汽車尾部信號燈具光學實現方式概述

陶孫文，陳 芳，金立軍，鄭志軍，王坤陽

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201800）

1 前言

汽車尾部燈具按其功能主要分為照明燈具和信號燈具兩類，信號燈具對車輛行駛安全性至關重要。隨著當前市面上車輛造型的加速迭代，車燈作為展現車輛造型個性化特征的重要組成部件，近年來汽車尾部信號燈具在產品、標準和技術等方面都有巨大的進步，其中最重要的創新是光源由鹵素燈泡到LED（發光二極管）的變革。目前尾部信號燈具的主流設計趨向采用LED光源，考慮到尾部信號燈具本身特性、激光光源和OLED的自身屬性及市場價格等情況，短期內激光光源和OLED光源或不會普及至車輛尾部信號燈具的使用中。當下，尾部信號燈具的創新將主要集中在基于LED光源的光學實現方式上。本文闡釋了部分當前業內較新的光學實現方式，并展望了未來新型的尾部信號燈具光學實現方式。

2 新光學實現方式

闡釋部分當前行業較新的光學實現方式，對信號燈來說，其基礎理念仍是在滿足相關配光法規的前提下，盡可能地做得更加美觀、更加個性化。從各類光學實現方式來說，高成本及設計難度是導致其未大面積普及的兩個主要因素，此外，部分廠家對其設計的專利保護也是后來者需考慮的方面。

2.1 隧道效果信號燈

最早出現在雪鐵龍品牌C4畢加索等量產車型的“隧道”視覺制動燈，如圖1a所示，環狀發光區域一直往燈具深處延伸，猶如隧道。近年利用“隧道”原理設計尾部信號燈的車輛逐漸增多，其大致原理如圖1b所示，其主要光學元器件有光源、帶透光區域的反射鏡、半透半反屏以及外配光鏡等，光源采用LED或燈泡皆較為常見，光線通過反射鏡的透光區域第1次打到半透半反屏，一部分透過半透半反屏形成“隧道”的第一環，剩余部分反射回反射鏡，因反射鏡具有一定的弧度，該部分光線經一定角度偏轉后第2次打到半透半反屏，依次循環，形成若干“隧道”環，直至人眼不可分辨的“深度”。實際在應用中，通過控制反射鏡

圖1 隧道信號燈實例及結構原理

的弧度來控制各環的間距，又通過控制半透半反屏的透過率與反射率的大小來控制可視環的數量及亮度。

2.2 星辰效果信號燈

當前如Mercedes Benz的一些中高端車型上使用星辰視覺效果的尾部燈具，其主要特征是該信號燈具發出較大波長的紅光，搭配不規則布置的金屬質感亮點，在一定的人眼炫光條件下，造就獨特的觀感，如圖2所示。其主要光學原理為：采用自由曲面反光碗做基面，對反光碗上的反射單元進行細化并對所有反射單元在角度、面積、形狀等做全隨機性設計。此光學實現方式的難點在于反射單元的全隨機性設計，且需滿足相關的配光法規。

圖2 星辰信號燈效果

2.3 水晶光幕效果信號燈

近年市面開始出現一些車型上使用水晶光幕效果的位置燈，其主要設計特點是有較大面積的光幕區域，根據設計需求調整亮度和造型，但能夠較好地控制光源的成本，并營造出通透、錯落的3D效果。其一般采用PC等透明材料作導光器件，將光源（如LED）的一部分光線傳導至預留的且帶一定光線設計的通透區域，進而點亮該區域。一般來說，因水晶光幕信號燈的設計特殊性，故一般將此類光學實現方式作為位置燈的一部分，不用來應對光學配光之需求，僅作裝飾。如圖3所示，某德系車型尾部信號燈使用的水晶光幕效果位置燈，其光幕區域亮度較低，作為原位置燈造型（前面亮度較高的連貫區域）的拓展區域，可在幾乎不增加光源成本的前提下實現。

圖3 水晶光幕信號燈效果

2.4 OLED光源信號燈

早在2015年，寶馬量產M4 GTS就使用OLED（Organic Light-Emitting Diode有機發光二極管）尾燈，次年奧迪也發布了使用OLED尾燈的量產車型TT RS，如圖4所示。OLED是指有機半導體材料在電場驅動下，通過載流子注入和復合導致發光的現象，其主要包括基板、透明電極、有機發光層等，總厚度小于500nm，不同于LED光源的應用方式，OLED作為一種面光源，其發光面即可作為信號燈視表面進行設計，因其具有廣視角、幾乎無窮高的對比度、較低耗電、極高反應速度等優點，且可使用塑性基材，即原則上可做出各種所需的空間曲面，給汽車信號燈提供較大的設計空間。當前OLED技術日趨成熟，開始從中高端車型切入市場，而不得不提的是，其高低溫性能差，較難應對一些極端惡劣環境下車輛使用工況，可能導致壽命大大縮短。

