高分辨率車輛前照燈將照明劃分為大量可單獨控制的像素，以有效的改善交通體驗和輔助自動駕駛。本文首先介紹高分辨率前照燈的功能，以及相關法律法規和前照燈系統的常見要求。基于這些要求，介紹了采用不同技術的高分辨率前照燈的設計思路。

PART#01

汽車前照燈現有功能及技術

近年來，在汽車行業中，主動照明功能被認為是對傳統前照燈的補充。其中針對交通區域的自適應照明，可以提高交通安全性和舒適性，此外，也有一些功能可以通過在道路上顯示照明信息進行交互。下面將介紹前照燈當前和潛在的開發功能和技術。

1. 自適應前照燈系統（AFS）和自適應遠光燈系統（ADB）

實際生活中，車輛將會在不同照明條件下行駛，為了適應駕駛環境并照顧其他交通參與者，引入了動態自適應的前照燈照明系統，以優化在各種場景中駕駛員視野（FoV）中的路況。同時，自適應前照燈系統還可以幫助減少不適當的交通照明造成的危險。

1）自適應前照燈系統（AFS）

自適應前照燈系統（AFS）的研究始于20世紀90年代，在21世紀初AFS納入聯合國歐洲經濟委員會（UNECE）的監管框架，2006年第一個AFS成功上市。AFS旨在修改道路上的汽車照明模式，為不同駕駛場景和道路條件下的駕駛員視野提供最佳照明性能，主要燈光模式包括大燈隨動轉向模式、鄉村道路模式、城市道路模式、高速公路模式、惡劣天氣模式等。表1中列出了不同類別AFS的光束圖。

2）自適應遠光燈系統（ADB）

自適應遠光燈系統（ADB）是由AFS系統演變而來。ADB系統的最早定義寫在UNECE第48號法規中，該法規將其定義為AFS的主光束，其光束模式適應迎面而來和前方車輛的存在，以提高駕駛員的遠距離能見度，而不會對其他道路使用者造成不適、分心或眩光。除無眩光前照燈外，下一步ADB系統還將添加道路投影功能。例如，導航信息的投影、動態車道輔助（顯示狹窄通道的車輛寬度）、車輛警告和狀態信息的投影等。此外，道路投影還可以實現駕駛員與其他道路參與者之間的交互，通過在路面上顯示文字和圖像，其他道路參與者可以準確地獲取車輛的意圖。這種交互方式很有可能在未來自動駕駛環境中實現廣泛應用。

2. 前照燈相關技術

前照燈系統的光束模式和功能可以通過高分辨率光分布覆蓋整個照明區域來實現。該前照燈系統通過與車輛狀態和駕駛員操作相關的各種檢測傳感器來評估駕駛環境中的道路場景，從而動態調整單個像素，以生成相應的照明模式。系統元件和工作流程如圖1所示。

圖1高分辨率前照燈系統工作流程圖

從工作過程可以看出，照明策略是由電子控制單元生成的。之后，高分辨率光分布的實現主要取決于前照燈，確切地說，取決于前照燈的調制技術。前照燈系統的調制技術包括LED陣列、微像素LED、不同的掃描技術等，采用的系統設備包括聲光偏轉器（AOD）、微光機電系統（MEOMS）、旋轉鏡、數字微鏡設備（DMD）、LCD和硅上液晶（LCoS）等。高分辨率光分布調制技術的分類如圖2所示。

圖2高分辨率光分布調制技術分類

PART#02

汽車前照燈相關法規和要求

歐洲地區的汽車照明的標準一般采用UNECE法規，除北美外，世界上許多地區也使用該法規，或將其作為汽車照明的基礎。這些法規包括車輛前照燈設計和安裝的要求。在所有關于車輛前照燈的UNECE法規中，近光和遠光的光分布要求作為前照燈開發和驗證最重要的指南。

例如，UNECE法規第123條中關于右行交通近光的要求中提到為了評估光分布，車輛前方25m處的平面垂直屏幕被定義為2D表示。該2D表示反映了道路上的真實照明，如圖3所示。該條法規定義了前照燈FoV中的照明分布（即水平FoVH和垂直FoVV方向上輸出光的開啟角）。H-H線和V-V線代表水平軸和垂直軸。在H-H線上方的右側有一條截止線，該截止線與其他幾條線形成一個區域（圖3中的Ⅲ區），規定了該區域的最大照度值，即不得超過該值，以避免讓迎面而來的司機和行人產生眩光。

