技术文章 ￨ HD 前照灯系统

作者 丨 李浩然

指导教授 丨 林燕丹

编辑 丨 Lemon

引言

ADB系统已出现了10年，在这期间，以LED为基础的ADB系统加入了大量的功能，而对于未来，ADB系统将向着具有更高分辨率的HD前照灯系统发展。

传统的前照灯系统在亮度上已经基本满足正常状况下驾驶者对于看清道路的要求，而在此基础上，汽车前照灯需要进一步考虑的内容为通过减少眩光和驾驶员可能的注意力分散来提高汽车照明的安全性和舒适性。

本文介绍了HD前照灯系统的整体架构、设计过程中的主导因素、已有技术方案的发展以及在HD前照灯技术背景下，汽车照明可加入的功能。

整体架构

HD前照灯在发展过程中，其主要目标及对应的技术方向如下：

• 安全性——可以实现更多的照明光型，具有更高的安全标准

• 舒适性——能够检测出尽可能多的驾驶场景

• 无注意力分散——减少可见的动态变化过程

• 无眩光——更加准确的光型控制

➤ 目前，HD前照灯主要有两种架构：集中式系统和非集中式系统

集中式系统具有专门的控制单元，对于两边的大灯进行统一的控制，非集中式系统则是由两个大灯各种的系统进行独立的控制。

Figure1 集中式HD前照灯

Figure2 非集中式HD前照灯

对于HD前照灯而言，其工作过程可以分解为以下几个步骤：

• 信息采集，考虑到汽车在行驶过程中处于动态，

因此需要通过不同类型的传感器来采集不同的道路信息，其中最主要的是前置摄像头信息，另外车上不同位置的车载雷达和地图信息也是对道路状况的补充。

• 数据处理，由于车辆处于不断的运动当中，而各个传感器根据工作方式的不同所采用的工作频率与所需求的实时处理速度有所差异，

在信息处理的过程中需要考虑不同传感器的数据更新速率的差异，采用预测算法来弥补数据刷新率上的不足。

就数据处理而言，其焦点在于通过更高的计算量来传递更加准确可靠的信息从而产生更加合理的照明方案。

• 照明控制，照明控制是整个系统的最后环节，其接受的信息可以看作是一副代表着照明光型的图片，

对于HD照明系统而言，更高的分辨率意味着更多的数据，

因此对于照明控制单元，实现更高的带宽尤为重要。

主导因素

对于HD前照灯整体而言，其实际的工作性能需要考虑以下几个因素：

• 延迟，HD前照灯的整体延迟是在信号传递过程中各个部分的延迟的叠加，目前，最大的延迟来自于传感器本身，特别是图像传感器。

• 信息可靠性，系统中所有的信号都有相应的信号源，而其中的识别率、失败率以及准确性等都对整体的性能有较大影响，

另一方面，由于传感器检测的目标都处于横向变化的状态，因此整体的控制需要较高的适应性，

除此之外，各个传感器也有各自的工作距离限制，由距离带来的误差也不容忽视。

• 传输接口，传输接口用于在各个设备间传递相应的输出或反馈信息，系统中所有传感器都会有大量的信息产生，

一般而言，信息量越大，处理速度越快，系统的工作性能越佳，

但这两方面通常是相互矛盾的，需要考虑两种的协调。

• 分辨率与帧数，更高的分辨率，意味着有更多的光可以被用来调整照明，

与此同时，更高分辨率下，光型在变化过程中的步长更小，光型的变化更不易被驾驶者察觉。

而帧数对应的是光型的刷新速度，刷新速度越快，对于道路的适应性越强。

• 系统的对准，对于HD系统而言，其对于各个设备位置的准确性有着更为严格的要求，

因此传统的仅仅靠人眼的对准方式并不能达到足够的准确性，

从这一点上，通过摄像头以及计算机来辅助对准十分重要。

➤ 针对以上影响因素，可以通过以下思路来消除其不良影响：

