汽车行业创新:智能前照灯照亮道路

汽车正变得越来越智能，各种一体化相机和传感系统现在可以帮助您安全倒车、停车、避免碰撞、提醒您留在所处的车道中、注意盲区的车辆、在夜间补充您的视力以及实现许多其他功能。具备这些功能的高级驾驶辅助系统（ADAS）通常使用嵌入式视觉、雷达和/或基于激光雷达的技术来持续监控车辆外部环境。

另一项汽车技术的进步体现在支持互联网，这些车辆拥有各种物联网（IoT）内置功能，包括连接到智能手机、导航、识别发动机中的预防性维护问题等。此外，汽车/设备制造商和美国交通部（DOT）也正在共同努力开发一种先进的“互联汽车”系统。

在一系列潜在应用中，互联汽车系统将使您的汽车能够与道路上的其他车辆交换信息。举例来说，如果另一辆汽车在您将要驶过的十字路口闯红灯，或者有车辆在视线不良的转弯处快速驶来，您将会收到警报。

形象化互联汽车、公交车和卡车的未来。该技术将使车辆能够通过内置或配件设备相互“交谈”，持续共享重要的安全性和移动性信息。 (图片：美国交通部¹)

聚焦前照灯

前照灯也正变得越来越智能。前照灯是一种“任务关键型”的安全装置，特别是在夜间或恶劣天气条件下驾驶时。出于此原因，它们必须满足苛刻的性能要求，并且必须符合严格的汽车和公路安全标准。

美国和加拿大在汽车前照灯的可见性、耐用性和可靠性方面遵循美国交通部的联邦标准。在其他国家和地区，业界普遍采用联合国欧洲经济委员会(ECE) 制定的标准。此外，美国汽车工程师学会 (SAE) 制定的国际标准也为全球各地提供了有关前照灯性能要求方面的指导。随着新型前照灯技术的出现，这些技术都必须取得上述一家或多家标准机构的认可。 

“自适应远光灯系统（ADB）”前照灯是目前已获准广泛使用的较新的前照灯技术之一。从本质上讲，ADB前照灯在默认情况下充当远光灯（提高驾驶员的能见度），但其具有自动调光功能，当传感器检测到有车辆迎面驶来时，该功能会自动降低远光灯特定方向部分的光线（以免影响其他驾驶员的视线）。如果车辆行驶速度超过35 mph时，传统近光灯并非帮助驾驶员及时停车以避免碰撞的最佳选择；² 远光灯可以照亮前方更远的道路，从而使驾驶员能够及时作出反应。

2018年底，美国国家公路交通安全管理局 (NHTSA) 决定允许在美国使用ADB前照灯，而在此之前其已获准在欧洲使用³ 。举例来说博世为其LED前照灯提供了“智能前照灯控制”功能，使用摄像机系统测量环境亮度，并估算汽车前方其他车辆的距离和前方交通情况。通过利用这些数据，该系统可以对光束的亮度和角度进行各种调节。

来自宝马5系汽车的自适应前照灯系统示意图。奥迪、奔驰、丰田及其他汽车制造商也提供此类型的照明系统。(图片© 宝马公司)

配备ADB的车辆使用电子传感器采集有关车速、转向和标高的信息，以使前照灯适应各种驾驶活动的需要。许多自适应前照灯系统还包括自调平功能，可根据汽车是向前还是向后倾斜（例如，在山坡上或发生颠簸时）来向上或向下调整光束的角度⁴。此外，光束可以成一定角度，例如，当驾驶员将方向盘向右旋转时，光束将向右弯曲，将光线聚焦在弯道周围。

继ADB技术面世之后，前照灯系统领域近期又取得了新的进步，其中一些现已面市，还有一些即将问世，包括：

• 来自卡耐基梅陇大学照明和成像 团队的研究人员开发了一种可编程的前照灯。他们使用空间光调制器、分束器、相机和处理器创建了一种低延时反应式视觉系统，该系统可以“在高速行驶时快速感知、反应和适应任何环境”⁵。这种可编程系统不仅可以控制远光灯（比如：ADB），还能够提高暴风雪期间的能见度，增强车道可见性，并及早发出障碍物警报。在雪天，该系统可不受雪花影响传输光线，以减少视觉上的干扰，这听上去很了不起。

可编程的前照灯模型可不受雪花影响传输光线，以提高可见性。如需查看此功能及卡耐基梅陇大学智能前照灯设计的其他功能，请访问：https://www.cs.cmu.edu/smartheadlight/.

