汽車車燈之遠近光模組的前世，今生，和未來

藍尚平

馬瑞利汽車零部件（蕪湖）有限公司上海分公司 上海市 201208

1 引言

如今，汽車行業發展迅猛，車燈技術突飛猛進。如果把汽車比作當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注，無論是其外在的美觀性還是內在的功能性，更新換代速度可謂日新月異。特別是近年來LED 照明技術和激光光源的不斷發展成熟，給遠近光模組的創新帶來了更多的可能性和挑戰性，更精細更智能的遠近光模組必然會在未來的路面上大放異彩。

2 遠近光之傳統實現方式

在1885 年德國人卡爾·本茨發明汽車之初，人們對車燈的功能和外觀并沒有太多的要求，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，當時的煤油燈甚至蠟燭便成了汽車上最早的照明工具。不過這種明火照明方式太依賴于有限的燃料，對能源的浪費非常嚴重，不但不環保節能，而且發光效率非常低，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。基于此，當時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，科學家在一次化學反應中得到了一種新的能源--乙炔。乙炔是利用碳化鈣和水發生化學反應生成的一種無色無味的氣體，它可以作為燃料燃燒發光。將乙炔應用到汽車上給汽車照明，需要在車上安裝一個乙炔發生器，其工作原理是利用汽車行車過程中的顛簸促進化學反應的發生從而生成乙炔。點亮的乙炔車燈亮度可以達到煤油燈的幾百倍，有效的提升了夜間行駛的舒適性和安全性。但乙炔燈的缺點是使用壽命非常有限，而且在下雨天遇水即滅，并且會產生大量有毒白煙，對人體健康造成危害，乙炔車燈很快就遭到了淘汰。

隨著電燈的發展，乙炔燈退出了車燈歷史的舞臺，取而代之的是日漸成熟的白熾燈。不過由于剛開始的碳絲白熾燈燈絲太過脆弱，經不起道路的顛簸，直到螺旋鎢絲白熾燈的出現才被廣泛用于車燈。當時流行的螺旋鎢絲白熾燈在耐用度和照射強度相比乙炔燈都有了極大的提升，不過這種白熾燈的發光效率仍然不高。在傳統的白熾燈燈殼中注入鹵族元素便誕生了新一代白熾燈—鹵素燈。初期用于車燈的鹵素燈誕生于1960 年代，就如同人們對車輛的速度與舒適性的追求永無止境一樣，隨著鹵素燈技術發展到極限，亮度更高、能耗更低、壽命更長的光源亟待開發。90 年代，車燈制造商海拉將技術成熟的氙氣車燈推向了市場。氙氣燈是電弧發光，沒有燈絲，所以能提供比鹵素燈更穩定的照明輸出。且氙氣燈的光照強度比鹵素燈高三倍，耗能卻僅為其三分之二。氙氣燈的光色與日光近乎相同，為駕駛者創造出更佳的視覺感受。氙氣燈的這些優勢和特點大大改善了駕駛的安全性和舒適性。

以鹵素燈和氙燈為光源的遠近光的設計方式通常有兩種，如圖1。一種是燈泡加一個大的反光碗的實現形式，無擋光片。遠近光的光型，包括明暗截止線和中心照明區域及照射展寬均由反光碗的不同區域經過光學設計后直接將光源發出的光反射到對應區域形成。這種方式的遠近光均勻性較差，照射展寬有限。另一種方式是光源加一個小的反射碗加一個玻璃透鏡組成，截止線形狀則是由反射碗與透鏡之間的一片可翻轉的金屬擋板來實現。擋板不翻轉的時候光線從擋板上方通過形成近光光型，當撥動遠光燈開關，擋板被電機帶動翻轉后光線從擋板位置通過形成遠光。這兩種實現方式的遠近光車燈當前在一些低版本的車型上仍然可見，從光學原理上來講，后者便可以稱之為一種遠近光模組了。

圖1 遠近光傳統實現方式

3 目前常用的遠近光模組技術

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

圖2 遠近光模組實現方式

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。反射碗的光學設計是模組設計中最重要的環節，車燈法規中有對測試點的亮度要求，整車廠還有各自額外的照明需求和對路面均勻性的要求，這些都需要通過對反射碗的特定設計來實現。反射碗通常會分為多個腔，每個腔對應一顆LED，腔越多，LED 越多則模組的輸出光通量就越大，路面均勻性也會越好。但與此同時帶來的不足是，模組的體積和重量也會變大。以3 個腔的近光為例，我們可以用中間的一個腔配合一顆多芯片的LED 來實現近光光型對中間區域的照明要求，旁邊兩個腔各配合一顆單芯片LED 來實現光型中對展寬的要求。腔與腔之間的結合部必然會產生暗區，可以通過優化反射面的面型來改善。每個腔的反射面都可以被細分為多個小面，每個小面的面型在上下左右方向都可以單獨調節。最終由所有小面反射的光型結合組成一個光學性能和均勻性都符合要求的整體近光或遠光光型。LED 發出的光線經過反射碗反射后經過擋光片，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向來車炫光的前提下增加左側區域照射范圍。近光的反射碗通常位于擋光片上方，遠光反射碗位于擋光片下方。兩者可以同時存在于同一個模組單元中實現遠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近光光型投射到路面，實現照明功能，透鏡開口尺寸越大，光效越高，當前市面常見的開口尺寸一般在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，適用于加工各種面型的透鏡。由于過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增加微結構來弱化截止線清晰度來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量的小凸點或凸臺來增加法規中對于三區的照度要求。

