光的背后

王鐵城

車燈誕生之初的作用，就是為了解決黑夜中行車安全性問題，可是這個和行車安全最直接相關的部件最初卻被人們忽視了。隨著工業技術的發展，車燈終于和汽車的其他部件一樣成為車身上不可分割的一部分。車燈的演化過程是工業技術發展的一個直接體現，從最初的煤油燈到今天的激光大燈，人們逐漸賦予車燈更多的東西，有科技性、有安全性、還有設計美學，車身上的每一道光都變得越來越不簡單。

自從1886年Karl Benz把汽油機裝在了三輪車上使其成為了世界上第一輛汽車之后，一百多年來，作為工業化時代和信息化時代的雙重寵兒——汽車，一直日新月異般地飛速發展。它改變了人類的出行，同時也改變了人類的生活方式。作為汽車技術更新換代的尖兵，汽車燈具，不僅是汽車整體造型的點睛之筆，在保障駕駛員及其他道路使用者的安全與舒適性上，更是起到了關鍵性的作用。

在汽車剛剛發明的時候，制造者和使用者并沒有考慮車燈的事情，而只是想著怎樣才能讓車子更快，當時定義的“快”，就是裝上發動機后，四輪馬車能夠以18km/h的速度“令人窒息”般地狂奔。

燃料照明時代

據說在1887年，也就是汽車被認為發明的第二年，有位駕駛員在曠野上開車迷路，一位農民兄弟用手提燈把他指引回家。事件真實與否現在已經無從考證，但是確實直到那時，人們才想起，原來車燈真的還挺重要的。起初，人們僅僅是使用煤油燈放在車前引路，雖然發出的光實在照不了多遠，但是好在當時的車速并不快，所以事故率其實沒有那么顯眼。隨著汽車數量的增多以及車速的提升，人們對夜間照明的光線強度有了更進一步的需求。1779年，克魯平發明拋物面的反光條，也就是現在反射鏡的雛形，放在了煤油燈的后方，形成了具有聚光能力的汽車前照燈。盡管現在看起來有點兒簡陋得難以接受，但是在當時那個時代，這種方式改變了燈具的基本結構，使它向著專業車燈的方向發展，而不再是兼顧車用與家用。

盡管1879年時就已經發明了白熾燈，但是在汽車前照燈上，還是煤油燈一統天下的局面。這是因為當時真空白熾燈的燈絲還是用碳絲做的，脆弱的燈絲無法承受一路的顛簸，所以難以應用到汽車上。到了1905年，乙炔燈開始用作車燈光源，那時的乙炔燈亮度比電燈要高上一倍。乙炔燈的燈室內部并沒有存儲乙炔氣體，而是利用碳化鈣和水進行化學反應產生的。在行車過程中，晃動的燈體正好為產生乙炔提供了便利條件。當時乙炔燈的照明能力比白熾燈要強不少，不過就算是乙炔充足的情況下，也只能照到前方的20m，而且一旦停下車來，由于化學反應減緩，乙炔氣體減少，車燈也會逐漸地變暗，再加上這種燃燒型的燈具無法安裝燈罩，遇到刮風下雨的惡劣天氣更是難以使用，所以使用乙炔燈也算是一種無奈之舉，終究會被電燈所取代。不過作為當時僅有的還算穩定的光源，乙炔燈一直沿用到1925年前后。

白熾燈時代

不過電燈取代乙炔燈也不是一蹴而就的，20世紀初的科學變革速度遠不如現在。1912年發明了用來啟動發電機的電起動機，這就要求必須安裝蓄電池，從而在客觀上為汽車采用電光源創造了條件。不過當時的汽車電器設備并非必備，而只是根據用戶要求提供的選裝設備。1913年發明了螺旋鎢絲做發光體的充惰性氣體的白熾燈泡，發光效率比碳絲時期提高了十幾倍。但是當時大多數的車還都處于使用手搖柄啟動發動機，所以乙炔燈還是占市場的主體。

直到20世紀20年代，可以說白熾燈經歷了將近50年的技術努力，才終于能夠應用到了汽車上，成為主流。有趣的是，電燈最初主要的應用并不是在汽油車而是在電動車上。雖然原理上與現在風頭正勁的電動車類似，但是那個年代的電動車還是以鉛酸蓄電池作為動力來源。雖然驅動效率很低，但是比起汽油車的噪聲和味道，電動車在20世紀初大受“土豪”們的青睞。