圖3右側交通的調節近光分布表示

（UNECE R123）

此外，UNECE第113條還對遠光分布進行了額外定義。規定在前照燈前方25m處安裝一個垂直測量屏幕，以確定光分布。遠光分布的表示如圖4所示。該屏幕定義了角度方面的遠光分布。與近光燈測量屏幕類似，存在與不同等級車輛的最小和最大發光強度相關的定義點。點1-5位于H-H線上，左右兩側分別以3°、6°、9°和12°的角度分布。所需的發光強度在點1處最高，因為它隨著角度分布的增加而降低。此外，點6-7位于V-V線上。點6位于水平面上方2°，點7位于水平面下方4°

圖4 右側交通的規定遠光燈分布表示

（UNECE R113）

為保證交通安全和舒適性，車輛前照燈還需要滿足一些要求。例如，AFS和ADB功能可以通過高分辨率光分布覆蓋整個照明區域來實現。因此，高分辨率是此類前照燈的先決條件。高分辨率帶來的無眩光遠光的主要優點是消眩光區域可以控制。高分辨率前照燈可以精確關閉迎面而來車輛擋風玻璃和人臉區域的像素，但仍然可以通過照亮其他部分讓駕駛員注意到這些道路參與者。此外，它還實現了照射交通標志的昏暗照明區域，以避免通過反射自眩。這些去眩光功能統稱為遮光。圖5顯示了一個類似的例子。這種精確的遮光燈在復雜的交通情況下特別有用。除此之外，道路投影功能還需要高分辨率來動態調整投影內容。

圖5交通環境中無眩光遠光燈示意圖

PART#03汽車前照燈設計

1. 光源

LED和激光二極管（LDs）通常被視為當前高分辨率前照燈的光源。在AFS照明功能中運用的是基于區域的調制系統，LED和LDs都可以用作光源。由于光源的亮度應小于或等于調制器的亮度，否則就會降低效率。因此，當使用帶有基于面積的調制器的LED時，必須進行預先計算。然而，LDs由于其極小的發射面積和相對狹窄的發散角而沒有限制。此外，與LED相比，LDs的準高斯分布和較窄的發射發散度允許在系統中使用小型光學元件，從而在緊湊性方面具有優勢。

除了從光源接收光再將調制光投射到行駛區域的調制技術外，還有一種直接照明系統，即微像素LED。該調制器本身是一種光源，其發射的光具有高分辨率分布。它通常與投影透鏡系統一起工作。但由于白色LED的工作機制，投影透鏡系統可能會導致對比度問題。微像素LED通過將藍光與黃色熒光磷光體層結合來產生白光。二極管發出的藍光部分被磷光體吸收，并被轉換成更長的波長。未轉換光和轉換光的組合在人類視覺系統中形成白光。在大多數情況下，從磷光體表面發射具有朗伯分布的光。該工作原理如圖6所示。

圖6微像素LED工作原理

與傳統的白色LED不同，微像素LED可以照亮LED芯片上的一部分像素，而其他像素保持未激活狀態。由于菲涅耳效應，微像素LED前的透鏡可能會將一些藍光從被照明像素反射到芯片表面上的未激活區域。反射的藍光刺激磷光體，導致這些非像素產生不必要的光，如圖7所示。

圖7 微像素LED光學系統的菲涅耳反射

導致對比度降低

因為照射區域中存在應遮住的光線，所以這種現象會對前照燈的對比度性能產生負面影響。因此，應考慮采取適當的措施，例如防反射（AR）涂層。

2. 調制技術

在整合前照燈系統中使用的技術時，調制技術和系統的匹配程度是主要分析和比較的部分。與當前前照燈系統中的其他光學系統相比，缺少附加光學系統會導致相對較窄的FOV。當需要更寬的視野時，仍然需要光學元件投影加以輔助（加法）。相比之下，DMD、LCD和LCoS前照燈通過遮光或濾光（減法）實現調制，這些系統必須與光學投影系統配合使用。對于使用高分辨率基于面積的調制器，由于使用減法生成照明方案和投影圖案，光學效率通常低于使用加法的調制器。

總之，對于實現前照燈系統，加法和減法調制器都有其缺點。不同技術的缺點主要來自這些技術本身的工作機制，不同調制技術方面特性設計如表2所示。可根據具體設計意圖選擇合適的光源和調制技術作為解決方案。

PART#04 未來展望

未來，高分辨率照明功能應在無需駕駛員干預的情況下自動實，這需要多種傳感器的協調。當前所謂的高級駕駛員輔助系統（ADAS）就是將不同的傳感器集成到車輛上，以檢測交通環境。檢測到的信息可用作前照燈控制系統的輸入，前照燈充當ADAS的輸出設備，以便前照燈能夠調節，使照明和投影照明內容適應交通場景。例如，傳感器可以區分駕駛環境，以便應用AFS的不同照明模式。對車輛前方路況ADAS相應設備的協同工作如圖8所示。

圖8 ADAS協同工作示意圖

審核編輯 ：李倩