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，與反射式最大的區別就是沒有反射碗，取而代之的是帶有聚光器和可調節出光面的初級配光透鏡，其作用與反射碗類似，對光源發散出來的光進行初次調配，對其進行的光學設計是直射式模組最重要的環節之一。遠近光法規，整車廠spec 和路面均勻性都需要通過不斷優化聚光器和出光面面型來達到最佳。初級配光透鏡通常有多個聚光器單元組成，每個聚光器對應一顆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，聚光器越多對整個模組的體積和重量都會增大。直射式模組因為用到聚光器，光效和均勻性相比反射式更優。直射式模組也可以是單近光，單遠光，或者遠近光一體。因為聚光器的造型多樣，在雙功能模組中，甚至可以利用遠光的初級配光鏡與擋光片結合為一個零件，一方面作為遠光的配光鏡，另一方面其上表面可以作為近光的擋光片。這種形式可以節約成本簡化安裝工藝縮短公差鏈。直射式模組的另一種簡化方式是，直接舍去擋光片，近光的截止線完全通過調節初級配光鏡的出光面來實現。這種設計方式有助于現實更窄開口的模組，與現今流行的扁平細長的模組審美觀相契合，會是將來的一個趨勢。直射式模組的另一個優勢在于實現ADB 功能，將初級配光鏡設計成多像素的矩陣式結構，每一個像素單元對應一顆LED 或一個發光芯片，每一個像素都可以單獨亮滅，配合相應的軟硬件和電路設計可以實現形式多樣的動態照明模式。作為ADB 功能的補充照明，可以增加一個帶有基礎光型的模組，該模組的擋光片不帶任何折角，投射在路面是一個帶水平截止線的均勻補光光型。初級配光鏡的材料通常是PC，對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，還可根據車型需求安裝一個或者多個模組單元包括補光模組來滿足整車照明和造型的需求。

4 遠近光模組之創新與挑戰

4.1 微型化

正如前面提到的,模組的透鏡開口尺寸越大，光效率越高，越有利于實現更均勻的遠近光燈。然而大尺寸的模組就需要占用汽車大燈里更多的空間，大燈里留給遠近光模組的空間是很有限的，特別是對于需要安裝多個模組的車型，大尺寸模組的局限性漸漸體現出來。從主觀性來看，大尺寸透鏡模組的外觀略顯笨重，與現代人的審美觀念漸漸不相符。近年來，窄長扁平開口的模組概念逐漸被提出，如15mm*100mm。因為這種模組占用空間小，重量輕，節省材料和成本，受到各汽車制造商的青睞。從汽車用戶的角度出發，這種模組外觀更顯現代科技感，能更好的展示出整車外觀的線條性，是當前審美的流行趨勢。然而對于車燈設計商來講，窄開口模組的設計充滿了挑戰。首先更高效的模組依賴于更高效的光源，高功率LED 或激光光源的技術成熟是必要條件之一，然而沒有哪種光源是完美的，產生高亮度的同時也會產生高熱量，在如此窄小的模組空間里如何解決散熱問題是急需突破的難點。從光學設計的角度來看，越來越窄開口的模組如何滿足越來越嚴苛的照明和均勻性要求，摒棄成熟的模組設計概念，開發一種更高效的光學系統是實現窄開口模組關鍵。當前，窄開口模組的研發正在如火如荼的進行中，并有部分車型已經嘗試采用這種模組。然而，時代的腳步從不停息，模組的微型化也不會止于當前的窄開口尺寸，更窄，更輕，更亮，更節能，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，現在正是智能化時代，汽車的智能化必將是時代智能化的重要標志，汽車智能化顯然少不了智能化的遠近光模組系統。靜態的遠近光光型已經不能滿足市場需求，越來越多的智能化附加功能需要被集成到車燈模組當中。當前，部分車燈已經帶有一些智能化功能，比如自適應照明系統AFS（Adaptive Front lighting System）。顧名思義，這種帶AFS 功能的模組能夠根據行車速度、轉向角度等自動調節模組的偏轉，以便能夠提前照亮轉向區域，提供全方位的安全照明，以確保駕駛員在任何時刻都擁有最佳的可見視野，從而增強黑暗中駕駛的安全性。還有一種稱為智能遠光的模組系統，自適應遠光燈系統ADB(Adaptive Driving Beam)。ADB技術通過攝像頭輸入路況信號，判斷前方來車或者行人的位置與距離，并相應調整對應位置的那一顆LED 的亮滅，從而避免對來車或行人產生炫光，同時最大限度地滿足駕駛者的視野需求。雖然當前的ADB模組尚未完全普及，但更高的智能化要求已然被提出。當前技術中的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，投射在路面像素之間的區分明顯，均勻性較差，可實現的智能化功能很有限。未來在路面不只有照明需求，投射車道線，斑馬線，警示標志甚至一行文字一張圖片等，可能是未來智能模組系統必備的功能之一。顯然，更精細更高像素的投射效果離不開集成更多芯片，尺寸更小的micro-LED 為代表的新的光源的發展成熟，和更精密的竄光更少的光學系統的設計，這些將是未來模組智能化進程的難點和挑戰。而且未來高智能化和數字化模組與導航，攝像，雷達系統的聯動將使車燈照明到達新的高度。

5 小結

如上所述，我們可以看到作為汽車照明擔當的遠近光功能經歷了從原始方式到現代的模組方式的巨大飛躍。然而時代發展的腳步從未停止過，車燈法規不斷更新換代，新的材料不斷引進推出，審美觀念不斷變化，光源技術不斷發展，模組的創新是永無止境的，更微型化更智能化的模組必將成為未來汽車照明中不可或缺的組成部件。