隨著汽車工業的發展，越來越多的人擁有了汽車，夜晚開車的人也多了起來。當時白熾燈并沒有遠近光之分，因此很容易引起其他道路使用者的眩目，造成事故率的上升。如何做好照明能力與控制眩目之間的平衡，即使在今天，也是一個重要的課題與難點。直到1924年，Osram發明了雙燈絲燈泡，即在一個燈泡內部有兩根燈絲，其中一根燈絲的旁邊附帶了一個小小的碗狀遮擋，擋住了一部分光線出射，在照明區域內造出了一個暗區，用來避免引起對面車道來車駕駛員眩目，同時在其他的區域實現照明，這就是近光燈。不使用遮擋物的那根燈絲則作為遠光功能使用，目的則是更好地照亮前方。這種雙燈絲的燈泡直接解決了遠近光的問題，因此使得汽車燈光告別了燃料，進入了電的時代。不過這種雙絲燈泡開始由于技術與成本的限制，并不是馬上就大規模地普及，而是只有像奔馳SSK這樣的高端車型才能夠使用，成為了車燈中的奢侈品。而直到1925年，電器設備系統才成為每輛汽車的必備。

鹵鎢燈時代

鹵鎢燈在20世紀50年代末被發明出來之后，很快地應用到汽車前照燈上。初期的燈泡長時間使用會發黑，在改進后，將燈泡內充入氯和碘，明顯改善了鹵鎢燈的性能。即便到了今天，鹵鎢燈也還在被大量使用。1965年，海拉H1系列鹵鎢燈誕生，而H4系列則在1971年第一次應用在了奔馳350SL上。即便是現在，在某些車型上，也依然使用著這種類型燈泡，以12V系統為例，具有55W和60W兩根燈絲，分別作為產生近光和遠光光束使用。而Philips和Osram作為兩大光源廠商，除了新型光源的開發之外，也投入了不少精力繼續研究高品質的鹵鎢燈光源，成為了企業低成本的光源解決方案，但是效果并不差。1983年，海拉的投射式前照燈再次變革了車燈技術。即利用幻燈片機的原理，透過透鏡的投射，讓車燈結構更為緊湊，大大提升車燈照明的控制能力。加上計算機小型化時代的來臨，計算機輔助設計大大加快了車燈行業的變革進程，計算精度和速度大為提高，開始不斷地涌現新的產品設計。

氣體放電燈時代

1991年，氣體放電燈橫空出世，亮度為鹵鎢燈的兩倍，最先的應用是寶馬7系上。不過當時的氣體放電燈的技術并不成熟，像太陽一樣的車燈隨著汽車的顛簸給對向來車的駕駛員造成眩目，直到后來汽車前照燈自動水平裝置的配備才算比較好地解決了這個問題。

氣體放電燈英文全稱是High Intensity Discharge，縮寫是HID。它是由小型石英燈泡、變壓器和電子控制器構成。在接通電源后，2萬伏特以上的高壓脈沖瞬間加載在石英燈泡的金屬電極間，將燈泡內的氙氣、少量水銀蒸氣和金屬鹵化物在電弧中電離并發出強光。

1995年，歐洲法規批準使用氣體放電燈泡。1999年，奔馳裝配上了遠近光均為氙氣的前照燈。盡管這種新型燈泡成本較高，但是優勢也非常明顯。它具有更高的亮度、更長的壽命以及穩定性，同時也更加節能。隨著技術的不斷進步，氣體放電燈已經逐漸普及，不再僅僅是豪華車所專享。