• 位于台湾的Jasper Display公司一直致力于为电子显示器行业开发microLED，但他们也已将该技术应用于前照灯。他们开发了一种系统，该系统可将图像（比如方向或安全图标）投影到车辆前方的道路上。在某些方面，此概念类似于增强现实技术，但其是将信息投射到车辆外部的路面上，而非投影到挡风玻璃或车辆内部的平视显示器设备上。凭借高效率、使用寿命长和更佳的环境耐受性（举例来说，它们可以在-150°F至+ 250°F的温度范围内工作）等优点，MicroLED在前照灯应用方面具有明显优势⁶。
• 与此同时，欧司朗提供使用激光二极管的前照灯。这些前照灯包含三束蓝色激光，它们将光束发射到一组反光镜上，然后将能量聚焦到一个充填黄磷的透镜中。此透镜转而发射强烈的白光。不同于“原始”激光束，这些光束的反射光对于人眼是安全的。迄今为止，激光前照灯型号目前被用于宝马i8、宝马7系和奥迪R8 LMX。激光的优点在于它们的亮度几乎是LED的四倍，提供明亮的白光，并且发射距离比传统的黄色LED近光灯更远。

前照灯质量测试

前照灯是确保车辆安全操作的重要组件之一，汽车OEM制造商和组件制造商必须对前照灯进行严格的测试。此外，要满足严格的监管标准，还需要一致且可追踪的测试和测量结果。无论使用LED、卤素灯、microLED、激光还是其他照明技术，瑞淀的ProMetric®成像亮度计和色度计都可以对前照灯的性能进行精确的分析。

现代汽车前照灯组合包括多个组件，比如这个丰田4Runner XB LED前照灯总成中所示的组件：LED投影远光灯、双LED投影近光灯、白色LED停车灯（低强度）以及用于提供可选的（固态或连续）琥珀色转向信号灯和白色日间行车灯的LED灯带。(图片来源)

前照灯评估解决方案

如今的智能前照灯需要进行多种测量，以确保在任何环境下均能提供正确的照明。评估前照灯性能的有效且高效的方法是将光源投射到备好的平坦表面（墙壁或漫射器）上，成像色度计将通过单次测量采集照明分布数据。然后，制造商可以使用瑞淀的PM-HL™ 前照灯评估模块（专为前照灯评估设计）按照用户定义的一些标准对前灯总成进行分析。PM-HL模块的功能包括：

• 光源照度分布测量
• 评估ECE和SAE规定的测试点
• 评估自定义测试点
• 评估光束图形关闭梯度
• 可转换为发光强度分布
• 可转换为道路照明分布
• 数据分析功能，包括位图、isoplot图和横截面图

PM-HL软件界面，显示前照灯波束图形的测量图像。在上图中，在朗伯表面上测量前照灯波束图形的发光强度分布。在下图中，“进行道路照明测量”操作用于推断投影到道路上的相同前照灯光束。

完整的前照灯测试解决方案将PM-HL软件与ProMetric成像系统搭配使用，可测量光源的所有视觉质量。为了测量较小测试区域内（比如：实验室）的照明分布，PM-HL解决方案依赖于光源的近场分布。将前照灯安装在固定装置或测角仪上，而成像色度计则由自动化测量控制和分析软件驱动，可在所有视角下测量直接亮度或光照形态。然后可以使用PM-HL软件从近场数据中计算出远场发光强度分布。用户可针对任意距离计算照度分布，并与软件中的“道路照明图”叠加，以显示分布形状和大小。

2D等距图可用于显示“道路照明图”，在这里与PM-HL软件中的道路表示图叠加。

LED灯带和灯管

制造商还可以将ProMetric 成像色度计和ProMetric或TrueTest™ TrueTest™软件结合使用来直接测试前照灯总成中LED灯条和灯管。通过ProMetric系统采集的单个图像，制造商可以沿横截面或路径测量亮度和色度均匀性（适应所有形状），并检测阵列中的故障LED。瑞淀软件将配准来自单个图像的一个阵列中所有单独的LED，并使用动态ROI确定单个LED的位置，以报告每个LED的性能，包括亮度、色度及其他视觉质量。

点击链接，了解更多有关瑞淀PM-HL 前照灯评估模块的前照灯测量系统和软件功能的信息。

 

引用文献

1. 1. “什么是互联汽车以及我们为什么需要它们”，美国交通部（DOT），智能交通系统联合计划办公室，研究与技术助理秘书办公室。https://www.its.dot.gov/cv_basics/cv_basics_what.htm （检索日期：2020年3月10日)
2. Taub, E., “距离美国道路更近的智能前照灯”， 纽约时报，2018年11月21日。
3. León, B., “美国将允许在新车上安装更明亮且可自调光的前照灯”, 汽车互联, 2018年10月12日。
4. Grabianowski, E., “自适应前照灯的工作原理”, howstuffworks.com (检索日期：2020年3月13日)。
5. “可编程的汽车前照灯”, 卡耐基梅隆大学 照明和成像（检索日期：2020年3月12日）。
6. Hale, K., “MicroLED：小尺寸，大影响”，发表在德州理工大学Discoveries杂志上（检索日期：2020年3月13日）。