汽車車燈之遠(yuǎn)近光模組的前世，今生，和未來(lái)

藍(lán)尚平

摘 要：汽車的遠(yuǎn)近光是車輛上必備的行駛照明系統(tǒng)，作為汽車上最重要的安全裝置之一，人們從未停止過(guò)對(duì)它的研究和創(chuàng)新。本文先簡(jiǎn)單介紹了車燈遠(yuǎn)近光功能在模組單元出現(xiàn)之前的實(shí)現(xiàn)形式和現(xiàn)階段普遍使用的模組單元的技術(shù)方案，最后就遠(yuǎn)近光模組未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和亟需解決的問(wèn)題做一點(diǎn)展望。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)近光模組 發(fā)展歷史 技術(shù)方案 創(chuàng)新與挑戰(zhàn)

The Past， Present， and Future of the LB and HB Module of Automotive Headlights

Lan Shangping

Abstract：As one of the most important safety devices in the automobile， we have never stopped researching and innovating on it. This paper briefly introduces the development history of the low beam and high beam of headlamp before the appearance of module unit， and then introduces the technical schemes of the module unit commonly used in the market. Finally， the development trend of the module and the potential technical difficulties need to be solved in the future are introduced briefly.

Key words：module， development history，? technical solutions， innovation and challenge

1 引言

如今，汽車行業(yè)發(fā)展迅猛，車燈技術(shù)突飛猛進(jìn)。如果把汽車比作當(dāng)今世界奔跑在馬路上的千里馬，那么安裝在汽車前大燈里的遠(yuǎn)近光模組可謂就是這匹千里馬的眼睛。這雙行駛在路上的眼睛一直備受人們關(guān)注，無(wú)論是其外在的美觀性還是內(nèi)在的功能性，更新?lián)Q代速度可謂日新月異。特別是近年來(lái)LED照明技術(shù)和激光光源的不斷發(fā)展成熟，給遠(yuǎn)近光模組的創(chuàng)新帶來(lái)了更多的可能性和挑戰(zhàn)性，更精細(xì)更智能的遠(yuǎn)近光模組必然會(huì)在未來(lái)的路面上大放異彩。

2 遠(yuǎn)近光之傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式

在1885年德國(guó)人卡爾·本茨發(fā)明汽車之初，人們對(duì)車燈的功能和外觀并沒(méi)有太多的要求，照明功能是汽車在漆黑的晚上行駛的唯一迫切需求。自然的，當(dāng)時(shí)的煤油燈甚至蠟燭便成了汽車上最早的照明工具。不過(guò)這種明火照明方式太依賴于有限的燃料，對(duì)能源的浪費(fèi)非常嚴(yán)重，不但不環(huán)保節(jié)能，而且發(fā)光效率非常低，照射距離非常有限，在這種照明方式的路況下行駛，有極大的安全隱患?；诖?，當(dāng)時(shí)的人們迫切找到一種能夠替代煤油燈的更有效的行車照明方式。

不久之后，科學(xué)家在一次化學(xué)反應(yīng)中得到了一種新的能源--乙炔。乙炔是利用碳化鈣和水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的一種無(wú)色無(wú)味的氣體，它可以作為燃料燃燒發(fā)光。將乙炔應(yīng)用到汽車上給汽車照明，需要在車上安裝一個(gè)乙炔發(fā)生器，其工作原理是利用汽車行車過(guò)程中的顛簸促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生從而生成乙炔。點(diǎn)亮的乙炔車燈亮度可以達(dá)到煤油燈的幾百倍，有效的提升了夜間行駛的舒適性和安全性。但乙炔燈的缺點(diǎn)是使用壽命非常有限，而且在下雨天遇水即滅，并且會(huì)產(chǎn)生大量有毒白煙，對(duì)人體健康造成危害，乙炔車燈很快就遭到了淘汰。