在氙燈時代逐漸成熟的還有自適應前照明系統，（英文是Adaptive Front-lighting System，縮寫為AFS），在最初的階段，為了能夠實現預先在將要轉彎的方向上的照明，前照燈出現了彎道照明功能，通過旋轉光源模組或點亮輔助光源實現。由于彎道照明是自動實現的，很多人認為這就是AFS，實際上是一種誤讀。AFS最初的模型建立于20世紀60年代，但由于技術水平和工藝設計的限制，直到30多年以后，才逐步地實現產品化。AFS雖然叫自適應前照明系統，實際上只是包括近光，遠光的要求與普通遠光完全一致。AFS為了改善車燈難以對所有使用環境都具備良好照明效果的問題，提供了除去基礎光型之外的其他光型以適應變化的外部環境，通常被分為高速模式、鄉村模式和惡劣天氣模式這幾大類，在其下可以再細分若干小類，實現對外界環境更為精確的匹配。AFS最大的貢獻，我認為是將汽車的左、右前照燈進行了充分的融合，兩側的前照燈對照明的貢獻不再是簡單的重復，而是各司其職，通過各自旋轉不同的角度，以不同的貢獻率來實現多樣的照明效果。

LED時代

在氣體放電燈大行其道的同時，LED光源也在悄然興起。其實LED作為汽車上的光源，比氣體放電光源還要更早地應用到汽車上，不過大多數都是閱讀燈和儀表盤燈等邊邊角角的地方，但是想用做汽車前照燈的照明光源絕非易事。想要達到氣體放電光源的照明能力，需要LED燈組來實現，而這種組合則對裝配精度要求很高，要保證量產的精度，成本則提高了很多，其次，LED光源對熱敏感，溫度上來之后，光效會下降得非常厲害，因此如何做好散熱也是困擾了多年的難題。但是這些問題無法阻擋市場的熱情，LED光源屬于冷光源，耗電量要低于氣體放電光源，而且LED光源在恰當的電流電壓下，甚至能夠做到與車輛同壽命，另外LED光源還需要體積小、相應速度快、無須高壓裝置等氣體放電光源所不具備的優點。

2007年，雷克薩斯的頂級混動車LS600h和LS600hL成為了全球首次使用Nichia的全白光LED作為光源的量產車。隨后的2009年，奧迪的R8，成為了全球首臺全車使用LED光源的量產車。那年我算是入行不久，看到了R8的LED前照燈，精致的造型、強大的功能讓我愛不釋手的同時也在感嘆技術的飛躍，此時無論是外觀還是功能，都已經完全超越氣體放電燈，進入了一個嶄新的時代。

時間軸上技術革新的時間間隔，被大大地縮短了。近年來，從歐洲興起了矩陣式的LED前照燈。如奧迪新款A8，5組共25枚LED光源配合在一起，每顆LED光源都可以獨立控制點亮、關閉或者變暗，通過攝像頭等各類傳感設備，將采集的外界環境數據送至處理系統，每秒可以進行上百次的匹配計算，可以實現對前方區域的可變的精確的照明。從理論上講，這樣的矩陣式LED前照燈能夠擁有將近10億種照明形式，而僅僅通過電路控制每顆LED光源的明暗開閉即可，無須機械結構，使得故障率下降而使用壽命大大增加。

自然而然地，近3年興起的技術ADB，在矩陣式LED前照燈的基礎上應運而生了，全稱是Adaptive Driving Beam，縮寫為ADB。從字面上看是自適應遠光，實際上則是AFS的升級版本。我認為它最大的進步則是模糊了遠光燈和近光燈之間的界限。在郊區或者高速公路上行駛時，由于幾乎沒有其他的道路使用者或者相隔甚遠，LED前照燈就會以全功率模式開啟，盡量地提高照明能力，這時相當于之前的遠光功能。與此同時，汽車上裝配的攝像頭會不斷地監控車輛前方的狀況，一旦有對面車道駛來的車輛，或者前方有同向行駛的慢車，攝像頭就會把這種情況回傳至處理系統，經過計算后控制矩陣LED光源中的某一部分，使其關閉或變暗，將出射的光型制造出缺口，避讓開有車的區域，同時依然照亮沒有車的區域，直到會車或超車結束后，前照燈則會自動恢復為之前的狀態。此時不再有遠光燈和近光燈的刻意區分，而是基于實際的使用效果來調整照明狀態。

目前車燈的發展趨勢，不再是車燈本身的單純發展，而是結合了攝像系統、數據處理系統、傳感裝置等各類電子器件的系統，成為一個有機的整體提供服務。通過數據模型的建立完善，車輛可以精確識別路況、天氣等環境之外，還能辨別道路使用者是行人還是動物，并能分別采取不同的提醒方式。