1. 应用预测算法来降低延迟，将多个传感器数据融合到一起处理来消除不良数据的影响，

2. 通过对整个系统采取统一的时钟来减少帧率的异步，

3. 通过设置特定的传感器系统和对齐子系统来消除未对准情况。

HD前照灯技术比较

就目前而言，已进入实际使用阶段的HD前照灯系统为HD84系统，

而其他技术如uAFS, LCD以及DLP技术也在逐步发展，以下为主要参数的对比：

Figure3 HD前照灯特性比较

四种技术方案的光型结构如下所示：

Figure4 HD前照灯光型比较

➤ 对于uAFS而言，其通常由四块uAFS芯片构成，每块芯片可以提供1024个像素，每个像素在11mA的电流下可提供3lm的照明。

通常而言，四块芯片被分别安装在两个模组中：

• 一个模组位于光轴上，与HV点接近，

• 另一个模组则用于外侧的灯光照明，

从光分布来看，该方案可以实现水平32°的宽度和垂直8°的宽度，其分辨率可以达到水平0.25°和垂直0.25°。

➤ 而对于LCD技术，LCD由LED阵列进行照射，然后经过透镜将光透射到道路上。

LCD面板是通过控制偏振光的偏振角度，由一个滤光片来吸收某一偏振状态的光，进而控制单个像素的亮度。

因此经过LCD面板之后，必然有50%的光被吸收，

为了提高整个系统的光效，可以采用更复杂的结构，将LED的光线分成两个偏振方向，将这两组光同时使用，通过选择用于背光的LED来提升效率。

整个系统可实现水平方向40°和垂直方向10°的光分布，系统的分辨率为300*100，可实现的角度控制为0.1°，

而在更低的位置，分辨角度可以达到0.05°*0.1°。但更小的像素意味着更低的透光率，

因此这一部分仅仅在特殊的位置使用。

Figure5 LCD结构示意图

➤ DLP技术具有更高的分辨率，在DLP芯片上布置有100000个可转换的反射镜。

而目前，DLP技术最大的挑战在于如何为如此小的芯片提供足够的光照来实现良好的照明效果。

为了解决这一问题，可以考虑将DLP系统与远程激光光源进行结合。

➤ 远程激光光源是将激光与光纤技术进行结合，将多组激光光源集中到一根光纤中，通过光纤来对DLP芯片进行照射，从而在极小的面积上提供足够多的光照。

与此同时，在激光光源的使用上，还可以考虑使用RGB的激光光源来实现更加丰富的照明效果，RGB光源经过光纤之后可以实现均匀的混光效果。

还需要指出的是：

• DLP芯片极小的面积也意味着其不能像LCD面板一样分成几个部分来照明，在调光的过程中光线只能被引入光学陷阱中而不能关闭一部分的光源，因此其光效偏低。

• 另一方面，DLP芯片可实现的角度也较小，因此相应得到进一步应用还需要更复杂的光学结构和更紧密的封装。而DMD芯片的散热问题也同样不容忽视。

除了上述系统，激光扫描技术也是HD前照灯所考虑采用的技术，

该结构包含一个激光光源来提供照明，MEMS扫描反射镜设备用于控制激光在两个维度上的扫描，

扫描光线被收集后照射到荧光粉上通过激发产生白光，之后通过透镜来进行进一步的配光。

荧光粉部分的分辨率为400*160，而整个系统可实现的帧率达到了240Hz，因此即使在高速行驶状态下也不会产生频闪的感觉。

目前，iLaS计划中的激光扫描技术可以实现水平方向12°的角度和垂直方向3°的角度，

为了实现更宽的角度，通常采用六个模组进行组合。

但激光扫描系统的均匀性仍需进一步提高，通过模糊的方法可以有效改善均匀性，但是这会在一定程度上影响分辨率。

新功能

对于HD前照灯系统，其对于汽车照明的意义主要存在于三个方面：

