在整個科技界向自動駕駛車(Robocar)大躍進之際,提出如何為人類駕駛設計更好的汽車頭燈,似乎有點不合時宜。畢竟,自動駕駛車的烏托邦是這樣的未來:無論誰坐在車內,他/她都無需瞻前顧後,就能安全抵達目的地。

然而,最近幾乎有一半的交通致命事故都發生在夜間。當我們等待像動畫片《傑森一家》(The Jetsons)描繪的科技烏托邦誕生之際,提高在黑暗中行駛的道路能見度,可能是個不錯的主意,尤其是現在。

歐洲和日本的汽車廠商、一線供應商和光源技術供應商已經開始湧入新興的自適應頭燈(Adaptive Driving Beam;ADB)市場。

總部位於荷蘭的LED照明公司Lumileds最近在接受《EETimes》的採訪時解釋,當車載攝影機感應到迎面駛/走來的車輛或行人時,ADB能自動調節燈光,將車燈內的各個LED調暗或使光束向下和橫向移動。

「你可以一直開著遠光燈,以提供最佳照度,」而ADB會自動調節光束使其照不到對向駛來的駕駛,Lumileds汽車LED全球策略行銷資深總監Dirk Vanderhaeghen表示:「我們正著眼於為了安全而設計的照明。」

Vanderhaeghen表示,歐洲的ADB陣營不僅有奧迪(Audi)和賓士(Mercedes-Benz)等高級車供應商,歐寶(Opel)、標緻(Peugeot)和雪鐵龍(Citroen)等小型車也即將推出ADB。日本的豐田(Toyota)也是ADB的重要推手。他補充說:「現在,我們甚至收到了來自中國的ADB報價請求。」。

20180104_ADB_NT31P1 圖1:矩陣式頭燈會自迴避掉迎面駛近的車輛,同時保留照在對向兩車之間的遠光燈,以及分別照在每輛車的左右兩側(來源:Hella)

Driving Vision News執行長Hector Fratty(同時還是巴黎的一位車用照明技術和市場研究專家)在接受《EETimes》的採訪時稱,ADB是「車用照明領域最大的創新」。儘管配備ADB的汽車目前僅佔全球車用市場1%的比重,但預計到2025年時將成長至15%。

奇怪的是,ADB對於美國的大多數駕駛來說還很神秘。因為美國聯邦機動車安全標準局(FMVSS)要求獨立的遠光和近光燈設置,因此,ADB在美國是被禁止的。

Lumileds等技術供應商希望這種情況會很快發生改變。

ADB目前正接受美國國家高速公路交通安全管理局(NHTSA)的評估,有些供應商預計美國在2018年或最遲於2020年「放行」ADB。

為什麼現在推ADB?

汽車「頭燈」技術也許聽起來比較「古老」,但其實如果沒有近來的先進駕駛輔助系統(ADAS)迅速走紅,ADB就不會出現。

Vision Systems Intelligence (VSI)創辦人兼首席顧問Phil Magney說:「我的確對自適應頭燈系統感興趣,儘管它與自動駕駛並沒有直接關係。有趣的是,ADB需要的資源與安全系統的需求相同,尤其是前置攝影機。」

在去年由汽車工程師協會(SAE)發佈的《ADB的測試程序、性能要求和設計指南》(Test procedures, performance requirements, and design guidelines for ADB)報告中,SAE總結道:

「車輛技術的最新進展已經實現了對道路照明的主動控制,使其能夠根據車輛和/或其周圍的輸入,將部份光束調暗或關閉。這與用於車道偏離警示、自動遠光燈啟動和其它功能的技術進步結合起來,使得夜間在辨識和定位其它車輛的道路使用者成為可能,並且主動限制可能對這些車輛道路使用者帶來不適的眩光。」

在被問及ADB需要哪些技術時,Magney說:「這些系統採用相當複雜的演算法來做出有關的照明決策。你還需要一款功能強大的電子控制單元(ECU)來執行演算法以及進行計算。同時也需要不同的資料傳輸線纜,這主要取決於攝影機的用途。」

主要的廠商與技術創新

根據Fratty的說法,ADB市場大約有10家主要參與廠商。其中包括四大汽車照明供應商Hella(德國Lippstadt)、Koito Manufacturing (東京)、Valeo (巴黎)和Automotive Lighting (德國Reutlingen)。

Fratty說:「ADB非常重要,許多二線供應商和照明技術供應商正在努力提高其方案競爭力」。他補充說,從機械遮罩、LED矩陣光束、數位微鏡元件(DMD)、LCD、μAFS和雷射掃描開始,用於ADB的照明光源技術正迅速發展中。

據Vanderhaeghen介紹,在提高精確度方面,照明供應商已經增加了矩陣LED所使用的畫素行數和列數(每個畫素等於一個LED)。他說:「我們現在有一系列解決方案,從20個LED矩陣到84個LED矩陣都有。例如日前在美國加州AutoMobility LA展會上推出的Mercedes 2018 C-Class轎跑車,配備了採用Lumileds LUXEON Neo解決方案的84個LED矩陣模組。

為了提供更高亮度,有些工程師正探索DMD,它可點亮和關閉其上的1百萬個畫素。Vanderhaeghen說,DMD帶來的畫素提升,還促進了新應用的發展。他指出:「它可以辨識路上的障礙物,甚至還能讀取號誌與路標。」

20180104_ADB_NT31P2 圖2:Audi在其Matrix矩陣雷射頭燈中使用了DMD。藉助於靜電場,每個單獨的微鏡每秒鐘可偏轉5,000次,根據各微鏡的設置將光投射到道路(來源:Audi)

