汽車尾部信號(hào)燈具光學(xué)實(shí)現(xiàn)方式概述

陶孫文，陳 芳，金立軍，鄭志軍，王坤陽(yáng)

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201800）

1 前言

汽車尾部燈具按其功能主要分為照明燈具和信號(hào)燈具兩類，信號(hào)燈具對(duì)車輛行駛安全性至關(guān)重要。隨著當(dāng)前市面上車輛造型的加速迭代，車燈作為展現(xiàn)車輛造型個(gè)性化特征的重要組成部件，近年來(lái)汽車尾部信號(hào)燈具在產(chǎn)品、標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)等方面都有巨大的進(jìn)步，其中最重要的創(chuàng)新是光源由鹵素?zé)襞莸絃ED（發(fā)光二極管）的變革。目前尾部信號(hào)燈具的主流設(shè)計(jì)趨向采用LED光源，考慮到尾部信號(hào)燈具本身特性、激光光源和OLED的自身屬性及市場(chǎng)價(jià)格等情況，短期內(nèi)激光光源和OLED光源或不會(huì)普及至車輛尾部信號(hào)燈具的使用中。當(dāng)下，尾部信號(hào)燈具的創(chuàng)新將主要集中在基于LED光源的光學(xué)實(shí)現(xiàn)方式上。本文闡釋了部分當(dāng)前業(yè)內(nèi)較新的光學(xué)實(shí)現(xiàn)方式，并展望了未來(lái)新型的尾部信號(hào)燈具光學(xué)實(shí)現(xiàn)方式。

2 新光學(xué)實(shí)現(xiàn)方式

闡釋部分當(dāng)前行業(yè)較新的光學(xué)實(shí)現(xiàn)方式，對(duì)信號(hào)燈來(lái)說(shuō)，其基礎(chǔ)理念仍是在滿足相關(guān)配光法規(guī)的前提下，盡可能地做得更加美觀、更加個(gè)性化。從各類光學(xué)實(shí)現(xiàn)方式來(lái)說(shuō)，高成本及設(shè)計(jì)難度是導(dǎo)致其未大面積普及的兩個(gè)主要因素，此外，部分廠家對(duì)其設(shè)計(jì)的專利保護(hù)也是后來(lái)者需考慮的方面。

2.1 隧道效果信號(hào)燈

最早出現(xiàn)在雪鐵龍品牌C4畢加索等量產(chǎn)車型的“隧道”視覺(jué)制動(dòng)燈，如圖1a所示，環(huán)狀發(fā)光區(qū)域一直往燈具深處延伸，猶如隧道。近年利用“隧道”原理設(shè)計(jì)尾部信號(hào)燈的車輛逐漸增多，其大致原理如圖1b所示，其主要光學(xué)元器件有光源、帶透光區(qū)域的反射鏡、半透半反屏以及外配光鏡等，光源采用LED或燈泡皆較為常見(jiàn)，光線通過(guò)反射鏡的透光區(qū)域第1次打到半透半反屏，一部分透過(guò)半透半反屏形成“隧道”的第一環(huán)，剩余部分反射回反射鏡，因反射鏡具有一定的弧度，該部分光線經(jīng)一定角度偏轉(zhuǎn)后第2次打到半透半反屏，依次循環(huán)，形成若干“隧道”環(huán)，直至人眼不可分辨的“深度”。實(shí)際在應(yīng)用中，通過(guò)控制反射鏡

圖1 隧道信號(hào)燈實(shí)例及結(jié)構(gòu)原理

的弧度來(lái)控制各環(huán)的間距，又通過(guò)控制半透半反屏的透過(guò)率與反射率的大小來(lái)控制可視環(huán)的數(shù)量及亮度。

2.2 星辰效果信號(hào)燈

當(dāng)前如Mercedes Benz的一些中高端車型上使用星辰視覺(jué)效果的尾部燈具，其主要特征是該信號(hào)燈具發(fā)出較大波長(zhǎng)的紅光，搭配不規(guī)則布置的金屬質(zhì)感亮點(diǎn)，在一定的人眼炫光條件下，造就獨(dú)特的觀感，如圖2所示。其主要光學(xué)原理為：采用自由曲面反光碗做基面，對(duì)反光碗上的反射單元進(jìn)行細(xì)化并對(duì)所有反射單元在角度、面積、形狀等做全隨機(jī)性設(shè)計(jì)。此光學(xué)實(shí)現(xiàn)方式的難點(diǎn)在于反射單元的全隨機(jī)性設(shè)計(jì)，且需滿足相關(guān)的配光法規(guī)。

