技术文章 | 高分辨率前照灯:激光二极管作为光源的创新功能和使用潜力

原文标题：High-resolution headlamps: Innovative functionalities and the potential of using laser diodes as light sources

作者：Yang Li*, Marvin Knöchelmann, Roland Lachmayer

汽车前照灯是一种照明装置，在早期只有提高交通能见度的功能。自从matrix LED大灯问世以来，大灯系统开始适应道路和交通条件。近年来，随着汽车工业的快速发展，出现了先进的驾驶辅助系统(ADAS)，该技术是提高道路安全和驾驶舒适性必不可少的要素，也是自主驾驶的关键技术。这种改变也导致了前照灯系统意图的更新。利用前照灯产生高分辨率的光分布来智能照亮交通区域并辅助驾驶员的概念，即自适应驾驶车灯(ADB)，同时也是ADAS的重要组成部分。为了产生这种高分辨率的光分布，我们讨论了不同的技术，以便从功能、光学性能、规则等方面为前照灯应用寻找合适的技术路线和结构。

前照灯的演变也与光源有关。前照灯光源应满足高亮度、高效率的要求，允许使用小型光学元件进行光处理，实现紧凑的照明模块。半导体工程的发展将LED和半导体激光器引入汽车照明。随着LED技术的成熟，LED在这一领域得到了广泛的应用，满足了大多数前照灯系统的要求。下一步是使用激光二极管(LDs)作为光源。其独特的照明性能为改进现有的前照灯系统提供了契机。

本文将讨论ADB模块的特点和创新功能。将介绍在不同方面使用LDs作为前照灯灯应用光源的优点，以及产生所需白光的方法。最后，分别阐述ADB模块的技术立场和技术水平。

最早取代传统汽车大灯的像素前照灯灯概念是由多个独立可控LED和光学元件组成的矩阵LED阵列。每个LED代表一个像素，在光学设备的帮助下创建到目标区域的照明通道。通过对任意单个LED进行调光或关闭，可以实现对相关通道的灰度处理，实现无眩光的远光灯和弯曲光。目前LED阵列大灯由于设计上的一些限制，如大灯内部空间受限或光源模块散热等，其像素约为100像素。作为LED阵列的实现，多段LED和微像素LED(欧司郎中的Eviyos LED)被发明用于前照灯灯应用。这些技术比道路上的传统LED阵列更能精确地遮蔽光线。近年来，作为ADAS的重要组成部分，为了适应交通运输的发展，前照灯的功能不断创新。例如，在正常天气条件下，具有较高色温的光具有更好的照明性能。然而，人们有时不得不在能见度有限的天气条件下开车，如雾天或雨天。在这种情况下，色温较低的照明灯比色温较高的照明灯具有更长的可见距离。因此，一种能很好地适应不同天气的色温可控照明装置有助于提高道路安全。

除了这些照明功能，道路投影也被认为是有用的ADAS。该功能允许驾驶员直接从道路获取信息，了解其他道路参与者的决策和意图，并进行沟通。例如，一个带有道路投影的前照灯可以标记其他传感器如Lidars检测到的危险障碍物，用车辆的宽度构建一个光屏障，为驾驶员投射道路导航数据，或者为行人设置斑马线。未来，当自动驾驶技术达到更高水平，无人驾驶汽车投入使用时，这种基于灯光的交流将自动发生。这样的功能要求光模块具有高分辨率，因此在大灯中采用了几种视频投影机技术来实现这种高分辨率的光分布。这些可用的技术将在第4章中介绍。此外，这种投影功能甚至可以通过使用彩色路面投影来改进。这使得投影内容不仅在夜间，而且在白天或一些极端条件下，如积雪覆盖的道路，都可以被注意到。

综上所述，未来车辆的ADB模块是一种高分辨率照明设备，具有以下可能的特点和功能:

l 集成， 这样其他运行的元素 (白昼灯，指示器) 可以集成在一起;

l 弯曲光线;

l 精准防眩光;

l 产生适应天气的照明；

l 彩色行车投影

虽然卤素(钨)灯泡和HID灯仍然可以作为前照灯系统的光源，但目前LED以其高效率、高可靠性、长寿命和越来越小的尺寸占据着市场的主导地位，是节省前照灯空间的理想光源。然而，LED的功率转换效率随着输入功率密度的增加而降低，如图1(红线)所示。这一特性是LED应用于大功率应用的一个缺点，如大灯。除此之外，LED二维发射表面的近似朗伯辐射在技术上限制了光通量的传播，这种效应与光学扩展量一词有关，将在本章的C节中解释。为了改善这些情况，多年来人们一直将在这些方面具有不同性能的LDs作为前照灯系统的光源。与LED不同，LD通常需要一定的输入功率来启动发射，这被称为激光阈值。当输入功率密度大于激光阈值时，LD的输出功率和功率转换效率显著提高。当输入功率密度达到一定程度时，转换效率趋于稳定，这意味着光输出功率几乎随输入功率的增加而线性增加。这种行为如图1所示的蓝线所示。输入功率密度的分界线位于LED与LD效率相同的交叉点。在分割线的右侧，LD的效率要高于LED，说明LDs在大功率应用中效率更高。