隨著電燈的發(fā)展，乙炔燈退出了車燈歷史的舞臺(tái)，取而代之的是日漸成熟的白熾燈。不過(guò)由于剛開(kāi)始的碳絲白熾燈燈絲太過(guò)脆弱，經(jīng)不起道路的顛簸，直到螺旋鎢絲白熾燈的出現(xiàn)才被廣泛用于車燈。當(dāng)時(shí)流行的螺旋鎢絲白熾燈在耐用度和照射強(qiáng)度相比乙炔燈都有了極大的提升，不過(guò)這種白熾燈的發(fā)光效率仍然不高。在傳統(tǒng)的白熾燈燈殼中注入鹵族元素便誕生了新一代白熾燈—鹵素?zé)簟３跗谟糜谲嚐舻柠u素?zé)粽Q生于1960年代，就如同人們對(duì)車輛的速度與舒適性的追求永無(wú)止境一樣，隨著鹵素?zé)艏夹g(shù)發(fā)展到極限，亮度更高、能耗更低、壽命更長(zhǎng)的光源亟待開(kāi)發(fā)。90年代，車燈制造商海拉將技術(shù)成熟的氙氣車燈推向了市場(chǎng)。氙氣燈是電弧發(fā)光，沒(méi)有燈絲，所以能提供比鹵素?zé)舾€(wěn)定的照明輸出。且氙氣燈的光照強(qiáng)度比鹵素?zé)舾呷?，耗能卻僅為其三分之二。氙氣燈的光色與日光近乎相同，為駕駛者創(chuàng)造出更佳的視覺(jué)感受。氙氣燈的這些優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)大大改善了駕駛的安全性和舒適性。

以鹵素?zé)艉碗療魹楣庠吹倪h(yuǎn)近光的設(shè)計(jì)方式通常有兩種，如圖1。一種是燈泡加一個(gè)大的反光碗的實(shí)現(xiàn)形式，無(wú)擋光片。遠(yuǎn)近光的光型，包括明暗截止線和中心照明區(qū)域及照射展寬均由反光碗的不同區(qū)域經(jīng)過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)后直接將光源發(fā)出的光反射到對(duì)應(yīng)區(qū)域形成。這種方式的遠(yuǎn)近光均勻性較差，照射展寬有限。另一種方式是光源加一個(gè)小的反射碗加一個(gè)玻璃透鏡組成，截止線形狀則是由反射碗與透鏡之間的一片可翻轉(zhuǎn)的金屬擋板來(lái)實(shí)現(xiàn)。擋板不翻轉(zhuǎn)的時(shí)候光線從擋板上方通過(guò)形成近光光型，當(dāng)撥動(dòng)遠(yuǎn)光燈開(kāi)關(guān)，擋板被電機(jī)帶動(dòng)翻轉(zhuǎn)后光線從擋板位置通過(guò)形成遠(yuǎn)光。這兩種實(shí)現(xiàn)方式的遠(yuǎn)近光車燈當(dāng)前在一些低版本的車型上仍然可見(jiàn)，從光學(xué)原理上來(lái)講，后者便可以稱之為一種遠(yuǎn)近光模組了。

3 目前常用的遠(yuǎn)近光模組技術(shù)

隨著現(xiàn)代科技的蓬勃發(fā)展和人們物質(zhì)生活水平的不斷提高，人們對(duì)車燈的要求越來(lái)越高，特別是對(duì)于承擔(dān)照明功能的遠(yuǎn)近光，早已不能滿足于傳統(tǒng)的燈泡加反光碗的實(shí)現(xiàn)形式。充滿科技感，現(xiàn)代感，造型美觀富有個(gè)性化特色的遠(yuǎn)近光模組越來(lái)越受到人們的青睞。得益于LED技術(shù)的發(fā)展，特別是大功率LED技術(shù)的提高和成本的降低，我們的這種需求才得以逐步實(shí)現(xiàn)。目前市場(chǎng)上最常用最成熟的的遠(yuǎn)近光模組實(shí)現(xiàn)方式大體可以分為兩種：反射式和直射式， 如圖2所示。