圖4 OLED在TT RS車型的應用

2.5 類面光源信號燈

受制于OLED的高成本，一類新型的光學實現方式便是使用傳統技術制作出類面光源的效果，在一定程度上其點亮外觀與OLED面光源非常相似，且環境適應性與傳統燈具相當。如圖5所示，VW品牌車輛的一種類面光源信號燈具的實現方式，其結構上一般分為LED光源模塊、支架和導光片3部分，光源模塊經過設計合理排布在PCB（印刷電路板）上，由LED發出的光線垂直向上沿導光片延伸方向傳導到導光片內，經特制的導光片將光線方向改變至導光片厚度方向，點亮整個導光片。因其光學實現方式外觀均勻性好，而對光線的利用率較低、受制于光源空間上的布置及熱量分布，因此其整體亮度維持在一個較低的水平，故常用于尾部信號燈中的位置燈。

圖5 一種類面光源信號燈

3 光學實現方式展望

結合行業特點及當下科技的發展情況，對未來可能在汽車尾部信號燈具出現的光學實現方式進行展望，分析其特點和普及可能性。

3.1 LED顯示屏信號燈

區別于LED做背光的LED液晶顯示屏，LED顯示屏是指以單顆LED發光作為單個像素點的顯示屏，采用大規模集成電路的方式，將大量LED陣列排布并實現單個顏色控制，進而實現畫面輸出。當前LED顯示屏已廣泛應用于大型廣場、體育場館等，因其較大的發光強度、色彩清晰和立體感強等優點，將之應用于車輛尾部信號燈具，在滿足車輛燈具相關標準的同時，可獲得極具個性化且可用戶自定義的信號顯示效果。現已有相關企業研究人員嘗試將其改良欲使之達到車規級的使用標準，但由于極端耐候、抗振等性能尚不足，LED較大的顆粒感使顯示點距較大等原因，故實現量產仍需一定時間。

3.2 激光光源信號燈

自2011年奔馳公司宣布了對激光前照燈的研究，隨后2014年寶馬公司發布了首款搭載激光前照燈的量產車型i 8，表明繼LED前照燈之后，激光前照燈的問世，是未來車燈發展“合理的下一步”。激光光源有發光強度高、體積小、發熱少、出光準直性好等主要特性，未來在尾部信號燈具中，對激光光源的使用亦將圍繞這些特性展開。

利用激光光源光強、準直性好的特點，未來可以將位置燈、制動燈、霧燈3個同顏色的燈設計為復合燈具，采用同一光源，采用光傳導器件 （如透明厚壁件、柔性光纖等），將光線傳遞到不同功能燈的透表面，并增加各功能單獨啟閉設計，形成各功能的獨立使用。借助光傳導器件，可以實現單側移動部件及非移動部件間的共光源，甚至實現左右側燈具的共光源，此外，光源的布置可不拘泥于在透光面較近的位置，可將光源置于車身內部任一位置。

3.3 全息投影信號燈

全息投影技術是虛擬成像技術的一種，利用衍射和干涉原理記錄和再現物體三維圖像的技術。其記錄過程原理如圖6a所示，光源發出的激光，在打到半透半反膜G上一分為二，再分別經過反射和透鏡擴散，一部分打到物體后反射至全息底片H，另一部分作為參考光投射到全息底片，兩部分光經疊加干涉將物體光波信息記錄至全息底片H。其再現過程如圖6b所示，全息底片H通過多次曝光還可以在同一張底片上記錄多個不同的圖像，而后在相干激光照射下，一張線性記錄的正弦型全息圖的衍射光波一般可給出原始象和共軛象，再將所有圖像互不干擾地顯示出來便成了全息影像。全息投影色彩鮮艷，對比度、清晰度高，具有很強的空間透視感。

圖6 全息投影原理

3.4 非接觸懸浮立體光源信號燈

當前非接觸電能傳輸技術已較為成熟穩定地實現近距離傳輸電能，利用電磁感應原理，將兩個線圈放置于臨近位置，在一個線圈中產生電流波動時，其產生的磁通量作為媒介，致使另一線圈中產生電動勢，如手機的無線充電。在增加無線傳輸距離下研究目標中，利用電磁波能量可以通過天線發送和接收的原理（即微波輸能），理論上未來微波輸能可實現定向高效的電能傳輸，在此基礎上，造型設計訴求較高的汽車尾部信號燈具將可使用懸浮立體式光源，設計布局不受電路布線的約束，預計可更好地實現造型設計上的 “天馬行空”。

4 結論

總的來說，未來汽車尾部信號燈具將在造型、光源、功能等3個方面實現突破。從外觀造型方面來看，隨著國內新能源汽車的快速發展及一眾新能源汽車品牌的興起，更加智能化、個性化的造型被設計出來，尾部信號燈具作為車輛尾部造型的點睛之筆，其外觀上將會朝著更加美觀、更加具科技感和更有辨識度的方向發展；光源發展興替方面，技術的發展引領光源的突破，當前LED對燈泡光源的替換，亦可預見未來可能在LED光源不斷普及的基礎上，激光光源及OLED面光源將不斷實現技術突破，實用性不斷提高的同時成本不斷降低，帶給尾部信號燈具超過LED光源更好的光學效果及設計自由度；從功能設計方面來說，新的技術發展如LED顯示屏在尾部信號燈具的使用，跨界技術在汽車領域的轉變應用，如全息投影技術在尾部信號燈具上的應用潛力，都可能是未來尾部信號燈具在功能設計上的從無到有。