图1 在波长为450nm的蓝色LED和蓝色激光二极管的功率转换效率与输入功率密度的关系。

LDs是一种半导体激光器，它有不同的封装和尺寸，光谱范围从紫外线到远红外不等。商用LDs发射适用于前照灯应用的可见光谱，其输出光功率从几兆瓦到几瓦不等。以TO can激光二极管为例，这些LDs具有类似的发射特性，如图2所示。

LD具有极小的形状为椭圆的发射面。输出光束有两个不同的轴，分别称为快轴和慢轴。激光在快轴上的发散角比慢轴上的发散角大。激光束沿各轴呈近似高斯分布。这两个轴合在一起形成一个椭圆的输出光束截面。一个附加点的2轴通常表示一个小的排放点这两个轴之间的距离,被称为散光(图2的∆As)。 散光的范围通常为3 - 50μm,取决于LDs的模式。在某些需要精确的光束整形的情况下，必须考虑到这种散光。在光学中，激光二极管的分离通常指定为∅⊥×∅∥,这意味着发散角沿着快轴和慢轴为1 / e²能量水平。在LD行业内，它还表现为∅⊥FWHM × ∅∥FWHM ,这意味在全宽半量程能级(FWHM) 上沿轴线的发散角。前者约为后者的1.7倍。

固体激光器产生的激光束还有一个特殊的性质——偏振方向。LD的发射辐射为线性偏振，偏振方向始终与慢轴平行，如图2所示。偏振比从30:1到100:1不等，这取决于LD的模式。根据应用情况，这种偏振特性可以是优点，也可以是缺点。

正如前面提到的，LED由于其光学扩展量而受到限制。光学扩展量 G是一个由发射面面积和发射角决定的几何不变量，在光学系统中永不衰减。这意味着光学系统的光学扩展量受具有最大光学扩展量的光学元件的限制。光学扩展量被描述为

G =πAsin²ɛ(1)

A为发射表面的面积，ɛ为光源的发光半角。由式(1)可知，无论是发射面小还是发射角小都会导致光学扩展量变小。LED具有二维发射面和近似朗伯体的发射分布，导致系统中其他光学元件必须具有相同或更大的光学扩展量才能减小损耗。相反，LD有一个面积极小的发射面，这意味着它作为光源的光学扩展量非常小。因此，可以用小的元件来塑造激光，使整个光学系统在不影响光强的情况下变得紧凑。

小光学扩展量和近高斯低发散输出辐射也意味着LDs可以很容易地与小直径光纤耦合。这意味着LDs可以放置在比前照灯更冷的地方， 激光通过光纤从远端引导到前照灯。

除了在几何方面，LDs的高输出功率强度还通过较长的光照距离提高了驾驶员的可视性。奥迪R8和宝马i8系列大灯已经证明了这一点。

图2 激光二极管发射特性。光束分离被指定为∅⊥×∅∥因为这是更频繁地用于激光准直。图中还可以看到散光和偏振方向。

前照灯系统必须满足产生白光的规定。利用LDs实现白光的三种可能方法如图3所示。A和B展示了使用荧光粉层将短波长转换为长波长的方法。一个黄色的荧光粉将入射蓝色激光的一部分转换成黄色或橙色，结合未转换的蓝色激光，就产生了一个白光(A)，这也是大多数白色LED的原理。与使用LED相比，使用这种方法的一个优点是，荧光粉层可以在距离LDs较远的地方放置，而对于LED来说，荧光粉层必须靠近发射表面。这一概念被称为远程荧光粉，可以帮助温度控制，相比使用白色LED有更少的限制。这种远距离荧光粉概念的实现是由于相对较小的发射发散性和LDs的高斯分布。另外,光源可以代替紫外线(UV)LDs ,和混合荧光粉可以转换所有的紫外线辐射到不同的颜色,同时任何颜色混合可以产生白光(B)。另一种可能性是使用至少两个LDs来混合光的颜色,通过调整输出功率的二极管色效应和白光可以实现。由于该法规要求一定数量的红光以保证车辆前照灯的显色指数，因此通常认为将红、绿、蓝(RGB)三种颜色的光组合在一起可以产生合适的白光，具有较宽的色彩空间(C)。这样，一个色温可控的白光也是可实现的。

图3 利用激光二极管产生白光的方法。(A)混合蓝色激光器和荧光粉转换的黄色光;(B)混合所有由UV激光转换的荧光粉和多个荧光粉;(C)混合来自不同波长的复数二极管(例如RGB)的激光。