3.1 反射式模組主要由反射碗reflector，擋光片shutter和投影透鏡projection lens組成。反射碗的光學(xué)設(shè)計(jì)是模組設(shè)計(jì)中最重要的環(huán)節(jié)，車燈法規(guī)中有對(duì)測(cè)試點(diǎn)的亮度要求，整車廠還有各自額外的照明需求和對(duì)路面均勻性的要求，這些都需要通過(guò)對(duì)反射碗的特定設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。反射碗通常會(huì)分為多個(gè)腔，每個(gè)腔對(duì)應(yīng)一顆LED，腔越多，LED越多則模組的輸出光通量就越大，路面均勻性也會(huì)越好。但與此同時(shí)帶來(lái)的不足是，模組的體積和重量也會(huì)變大。以3個(gè)腔的近光為例，我們可以用中間的一個(gè)腔配合一顆多芯片的LED來(lái)實(shí)現(xiàn)近光光型對(duì)中間區(qū)域的照明要求，旁邊兩個(gè)腔各配合一顆單芯片LED來(lái)實(shí)現(xiàn)光型中對(duì)展寬的要求。腔與腔之間的結(jié)合部必然會(huì)產(chǎn)生暗區(qū)，可以通過(guò)優(yōu)化反射面的面型來(lái)改善。每個(gè)腔的反射面都可以被細(xì)分為多個(gè)小面，每個(gè)小面的面型在上下左右方向都可以單獨(dú)調(diào)節(jié)。最終由所有小面反射的光型結(jié)合組成一個(gè)光學(xué)性能和均勻性都符合要求的整體近光或遠(yuǎn)光光型。LED發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)反射碗反射后經(jīng)過(guò)擋光片，擋光片是帶有截止線形狀的金屬片或塑料件，放置于投影透鏡的后焦面。截止線形狀通常有Z字形和帶有類似浴缸的凹坑形，后者是為了在不使對(duì)向來(lái)車炫光的前提下增加左側(cè)區(qū)域照射范圍。近光的反射碗通常位于擋光片上方，遠(yuǎn)光反射碗位于擋光片下方。兩者可以同時(shí)存在于同一個(gè)模組單元中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)近光一體的雙功能模組。由于金屬擋光片或者塑料加鍍膜的擋光片有一定的反射率，可以反射一部分光能，所有能夠提升模組的總體輸出光效。投影透鏡的作用是將帶著截止線形狀的遠(yuǎn)近光光型投射到路面，實(shí)現(xiàn)照明功能，透鏡開(kāi)口尺寸越大，光效越高，當(dāng)前市面常見(jiàn)的開(kāi)口尺寸一般在45mm*65mm左右。透鏡材料通常有玻璃和PMMA，玻璃適用于球面透鏡，PMMA材料可塑性強(qiáng)，適用于加工各種面型的透鏡。由于過(guò)于清晰鋒利的截止線不利于行車安全，所以透鏡的前后表面可以適當(dāng)增加微結(jié)構(gòu)來(lái)弱化截止線清晰度來(lái)得到讓駕駛員眼睛最舒適的截止線，甚至可以在透鏡上增加一定數(shù)量的小凸點(diǎn)或凸臺(tái)來(lái)增加法規(guī)中對(duì)于三區(qū)的照度要求。