圖2 星辰信號(hào)燈效果

2.3 水晶光幕效果信號(hào)燈

近年市面開(kāi)始出現(xiàn)一些車型上使用水晶光幕效果的位置燈，其主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)是有較大面積的光幕區(qū)域，根據(jù)設(shè)計(jì)需求調(diào)整亮度和造型，但能夠較好地控制光源的成本，并營(yíng)造出通透、錯(cuò)落的3D效果。其一般采用PC等透明材料作導(dǎo)光器件，將光源（如LED）的一部分光線傳導(dǎo)至預(yù)留的且?guī)б欢ü饩€設(shè)計(jì)的通透區(qū)域，進(jìn)而點(diǎn)亮該區(qū)域。一般來(lái)說(shuō)，因水晶光幕信號(hào)燈的設(shè)計(jì)特殊性，故一般將此類光學(xué)實(shí)現(xiàn)方式作為位置燈的一部分，不用來(lái)應(yīng)對(duì)光學(xué)配光之需求，僅作裝飾。如圖3所示，某德系車型尾部信號(hào)燈使用的水晶光幕效果位置燈，其光幕區(qū)域亮度較低，作為原位置燈造型（前面亮度較高的連貫區(qū)域）的拓展區(qū)域，可在幾乎不增加光源成本的前提下實(shí)現(xiàn)。

圖3 水晶光幕信號(hào)燈效果

2.4 OLED光源信號(hào)燈

早在2015年，寶馬量產(chǎn)M4 GTS就使用OLED（Organic Light-Emitting Diode有機(jī)發(fā)光二極管）尾燈，次年奧迪也發(fā)布了使用OLED尾燈的量產(chǎn)車型TT RS，如圖4所示。OLED是指有機(jī)半導(dǎo)體材料在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)載流子注入和復(fù)合導(dǎo)致發(fā)光的現(xiàn)象，其主要包括基板、透明電極、有機(jī)發(fā)光層等，總厚度小于500nm，不同于LED光源的應(yīng)用方式，OLED作為一種面光源，其發(fā)光面即可作為信號(hào)燈視表面進(jìn)行設(shè)計(jì)，因其具有廣視角、幾乎無(wú)窮高的對(duì)比度、較低耗電、極高反應(yīng)速度等優(yōu)點(diǎn)，且可使用塑性基材，即原則上可做出各種所需的空間曲面，給汽車信號(hào)燈提供較大的設(shè)計(jì)空間。當(dāng)前OLED技術(shù)日趨成熟，開(kāi)始從中高端車型切入市場(chǎng)，而不得不提的是，其高低溫性能差，較難應(yīng)對(duì)一些極端惡劣環(huán)境下車輛使用工況，可能導(dǎo)致壽命大大縮短。

圖4 OLED在TT RS車型的應(yīng)用

2.5 類面光源信號(hào)燈

受制于OLED的高成本，一類新型的光學(xué)實(shí)現(xiàn)方式便是使用傳統(tǒng)技術(shù)制作出類面光源的效果，在一定程度上其點(diǎn)亮外觀與OLED面光源非常相似，且環(huán)境適應(yīng)性與傳統(tǒng)燈具相當(dāng)。如圖5所示，VW品牌車輛的一種類面光源信號(hào)燈具的實(shí)現(xiàn)方式，其結(jié)構(gòu)上一般分為L(zhǎng)ED光源模塊、支架和導(dǎo)光片3部分，光源模塊經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)合理排布在PCB（印刷電路板）上，由LED發(fā)出的光線垂直向上沿導(dǎo)光片延伸方向傳導(dǎo)到導(dǎo)光片內(nèi)，經(jīng)特制的導(dǎo)光片將光線方向改變至導(dǎo)光片厚度方向，點(diǎn)亮整個(gè)導(dǎo)光片。因其光學(xué)實(shí)現(xiàn)方式外觀均勻性好，而對(duì)光線的利用率較低、受制于光源空間上的布置及熱量分布，因此其整體亮度維持在一個(gè)較低的水平，故常用于尾部信號(hào)燈中的位置燈。

圖5 一種類面光源信號(hào)燈

3 光學(xué)實(shí)現(xiàn)方式展望

結(jié)合行業(yè)特點(diǎn)及當(dāng)下科技的發(fā)展情況，對(duì)未來(lái)可能在汽車尾部信號(hào)燈具出現(xiàn)的光學(xué)實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行展望，分析其特點(diǎn)和普及可能性。

3.1 LED顯示屏信號(hào)燈

區(qū)別于LED做背光的LED液晶顯示屏，LED顯示屏是指以單顆LED發(fā)光作為單個(gè)像素點(diǎn)的顯示屏，采用大規(guī)模集成電路的方式，將大量LED陣列排布并實(shí)現(xiàn)單個(gè)顏色控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)畫面輸出。當(dāng)前LED顯示屏已廣泛應(yīng)用于大型廣場(chǎng)、體育場(chǎng)館等，因其較大的發(fā)光強(qiáng)度、色彩清晰和立體感強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，將之應(yīng)用于車輛尾部信號(hào)燈具，在滿足車輛燈具相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，可獲得極具個(gè)性化且可用戶自定義的信號(hào)顯示效果。現(xiàn)已有相關(guān)企業(yè)研究人員嘗試將其改良欲使之達(dá)到車規(guī)級(jí)的使用標(biāo)準(zhǔn)，但由于極端耐候、抗振等性能尚不足，LED較大的顆粒感使顯示點(diǎn)距較大等原因，故實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)仍需一定時(shí)間。