1. 对已有功能的改善，

2. 实现更多辅助性的照明方案，

3. 实现与其他道路使用者的通信。

➤ 首先对于已有的功能，在传统的近光灯和远光灯的基础上，普通的ADB系统已经实现了防眩光，

而84LED系统还实现了城市灯光、乡村灯光等一系列功能，HD前照灯基本上是对这些功能的优化。

在截止线上，84LED的前照灯系统由于只有三排LED，因此在截止线上只能实现阶跃式的变化，而随着精度的提高，可以实现由低到高的平滑过渡。

Figure6 HD前照灯截止线改善

➤ 而在防眩光功能上，之前的84LED前照灯采取的策略是将一整个区域的光全部去除，由此引发的问题是在这一列上可能会存在需要被照明的目标没有得到照明，

而对于HD系统来说，其可以实现仅仅将车辆的部分去除而不影响其他区域的照明。

Figure7 HD前照灯GAP垂直方向改善

另一方面，由于水平分辨率有限，普通的ADB系统往往会把车辆左右两侧一定宽度的区域的照明同时去除，随着分辨率的提高，

由此而引发的将不该去除的光去除的问题会被降低。

并且系统还可以根据直线与弯道的情况选择在车辆两边是否增加或降低照明的亮度来降低事故的风险。

Figure8 84pixel与288pixel水平gap对比

Figure9 直线与弯道gap对比

➤ 而对于新功能，由于HD系统具有较高的分辨率，因此其可以在路面上投影相应的图案从而向驾驶者传递部分信息。其中包括：

1. 在路面上显示车辆宽度信息，其中需要考虑多个因素，适应性，即结合车辆的速度、行进角度以及偏航率，

2. 在路面上投射出相应的信息：

• 参考位置，即从关键距离开始显示车宽信息；

• 长度，即投射的车宽信息延伸的长度；

• 宽度，即光条纹的宽度；

• 速度，即针对车辆的动态变化改变光条纹的相应速度。

而根据相关研究，显示这样一个区域将增加驾驶者关注该区域的次数，但注视时间相应降低。

Figure10 车辆宽度显示

在路面上显示引导路径，根据调查，对于驾驶者来说，在夜间驾驶比在白天驾驶更容易引起不安，而当路面上没有车道线时，这一不安会加剧。

因此，在道路上不存在车道线时，通过灯光来照射出一条引导前进的路径将有助于提升驾驶者的舒适性。

Figure11 引导线显示

与此同时，HD前照灯还可以根据需要，在路面上显示导航、车速等信息，减少驾驶者关注车内仪表盘的次数，提升安全性。

Figure12 导航信息显示

在与道路其他使用者的通信方面，一个典型应用是在道路上投射斑马线从而实现和行人之间的通信。

Figure13 斑马线显示

而HD前照灯的相关技术同样可以应用于信号灯和尾灯上，通过不同的图案来实现不同的功能，例如危险警示以及广告效果等。

Figure14 HD信号灯、尾灯技术

与此同时，车辆的内部照明中，也可以应用HD技术，例如阅读灯，通过HD技术改善光分布，使得各个位置上的使用者在使用的过程中不至于影响其他人。

总结

综上，HD前照灯技术，包括uAFS技术、LCD技术、DMD技术以及激光扫描技术都有了极大的提升，

而相应的HD前照灯系统相对于已有的ADB系统在性能上有了极大的提升，

因此可以对已有的光型进行优化，并且在此基础上实现众多新的功能，其与道路上其他使用者的通信也为自动驾驶的发展奠定了基础。

而HD技术在信号灯、尾灯以及内部照明的应用，也将进一步改善驾驶者的驾驶体验。

本文来自复旦大学电光源研究所林燕丹教授课题组

希望在IFAL组委会以及广大中国汽车照明的同行的共同努力下

IFAL能更上一层楼。