课题承担单位：东风汽车有限公司东风日产乘用车公司
近年来国际上各大车灯光源厂商（如日亚化学、欧司朗 、飞利浦等）都在激光光源上有所研究 ，从激光器效率 ，尺寸优化及安全性等方面实现了数次升级。截止2020年 ，已在车灯上应用的激光光源大体分为三种类型，包括第一型的多激光发生器结构，第二型的小型化激光光源总成 ，及第三型的带蓝光检测功能集成式激光光源。上述激光光源光学技术上已较为成熟，拥有比白光LED更高发光效率及更高亮度的光学优势，例如普通白光LED光强度约120cd/mm²，激光光源光强度可以达到其3~8倍。但由于总光通量仍未达到常规远近光的使用需求，以及光源内激光束可能存在的人眼伤害等隐患，目前为止基本只被用于辅助远光功能，即整车根据环境参数，并确认不对其他道路参与者造成影响 ，在基础远光上自动增加额外照明光束，以提高照明视野的功能。
如图1所示，近些年搭载激光辅助远光的量产车型数量在大幅度增加，车型从国际一线豪华品牌下延至国产品牌，与之对应的车型售价区间也在逐年下沉。经相关渠道了解到，国内外多家灯具厂商正在配合各主机厂进行新型激光大灯开发中，相信未来数年会有更多的车型级别及品牌会搭载激光大灯技术。
图1 截止2020已搭载激光光源部分量产车型
使用激光光源实现辅助远光功能的车辆，功能启动后1lx照明范围能瞬间提升至600m以上 ，数据上可为驾驶员夜间行车提供更远的视野及更多的预判时间，从而提高驾驶者的行车安全性及安心感 。而另一方面辅助远光光束也可能给其他道路参与者带来了眩目的行车安全问题，光源内部高功率激光束更带来人眼伤害隐患的潜在课题 。因此如何在利用激光光源带来的益处同时规避可能的负面影响，使得规范激光大灯的技术及使用要求 ，成了安全使用激光辅助远光的当务之急。但目前国内外法规对此项技术应用没有对应的标准条款，以国内来说激光大灯仍是借用GB 25991《汽车用LED前照灯》进行相关认证。
因此，希望通过该研究课题，结合前期对激光这类新型车灯光源的应用场景和技术标准研究，与国内道路交通实际的辅助远光功能的使用场景研究，定义激光辅助远光合理的应用场景 、启用条件和安全要求 ，弥补当前国内外法规在这一领域的空缺。
3、研究内容
结合调查数据、实验评价及基础技术理论，完成下述几方面的研究内容：
（1）激光辅助远光使用场景研究:研究激光启动及关闭条件，如对环境条件（包括环境光亮度，晴雨雪雾天气影响等） ，车辆使用条件（包括车速等），及道路交通条件（包括来车 、前车、及其他道路参与者等）要求 。
（2）激光辅助远光可实现的路面照度范围及照度性能研究
（3）可能的失效模式及在失效条件下对道路参与者的保护措施研究。激光辅助远光除了亮度高可能对道路参与者有炫目影响外 ，还有荧光粉破裂导致蓝光激光泄露对人眼带来的灼伤风险 ，所以需研究蓝光泄露保护的响应条件与可靠性要求。
①完成了从车用激光光源选型 、灯具部件设计与制作 、整车控制系统设计与改修等各项实验样车准备工作。
基于现有光源技术及市场实绩选取了启辰T90为目标车辆 ，日亚NUW908为目标激光光源（见图2） 。经光学设计及数据模拟，全新反射式激光模组植入原车大灯内部，使大灯样件在原来的LED远近光基础上增加了激光辅助远光功能 。激光光源植入过程中原车改修内容包括新设灯壳、饰圈 、模组支架等结构件（见图3），以及灯具内部驱动器总成和线路等电子元件，根据功能设定搭建的整车控制通信系统，示意图见图4。实验车辆控制设定夜行速度在80km/h以上激光辅助远光才允许启动，但为了方便测量光型相关数据，特别在MCU处理中预留读写端口，允许输入特殊指令使得车辆在静态中也可开启激光模组。
图2 激光光源日亚NUW908
图3 零件及整车（图 3a 车灯；图3b T90量产整车）
图4 激光辅助远光控制系统信号示意图
②完成了包含配光均匀性 、光束颜色、以及路面配光的照射范围等内容的激光辅助远光静态路面照度测试，与包含激光辅助远光对夜间驾驶视野的影响 、开启关闭作动功能、对向车辆的眩光等内容的激光辅助远光整车动态实验。
通过实验测试，可以发现实验车的激光辅助远光具有很好的配光均匀性，且光束颜色与车上配备LED远近光一致、无突兀感；激光辅助远光启动后的照射距离明显提升（如表1）：1lx照射距离提升了154%、3lx照射距离提升了78%、5lx照射距离提升了67% 。另外 ，参照图5等照度线 ，以3lx指标为例，激光辅助远光功能增益的明显区域为车辆正前方150m至250m，覆盖宽度超过2车道，同时根据局部抽取点测试 ，发现车辆正前方100m距离内个别路面点照度有0.8lx至25.8lx增益。