3.2 直射式模組的必要組成部件中也包含反射式模組的擋光片和投影透鏡，與反射式最大的區(qū)別就是沒(méi)有反射碗，取而代之的是帶有聚光器和可調(diào)節(jié)出光面的初級(jí)配光透鏡，其作用與反射碗類似，對(duì)光源發(fā)散出來(lái)的光進(jìn)行初次調(diào)配，對(duì)其進(jìn)行的光學(xué)設(shè)計(jì)是直射式模組最重要的環(huán)節(jié)之一。遠(yuǎn)近光法規(guī)，整車廠spec和路面均勻性都需要通過(guò)不斷優(yōu)化聚光器和出光面面型來(lái)達(dá)到最佳。初級(jí)配光透鏡通常有多個(gè)聚光器單元組成，每個(gè)聚光器對(duì)應(yīng)一顆LED，聚光器越多，LED顆粒越多，則模組的輸出光通量越大，路面均勻性越好。同理，聚光器越多對(duì)整個(gè)模組的體積和重量都會(huì)增大。直射式模組因?yàn)橛玫骄酃馄鳎庑Ш途鶆蛐韵啾确瓷涫礁鼉?yōu)。直射式模組也可以是單近光，單遠(yuǎn)光，或者遠(yuǎn)近光一體。因?yàn)榫酃馄鞯脑煨投鄻?，在雙功能模組中，甚至可以利用遠(yuǎn)光的初級(jí)配光鏡與擋光片結(jié)合為一個(gè)零件，一方面作為遠(yuǎn)光的配光鏡，另一方面其上表面可以作為近光的擋光片。這種形式可以節(jié)約成本簡(jiǎn)化安裝工藝縮短公差鏈。直射式模組的另一種簡(jiǎn)化方式是，直接舍去擋光片，近光的截止線完全通過(guò)調(diào)節(jié)初級(jí)配光鏡的出光面來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種設(shè)計(jì)方式有助于現(xiàn)實(shí)更窄開(kāi)口的模組，與現(xiàn)今流行的扁平細(xì)長(zhǎng)的模組審美觀相契合，會(huì)是將來(lái)的一個(gè)趨勢(shì)。直射式模組的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于實(shí)現(xiàn)ADB功能，將初級(jí)配光鏡設(shè)計(jì)成多像素的矩陣式結(jié)構(gòu)，每一個(gè)像素單元對(duì)應(yīng)一顆LED或一個(gè)發(fā)光芯片，每一個(gè)像素都可以單獨(dú)亮滅，配合相應(yīng)的軟硬件和電路設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)形式多樣的動(dòng)態(tài)照明模式。作為ADB功能的補(bǔ)充照明，可以增加一個(gè)帶有基礎(chǔ)光型的模組，該模組的擋光片不帶任何折角，投射在路面是一個(gè)帶水平截止線的均勻補(bǔ)光光型。初級(jí)配光鏡的材料通常是PC，對(duì)于耐熱要求較高的情況可以用PMMI，ADB功能的配光鏡還可以使用硅膠。

以上不論是反射式模組還是直射式模組都可以是單功能或者雙功能一體，還可根據(jù)車型需求安裝一個(gè)或者多個(gè)模組單元包括補(bǔ)光模組來(lái)滿足整車照明和造型的需求。

4 遠(yuǎn)近光模組之創(chuàng)新與挑戰(zhàn)

4.1 微型化

正如前面提到的，模組的透鏡開(kāi)口尺寸越大，光效率越高，越有利于實(shí)現(xiàn)更均勻的遠(yuǎn)近光燈。然而大尺寸的模組就需要占用汽車大燈里更多的空間，大燈里留給遠(yuǎn)近光模組的空間是很有限的，特別是對(duì)于需要安裝多個(gè)模組的車型，大尺寸模組的局限性漸漸體現(xiàn)出來(lái)。從主觀性來(lái)看，大尺寸透鏡模組的外觀略顯笨重，與現(xiàn)代人的審美觀念漸漸不相符。近年來(lái)，窄長(zhǎng)扁平開(kāi)口的模組概念逐漸被提出，如15mm*100mm。因?yàn)檫@種模組占用空間小，重量輕，節(jié)省材料和成本，受到各汽車制造商的青睞。從汽車用戶的角度出發(fā)，這種模組外觀更顯現(xiàn)代科技感，能更好的展示出整車外觀的線條性，是當(dāng)前審美的流行趨勢(shì)。然而對(duì)于車燈設(shè)計(jì)商來(lái)講，窄開(kāi)口模組的設(shè)計(jì)充滿了挑戰(zhàn)。首先更高效的模組依賴于更高效的光源，高功率LED或激光光源的技術(shù)成熟是必要條件之一，然而沒(méi)有哪種光源是完美的，產(chǎn)生高亮度的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生高熱量，在如此窄小的模組空間里如何解決散熱問(wèn)題是急需突破的難點(diǎn)。從光學(xué)設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，越來(lái)越窄開(kāi)口的模組如何滿足越來(lái)越嚴(yán)苛的照明和均勻性要求，摒棄成熟的模組設(shè)計(jì)概念，開(kāi)發(fā)一種更高效的光學(xué)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)窄開(kāi)口模組關(guān)鍵。當(dāng)前，窄開(kāi)口模組的研發(fā)正在如火如荼的進(jìn)行中，并有部分車型已經(jīng)嘗試采用這種模組。然而，時(shí)代的腳步從不停息，模組的微型化也不會(huì)止于當(dāng)前的窄開(kāi)口尺寸，更窄，更輕，更亮，更節(jié)能，或許是微型化之永恒話題。