據Fratty介紹,用於ADB的其它新技術還包括微自適應前照系統(μAFS)。

德國聯邦教育和研究部支持的μAFS計劃是由歐司朗(Osram)、戴姆勒(Daimler)、Fraunhofer、Hella和英飛凌科技(Infineon)共同合作開發的創新型LED晶片,能「將ADB帶入新層面」。新的LED晶片包含1,024個可單獨控制的畫素。

根據該德國研究聯盟,「在目前市場上的自適應頭燈中,若干LED元件被並排以及彼此堆疊其上地安裝在頭燈中。還需要附加其他電子元件,用於開啟和關閉各燈光段(segment)。由於頭燈的空間有限,所以燈光段數也受到限制。」該聯盟說,藉由使用在μAFS計劃下開發的新方法,「LED的電子啟動現在整合於晶片中,從而實現了更高的解析度,同時也滿足了有限的空間要求。」

一年後,歐司朗根據μAFS計劃完成了第一款混合LED原型,稱為Eviyos。歐司朗將其形容為「朝向第一款市場就緒的智慧可控制高解析度LED邁進了一大步」。

今年9月下旬,歐司朗專業照明公司(Osram Specialty Lighting)在一款展品中整合了該原型LED,並在德國舉辦的國際汽車照明研討會(ISAL)展示該技術。

20180104_ADB_NT31P3 圖3:歐司朗根據μAFS研究計劃開發出首款混合LED——Eviyos。該原型結合發光晶片和單畫素控制電子技術於單一元件中,可作為ADB的理想選擇(來源:Osram)

歐司朗的一位發言人表示:「許多照明製造商已經表現出對於Eviyos的興趣,同時考察該技術與其它技術,以滿足未來ADB的需求。」不過,她並不願討論有關商用發佈計畫的進一步細節。

此外,雷射掃描正在開發中,進一步實現快速從左到右、由上而下地掃描、開啟和關閉。

而當被問到每項新技術的時間表時,Vanderhaeghen預測,用於提高解析度和針對高階ADB的原型(如DMD)預計在2019年前後出現。他認為雷射掃描的問世不用等到2021年。同時,他認為LED矩陣很可能作為一種主流技術,佔率ADB市場的最大比重。

Fratty認為,雖然光源技術很重要,但價值在於ADB模組。Fratty表示:「附加價值就在於組合在模組內的電路和驅動器。」歐司朗、Lumileds和Everlight等公司正積極展開競爭中。

美國為什麼禁用?

那麼,為什麼ADB在美國被禁用呢?

Magney解釋,美國FMVSS [法規] 108「不允許使用『自適應頭燈』系統,但允許目前在豪華車很常見的『遠光燈切換系統』(beam switching systems,通常稱為adaptive headlamp)。」

相較於遠光燈切換系統,自適應頭燈系統將會調整光束,以遮蔽保護迎面駛來的車輛,同時照亮道路的其餘部份。相反地,「遠光燈切換系統將會在近光和遠光之間動態切換,並將阻斷照明區域內的某些區段。」Magney解釋說:「這兩種系統都需要使用能夠讀取和分類對向車輛的前置攝影機。」

那麼,為什麼美國的監管機構花了很長時間才接受ADB?Magney說:「很大的阻力來自於特定的獨立遠光和近光燈的表述語言。安全性、測試和相容性也是據此而來的。」

雖然美國聯邦機構還沒有明確規定,但Magney指出,「在不久的將來就會更新FMVSS 108。」

另一方面,Fratty懷疑歐洲-美國之間的落差可能源於「商業政治」。歐洲在汽車照明市場有好幾家大廠,而美國則落後於日本和歐洲。

照明影響車輛結構

如同Magney所指出的,ADB與車輛安全特性有著錯綜複雜的關聯,在某種意義上十分有趣。Vanderhaeghen坦言,為了使ADB搭配使用車載攝影機,二者必須密切配合。ADB中的LED需要根據攝影機處理的影像進行開啟和關閉。他說:「資料一旦經編碼和辨識,就必須發送到頭燈系統,例如經由CAN匯流排,以便將其轉換為在LED矩陣上開啟和關閉的動作。」

20180104_ADB_NT31P4 圖4:使用LED矩陣技術的ADB頭燈如何運作?(來源:Lumileds)

Magney同意這個看法。他指出:「如果沒有前置攝影機和一些智慧功能,你就無法使用自適應頭燈。如果在攝影機模組中完成處理,那麼就可以透過CAN匯流排發送控制訊號,而不至於出現任何問題。」

但是,如果攝影機必須關照許多事,例如特斯拉(Tesla)車內的系統,「你就必須要有一條高通量的電纜,將攝影機連接到處理域。」Magney列舉了Gigabit多媒體序列鏈路(GMSL)、FPD-Link和GB乙太網路(Ethernet)等選項。

那麼,如果光達(LiDar)和車頭燈整合在一起,對於ADB來說有什麼優勢?或者,我們是否不久就會看到視覺/頭燈系統的整合?

Magney說:「頭燈模組是放置感測器的好地方,因為它們受到較好的保護並能保持清潔,而且靠近支援電子。」

至於把頭燈變成一個巨大的光達,他強調「這可能是近期的一個長遠目標。」另一方面,他補充道:「如果車輛是沒有駕駛的自動駕駛車,那麼你就不需要所有的照明......在那個時候,雷射頭燈在本質上就是光達發射器。」

(參考原文:Rise of Adaptive Driving Beam,by Junko Yoshida)