3.2 激光光源信號(hào)燈

自2011年奔馳公司宣布了對(duì)激光前照燈的研究，隨后2014年寶馬公司發(fā)布了首款搭載激光前照燈的量產(chǎn)車型i 8，表明繼LED前照燈之后，激光前照燈的問(wèn)世，是未來(lái)車燈發(fā)展“合理的下一步”。激光光源有發(fā)光強(qiáng)度高、體積小、發(fā)熱少、出光準(zhǔn)直性好等主要特性，未來(lái)在尾部信號(hào)燈具中，對(duì)激光光源的使用亦將圍繞這些特性展開(kāi)。

利用激光光源光強(qiáng)、準(zhǔn)直性好的特點(diǎn)，未來(lái)可以將位置燈、制動(dòng)燈、霧燈3個(gè)同顏色的燈設(shè)計(jì)為復(fù)合燈具，采用同一光源，采用光傳導(dǎo)器件 （如透明厚壁件、柔性光纖等），將光線傳遞到不同功能燈的透表面，并增加各功能單獨(dú)啟閉設(shè)計(jì)，形成各功能的獨(dú)立使用。借助光傳導(dǎo)器件，可以實(shí)現(xiàn)單側(cè)移動(dòng)部件及非移動(dòng)部件間的共光源，甚至實(shí)現(xiàn)左右側(cè)燈具的共光源，此外，光源的布置可不拘泥于在透光面較近的位置，可將光源置于車身內(nèi)部任一位置。

3.3 全息投影信號(hào)燈

全息投影技術(shù)是虛擬成像技術(shù)的一種，利用衍射和干涉原理記錄和再現(xiàn)物體三維圖像的技術(shù)。其記錄過(guò)程原理如圖6a所示，光源發(fā)出的激光，在打到半透半反膜G上一分為二，再分別經(jīng)過(guò)反射和透鏡擴(kuò)散，一部分打到物體后反射至全息底片H，另一部分作為參考光投射到全息底片，兩部分光經(jīng)疊加干涉將物體光波信息記錄至全息底片H。其再現(xiàn)過(guò)程如圖6b所示，全息底片H通過(guò)多次曝光還可以在同一張底片上記錄多個(gè)不同的圖像，而后在相干激光照射下，一張線性記錄的正弦型全息圖的衍射光波一般可給出原始象和共軛象，再將所有圖像互不干擾地顯示出來(lái)便成了全息影像。全息投影色彩鮮艷，對(duì)比度、清晰度高，具有很強(qiáng)的空間透視感。

圖6 全息投影原理

3.4 非接觸懸浮立體光源信號(hào)燈

當(dāng)前非接觸電能傳輸技術(shù)已較為成熟穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)近距離傳輸電能，利用電磁感應(yīng)原理，將兩個(gè)線圈放置于臨近位置，在一個(gè)線圈中產(chǎn)生電流波動(dòng)時(shí)，其產(chǎn)生的磁通量作為媒介，致使另一線圈中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，如手機(jī)的無(wú)線充電。在增加無(wú)線傳輸距離下研究目標(biāo)中，利用電磁波能量可以通過(guò)天線發(fā)送和接收的原理（即微波輸能），理論上未來(lái)微波輸能可實(shí)現(xiàn)定向高效的電能傳輸，在此基礎(chǔ)上，造型設(shè)計(jì)訴求較高的汽車尾部信號(hào)燈具將可使用懸浮立體式光源，設(shè)計(jì)布局不受電路布線的約束，預(yù)計(jì)可更好地實(shí)現(xiàn)造型設(shè)計(jì)上的 “天馬行空”。

4 結(jié)論

總的來(lái)說(shuō)，未來(lái)汽車尾部信號(hào)燈具將在造型、光源、功能等3個(gè)方面實(shí)現(xiàn)突破。從外觀造型方面來(lái)看，隨著國(guó)內(nèi)新能源汽車的快速發(fā)展及一眾新能源汽車品牌的興起，更加智能化、個(gè)性化的造型被設(shè)計(jì)出來(lái)，尾部信號(hào)燈具作為車輛尾部造型的點(diǎn)睛之筆，其外觀上將會(huì)朝著更加美觀、更加具科技感和更有辨識(shí)度的方向發(fā)展；光源發(fā)展興替方面，技術(shù)的發(fā)展引領(lǐng)光源的突破，當(dāng)前LED對(duì)燈泡光源的替換，亦可預(yù)見(jiàn)未來(lái)可能在LED光源不斷普及的基礎(chǔ)上，激光光源及OLED面光源將不斷實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，實(shí)用性不斷提高的同時(shí)成本不斷降低，帶給尾部信號(hào)燈具超過(guò)LED光源更好的光學(xué)效果及設(shè)計(jì)自由度；從功能設(shè)計(jì)方面來(lái)說(shuō)，新的技術(shù)發(fā)展如LED顯示屏在尾部信號(hào)燈具的使用，跨界技術(shù)在汽車領(lǐng)域的轉(zhuǎn)變應(yīng)用，如全息投影技術(shù)在尾部信號(hào)燈具上的應(yīng)用潛力，都可能是未來(lái)尾部信號(hào)燈具在功能設(shè)計(jì)上的從無(wú)到有。