下图是一个高分辨率前照灯的系统结构。传感器记录环境和车辆数据，以确定当前的交通状况和车辆状况。随后，在盒子信息处理中计算当前所需的光分布。控制器将所需的光分布转换为光源和调制器的标称值。照明光学收集光源的光并照亮调制器。调制器通过使不需要的光线偏转(数字微镜阵列的原理)产生高分辨率图像，然后由交通区域的投影光学成像。

图4 高分辨率前照灯的组件。

不同的技术可以产生高分辨率的光分布(图5)。下面几节将解释这些技术的工作原理，并强调LDs作为光源的潜力。

通过使一束窄光束通过一个二维微镜偏转，产生了一个高分辨率的图像。当微镜将光束偏转到所需的方向时，通过精确地打开光源，就可以产生一个像素。对于驾驶员或其他观看者来说，快速重复序列会给人一种静态画面的印象。对于镜像的控制可以采用不同的策略。可达到的分辨率取决于镜面可倾斜的最大频率以及光源可切换的最大频率。反射镜的质量越小，悬架越小，反射镜的运动频率就越高，分辨率也就越高。对于扫描微镜来说，LDs非常适合作为光源,因为LD 的低光学扩展量可使镜面达到很小。行车投影的投影单元符号使用这种技术,并使用三个LDs(红、绿、蓝)覆盖二向色镜的白色和彩色的投影。在一个高分辨率的前照灯中使用一个单一的微镜和六个蓝色的LDs组合，通过磷转化产生白光。

图5 如何使用不同的高分辨率调制器成像。a)扫描微镜 b)数字微镜阵列(DMD）c)液晶显示器(LCD) d)硅上液晶显示器(LCoS)。

微镜阵列由一个区域内多达100多万个单独可切换的镜子组成，通常称为数字微镜阵列(DMD)。DMDs的一个典型应用是视频投影机，目前在平视显示器和大灯中作为图像调制器的应用越来越多。与扫描微镜相比，DMD的反射镜只能在两种状态下切换。在打开状态下，光源的光被反射到投影光学系统，从而到达图像空间。在关闭状态下，光源中不需要的光直接进入吸收器，从而关闭相应的像素点。通过脉冲宽度调制的高频开关镜子，可以控制像素点的光强。DMD的光学扩展量是由镜子的倾斜角决定的，通常在10°到15°之间。入射光束的开角不能太大，使开态光路与关态光路分离。使用的光源有LED, LDs和气体放电灯。在大多数已发表的具有DMD的高分辨率前照灯原型中，光源为气体放电灯。与LED和LDs相比，它们的亮度最高。使用高亮度的大功率LED作为光源也是很有潜力的。以LDs作为光源的原型尚未发表。由于LDs的高亮度，这一概念有望比以前发表的系统具有优势。

液晶显示器(LCD)与DMDs一样，是一种基于区域的照明调制器，用于视频投影机，但也用于计算机或手机屏幕。液晶显示器的工作是基于特定晶体结构改变光偏振的能力。图4c显示了白色非偏振光的原理。这里展示一个偏光镜位于前面的液晶显示器。如图所示，p偏振光被吸收，s偏振光撞击LCD。通过施加电压，可以改变入射光的偏振方向。通过充当分析器的第二偏振器，只传输一个偏振方向。光呈s偏振并被吸收的像素呈黑色。硅上液晶显示器与液晶显示器的不同之处在于，光直接反射到液晶层的后面。图4c所示的带有偏振分束器(PBS)的结构实现了与所述带有两个偏振器的LCD结构相同的功能。

这两个系统的光学效率由两个偏振器或偏振分束器的透射率和LCD或LCoS组成。此外，光源的非偏振光，即p偏振光，约有一半已经被调制器吸收或被PBS移出。因此大大降低了光学效率。在VoLiFa2020项目中，为了利用入射光的偏振方向，使用两个LCD解决了这个问题。使用LDs也可以避免上述问题，因为发出的光在很大程度上已经极化。因此，利用LDs可以开发出高效的液晶显示系统。一个以LCD和LDs为光源的高分辨率前照灯的原型已被发表，提出了一个使用6个LDs作为光源的LCoS调制器的高分辨率前照灯2的原型。

前照灯系统的照明功能日益发展，以支持交通运输，同时前照灯的用途也在不断扩展。ADB模块形式的前照灯将成为ADAS的重要组成部分，以提高各种道路条件下的交通安全和舒适性。然而，这些基于照明的功能也会使所有道路使用者分心。因此，必须进一步调查群众在实际情况中对这些功能的反应。

对汽车应用的灵活性和高效率的追求建议使用LDs作为光源。本文分析了用于照明的LDs的一般优点，以及创建所需白光的方法。虽然使用激光作为光源有可能改善前照灯系统的性能，但在投入使用前必须考虑到公共照明的激光安全性。

本文提出并分析了几种实现照明功能的技术方案，并结合LDs技术的潜力和优势。每一种技术都有自己的技术能力和要求。因此，在采用其中任何一种方法之前，必须考虑到成本、适用情况、所需的职能等因素。

文章来自中国国际汽车照明论坛论文集