其實(shí)也沒(méi)有實(shí)際效果，卻會(huì)對(duì)其他的道路使用者產(chǎn)生困擾。激光前照燈的優(yōu)點(diǎn)，重點(diǎn)在于出射光束可控性好、能耗低、占用體積更小，這也就很大程度上分別解決了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化需求、散熱以及空間等問(wèn)題。照射距離遠(yuǎn)，算是一個(gè)額外的收獲，因?yàn)楝F(xiàn)在普通LED前照燈的照明距離已經(jīng)很好了。

OLED時(shí)代

OLED，全稱是Organic Light-Emitting Diode，這項(xiàng)技術(shù)的創(chuàng)始人是美籍華人鄧青云教授。他在1987年和Vanslyke采用超薄膜技術(shù)，制成了雙層有機(jī)電致發(fā)光器件。1990年，他發(fā)現(xiàn)了以共軛高分子PPV為發(fā)光層的OLED，從此之后全球掀起了研究OLED的熱潮。

OLED具有自發(fā)光的特性，采用非常薄的有機(jī)材料涂層和玻璃基板，當(dāng)電流通過(guò)時(shí)，有機(jī)材料就會(huì)發(fā)光，而不需要任何光源系統(tǒng)的支持，在體積上也會(huì)比傳統(tǒng)LED產(chǎn)品具有更大的優(yōu)勢(shì)。OLED同時(shí)也是具有面發(fā)光特性，解決了可視角度問(wèn)題，所以非常適合制作汽車尾燈。OLED技術(shù)的出現(xiàn)，讓汽車的尾燈設(shè)計(jì)可以更加地多樣化，因?yàn)榘l(fā)光體的厚度僅有1.4毫米，未來(lái)甚至可能會(huì)做到像貼紙一樣而不占用后備箱的空間。在未來(lái)追求更炫更酷的汽車造型時(shí)，OLED可謂是功不可沒(méi)。

從汽車發(fā)明的那天起，車燈的發(fā)展從未停止過(guò)腳步。如今的車燈技術(shù)，甚至看上去宛若天外來(lái)客般的驚艷，大有趕超時(shí)代發(fā)展之勢(shì)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、材料科學(xué)、工業(yè)設(shè)計(jì)、制造工藝水平、新型光源應(yīng)用、系統(tǒng)集成化發(fā)展等諸多方面，都會(huì)給汽車燈具的進(jìn)步加油助力。隨著發(fā)展的腳步越來(lái)越快，想要預(yù)測(cè)幾年后的燈具發(fā)展甚至都會(huì)成為一個(gè)很唐突可笑的事情。想想當(dāng)年金貴的原子筆（現(xiàn)在俗稱“圓珠筆”），龐大昂貴的原始激光器，以及占了整間屋子的初級(jí)計(jì)算機(jī)，現(xiàn)在都化身成了小小的物件跳躍掌中，進(jìn)入到千家萬(wàn)戶。可以想象，不論是激光前照燈，還是OLED，或者是以后發(fā)明出更好的新技術(shù)新產(chǎn)品，都會(huì)隨著技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步而逐步裝配到汽車上，點(diǎn)亮前行的路。