4.2 智能化

智能化往往與微型化相輔相成，現(xiàn)在正是智能化時(shí)代，汽車的智能化必將是時(shí)代智能化的重要標(biāo)志，汽車智能化顯然少不了智能化的遠(yuǎn)近光模組系統(tǒng)。靜態(tài)的遠(yuǎn)近光光型已經(jīng)不能滿足市場(chǎng)需求，越來(lái)越多的智能化附加功能需要被集成到車燈模組當(dāng)中。當(dāng)前，部分車燈已經(jīng)帶有一些智能化功能，比如自適應(yīng)照明系統(tǒng)AFS（Adaptive Front lighting System）。顧名思義，這種帶AFS功能的模組能夠根據(jù)行車速度、轉(zhuǎn)向角度等自動(dòng)調(diào)節(jié)模組的偏轉(zhuǎn)，以便能夠提前照亮轉(zhuǎn)向區(qū)域，提供全方位的安全照明，以確保駕駛員在任何時(shí)刻都擁有最佳的可見(jiàn)視野，從而增強(qiáng)黑暗中駕駛的安全性。還有一種稱為智能遠(yuǎn)光的模組系統(tǒng)，自適應(yīng)遠(yuǎn)光燈系統(tǒng)ADB（Adaptive Driving Beam）。ADB 技術(shù)通過(guò)攝像頭輸入路況信號(hào)，判斷前方來(lái)車或者行人的位置與距離，并相應(yīng)調(diào)整對(duì)應(yīng)位置的那一顆LED的亮滅，從而避免對(duì)來(lái)車或行人產(chǎn)生炫光，同時(shí)最大限度地滿足駕駛者的視野需求。雖然當(dāng)前的ADB模組尚未完全普及，但更高的智能化要求已然被提出。當(dāng)前技術(shù)中的ADB模組是單LED陣列，單LED陣列的矩陣模組由于像素單元還是太少，不夠精細(xì)，投射在路面像素之間的區(qū)分明顯，均勻性較差，可實(shí)現(xiàn)的智能化功能很有限。未來(lái)在路面不只有照明需求，投射車道線，斑馬線，警示標(biāo)志甚至一行文字一張圖片等，可能是未來(lái)智能模組系統(tǒng)必備的功能之一。顯然，更精細(xì)更高像素的投射效果離不開(kāi)集成更多芯片，尺寸更小的micro-LED為代表的新的光源的發(fā)展成熟，和更精密的竄光更少的光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這些將是未來(lái)模組智能化進(jìn)程的難點(diǎn)和挑戰(zhàn)。而且未來(lái)高智能化和數(shù)字化模組與導(dǎo)航，攝像，雷達(dá)系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)將使車燈照明到達(dá)新的高度。

5 小結(jié)

如上所述，我們可以看到作為汽車照明擔(dān)當(dāng)?shù)倪h(yuǎn)近光功能經(jīng)歷了從原始方式到現(xiàn)代的模組方式的巨大飛躍。然而時(shí)代發(fā)展的腳步從未停止過(guò)，車燈法規(guī)不斷更新?lián)Q代，新的材料不斷引進(jìn)推出，審美觀念不斷變化，光源技術(shù)不斷發(fā)展，模組的創(chuàng)新是永無(wú)止境的，更微型化更智能化的模組必將成為未來(lái)汽車照明中不可或缺的組成部件。

參考文獻(xiàn)：

[1]LED在汽車燈具上的應(yīng)用進(jìn)展[J]. 鄭洪偉 陳文強(qiáng) 由毅.

[2]汽車燈具設(shè)計(jì)原理與方法[J]. 朱維濤 陳祥熙.

[3]汽車智能LED前照燈照明系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)[J].趙寒 朱恒偉.