激光LED時代

為了降低LED光源前照燈的結構復雜度，提高可靠性，LED光源的其中一個發展分支是向大功率LED光源靠攏，即用盡量少的光源模組來實現照明。目前已經有產品在使用單個模組實現遠光或近光的功能，與普通的前照燈的結構類似，降低了不少的成本。

在LED光源還未普及的時候，恐怕就會遭受被淘汰的風險。發光能力更強、能耗更低、占用空間更小、散熱更少的激光LED光源已經應用到了實車上，其中以寶馬公司的電動車i8最為有名。激光與普通光的最大區別就是準直性好，也就是能夠直接產生幾乎平行的光束，這種光束的形狀后處理的可塑性可以達到極致，激光從幾十年前已經開始了應用性研究，現在終于作為光源裝配到了汽車上。與普通的LED光源前照燈相比，產生同樣的照明效果，激光所需的能源和占用空間大幅縮減，提升了照明效率。雖然名字叫激光前照燈，但是并不是把激光光源直接裝配在了燈里，而是采用了激光產生的方式，因為真正的激光往往具有過于集中的能量，容易造成人類傷害和引起火災。如何完美處理好激光LED的安全性和耐用度，以及隨著技術發展帶來的成本降低，這都是激光LED能否普及的重要因素。很多人會擔心，激光會不會對人眼造成傷害，雖然用作車燈照明的激光已經減弱到完全安全的程度，但是要讓民眾接受還需要一個過程。即便如此，依然擋不住廠家對激光LED光源的熱情，寶馬和奧迪今年一直展開相關的競賽，都希望盡快解決問題實現量產。激光LED目前由于集中度高，通常先用于遠光，照明距離比普通LED光源要大一倍左右。我認為其實照得過遠實際上并沒有太多的意義，因為駕駛員坐在駕駛室里是以透視關系的視角來查看照明效果的，照射距離過遠，超過了人類的分辨能力，其實也沒有實際效果，卻會對其他的道路使用者產生困擾。激光前照燈的優點，重點在于出射光束可控性好、能耗低、占用體積更小，這也就很大程度上分別解決了結構簡化需求、散熱以及空間等問題。照射距離遠，算是一個額外的收獲，因為現在普通LED前照燈的照明距離已經很好了。

OLED時代

OLED，全稱是Organic Light-Emitting Diode，這項技術的創始人是美籍華人鄧青云教授。他在1987年和Vanslyke采用超薄膜技術，制成了雙層有機電致發光器件。1990年，他發現了以共軛高分子PPV為發光層的OLED，從此之后全球掀起了研究OLED的熱潮。

OLED具有自發光的特性，采用非常薄的有機材料涂層和玻璃基板，當電流通過時，有機材料就會發光，而不需要任何光源系統的支持，在體積上也會比傳統LED產品具有更大的優勢。OLED同時也是具有面發光特性，解決了可視角度問題，所以非常適合制作汽車尾燈。OLED技術的出現，讓汽車的尾燈設計可以更加地多樣化，因為發光體的厚度僅有1.4毫米，未來甚至可能會做到像貼紙一樣而不占用后備箱的空間。在未來追求更炫更酷的汽車造型時，OLED可謂是功不可沒。

從汽車發明的那天起，車燈的發展從未停止過腳步。如今的車燈技術，甚至看上去宛若天外來客般的驚艷，大有趕超時代發展之勢。計算機輔助設計、材料科學、工業設計、制造工藝水平、新型光源應用、系統集成化發展等諸多方面，都會給汽車燈具的進步加油助力。隨著發展的腳步越來越快，想要預測幾年后的燈具發展甚至都會成為一個很唐突可笑的事情。想想當年金貴的原子筆（現在俗稱“圓珠筆”），龐大昂貴的原始激光器，以及占了整間屋子的初級計算機，現在都化身成了小小的物件跳躍掌中，進入到千家萬戶。可以想象，不論是激光前照燈，還是OLED，或者是以后發明出更好的新技術新產品，都會隨著技術的發展進步而逐步裝配到汽車上，點亮前行的路。