原文作者：Yang Li*, Marvin Knöchelmann, Roland Lachmayer

编译：井硕   张小月

指导：林燕丹

汽车前照灯是一种照明装置，早期仅起到提高交通能见度的作用。自从矩阵LED前照灯问世以来，前照灯系统开始适应各种道路和交通状况。近年来，随着汽车工业的飞速发展，先进的驾驶辅助系统（ADAS）被认为是提高道路安全性和驾驶舒适性的重要组成部分，也是实现自主驾驶的关键技术之一。这也导致前照灯系统的意义改变。为了产生这种高分辨率的光分布，不同的技术正在被讨论，以便为前照灯应用找到有关功能、光学性能、法规等方面的适当技术路线和结构。

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作为前照灯应用光源的优点，以及产生所需白光的方法。最后，分别阐述了ADB模块的技术立场和艺术性。

取代传统汽车前照灯的最早像素前照灯概念是由多个独立的可控LED和光学元件组成的矩阵LED阵列。每一个LED代表一个像素，借助于目标区域的光学设备创建一个照明通道。通过调光或关闭任何单个LED，可以对相关通道实现灰度，从而实现无眩光远光和弯道光。近年来，为了适应交通运输业的发展，汽车前照灯作为自动驾驶系统的重要组成部分，提出了更具创新性的功能。

除了这些照明功能，道路投影也被认为是有助于ADAS。此功能允许驾驶员直接从道路获取信息，并与其他道路参与者沟通驾驶员的决定和意图。这种基于照明的通信在未来自动发生，当自主驾驶达到更高的水平，无人驾驶汽车投入运行。这样的功能需要高分辨率的光模块，因此在前照灯中采用了多个视频投影技术来创建这种高分辨率的光分布。此外，这种投影功能甚至可以通过在道路上使用彩色投影来改进。它使投影内容不仅在夜间，而且在白天或在某些极端条件下，如积雪覆盖的道路上，都是显而易见的。

总而言之，未来车辆的ADB模块是一种高分辨率照明设备，具有以下可能的特征和功能：

·紧凑，使其他要素（日间行车灯、转向指示灯）可以集成在一起；

·弯曲光；

·精确避光；

·天气适应性照明光源的产生；

·彩色道路投影。

尽管卤素（钨）灯泡和高强度气体放电灯仍然可用作前照灯系统的光源，但LED以其高效率、高可靠性、长寿命和越来越小的尺寸而占据市场主导地位，这是节省前照灯空间的理想选择。然而，led的功率转换效率随着输入功率密度的增加而下降，如图1所示（红线）。此功能是大功率应用（如前照灯）的LED的一个缺点。除此之外，LED二维发射表面的近朗伯辐射在技术上限制了传播光通量。为了改善这些状况，近年来，在这些方面具有不同性能的LDs被认为可用于前照灯系统的光源。与LED不同，LD通常需要一定的输入功率来启动发射，称为激光阈值。当输入功率密度高于激光阈值时，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，说明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和LD效率相同的交叉点处。在分界线的右侧，LD比LED具有更好的效率，这表明LDs在高功率应用中更有效。

图1   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

下图显示了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，通过信息处理对当前所需的光分布进行计算。控制器将所需的光分布转换为光源和调制器的标称值。照明光学器件收集光源的光并照亮调制器。调制器通过数字微镜阵列的原理产生高分辨率图像，然后由投影光学器件成像。

图2   高分辨率前照灯的部件

以下各节将解释这些技术是如何实现的，并说明LDs作为光源的潜力。

A.扫描微镜

通过使一束窄光束通过一个二维微镜偏转，可以获得高分辨率的图像。当微镜将光束偏转到所需方向时，通过精确地打开光源创建单个像素。对于司机或其他道路使用者来说，通过快速重复的序列向人展示出静态画面。对于反射镜的控制，可以采用不同的策略。可实现的分辨率取决于反射镜可以倾斜的最大频率以及切换光源的最大频率。反射镜和悬架的质量越小，反射镜的运动频率就越高，因此分辨率也就越高。因此，对于扫描微镜而言，镜面很小，因此LDs非常适合作为光源。

图3 不同的高分辨率调制器成像方式。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）

B.微镜阵列

微镜阵列由一个区域内多达100多万个可单独切换的反射镜组成，通常被称为数字微镜阵列（DMD）。DMD的典型应用是视频投影仪，目前DMD越来越多地用作平视显示器和前照灯中的图像调制器。与扫描微镜相比，DMD的反射镜只能在两种状态下进行切换。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，来自光源的不需要的光被引导到吸收体中，以便可以关闭相应的像素。通过脉冲宽度调制的高频开关反射镜，可以控制像素的光强。入射光束的开启角不能过大，这样就可以将开启状态的光路与关闭状态的光路分开。在大多数已出版的DMD高分辨率前照灯中，光源采用气体放电灯。以LDs为光源的灯具模型尚未发布。由于LDs的高亮度，预计这种概念可以比先前发布的系统具有优势。

前照灯系统越来越多地发展为新的照明功能，为汽车驾驶提供更好的保障。ADB模块形式的前照灯将成为ADAS的重要组成部分，以改善各种道路条件下的交通安全性和驾驶舒适性。然而，这些基于照明的功能也会分散所有道路使用者的注意力。因此，必须进一步研究在实际情况下对这些功能的反应。

追求灵活的设计和高效率的汽车应用建议使用LDs作为光源。本文分析了用于照明的LDs的优点，以及产生所需白光的方法。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。

本文结合LDs的优点和潜力,介绍并分析了实现照明功能的几种技术方案。这些技术都有特定的技术和要求。因此，在使用其中任何一种之前，必须考虑到成本、应用环境、所需功能等因素。