表1 激光辅助远光开启前后的路面照明距离变化
照度 | 普通远光(m) | 普通远光+激光(m) |
1Lx | 213 | 540 |
3Lx | 135 | 240 |
5lx | 108 | 180 |
图5 激光辅助远光的路面等照度线变化图
从驾驶员角度看 ，激光辅助远光开启后前方道路警示标志 、路牌可见度明显提高，启后视野盲区减少 ，更利于提前发现障碍物，如图7。
图6 LED远光和激光辅助远光照明情况驾驶员视角
(6a LED远光在直道路况下的照明情况 ；6b 激光辅助远光启动后直道路况下的照明情况）
实验过程中实验车的激光辅助远光在全部的评价场景中，均没有外部混乱导致的误作动（非正常开启和关闭）；经过重复实验，以实验车的照射能力 ，确认适配的摄像头系统需识别到760m外前方车辆 、并关闭激光辅助远光，眩目程度才可接受。
③完成了光源寿命研究 。针对大功率发光二极管寿命主要受热环境影响的特性，委托光源厂商进行针对性的光源寿命实验测试并输出实验最终结果，也结合预设的功能使用工况探究了光源实际工作温度环境，检验实验条件能否满足实际车辆温度环境，结合光源使用频率 ，可以初步得到一个结论 ，即目前车用激光光源技术能保证汽车辅助远光功能量产品质稳定性。
a. 根据日亚公司提供光源高温点灯寿命报告 ，在环境温度83℃条件下 ，与NUW908同系列产品NUW902持续点灯寿命＞10000小时 ，从单一指标上看这个点灯寿命远超过行业一般标准AEC Q102对于汽车外装光源寿命要求 。
此外 ，也对标了具有大量量产实际的白光LED同类实验 ，可以看得出来在达成二者都能达成同样点灯时长，但也存在着一定的差异 ：一是LED工作电流较低，发热量小 ，因而能承受更高的环境温度；二是目前的LED技术更成熟，实验后的光输出变化量更小。
图7 不同光源点灯耐久实验情况
b.为了探究实验温度上限与实际工况吻合度，DNTC设计了专门的验证实验 ，令汽油车辆在一般车辆高温实验的上限42℃环境中经过怠速升温，低速行驶，高速行驶等系列工况满载工作后，监测灯具可能面临的极限高温环境。结果如图9所示，激光辅助远光开启时灯具外部温度短暂经由最高点68.5℃快速回落，随后稳定在约47.5℃水平，距离光源寿命实验采用的环境温度83℃仍有不小的裕量，且考虑到普通远近光功能可不与车速参数联动随时开启，LED使用频率 、可能经受的热环境都比激光光源更为恶劣 。
图8 不同车速下灯具周围温度变化情况
④光输出安全性研究 ：逐一确认了光源厂商实际测得的光成分、波形等光输出参数 ，同时与业内专家从根源上探讨了激光光源这类新型光源的基本属性 ，潜在的安全课题及评价标准，并整理提出了的可行的预防手段。
以本课题所用的激光光源与欧司朗白光LED为例，两种光源理论发光角都为180°，光型也基本符合朗伯余弦定律，结合光谱分析 ，激光光源同样呈现出连续光谱特性，见图9 。从这些角度来看，白光激光光源光输出与一般意义的激光截然不同 。
图9 典型激光光源与LED的光谱分析
因此针对激光光源的蓝光危害问题本质上也可认为是“量变”的课题 ，适用于IEC 60825 或 GB 7247激光产品安全相关的，如本研究课题所使用的光源型号经JQA认证为符合IEC60825-1 class 2伤害等级标准 ，从输出光谱成分安全性角度是允许被正常使用的；其次 ，激光光源的蓝光危害隐患，主要指荧光层出现故障后输出白光的光谱中蓝光成分升高甚至有部分原始激光束不经荧光粉直接泄露，属于该类光源特有的故障模式，并非一般正常状态。激发光束稳定前提下，引用国内相关研究结构研究成果，输出光的蓝光成分变化受荧光粉含量影响，如图10所示 ，即光源蓝光危害程度与荧光粉层参数紧密相关。至于更极端的蓝光泄露 ，参考发光原理图11 ，对比当前主流白光LED，内部芯片发出的激发光同样是蓝光，区别在于LED工艺更为成熟 ，稳定性高 ，且为扩散光型 ，能量密度较小，而激光光源原始光束的是准直蓝光，能量密度比LED芯片蓝光大了3~4个数量级 ，对人眼的伤害威胁尤其大 。因此，无论何种故障导致的激光光源输出白光异常都需要加以界定和防止，目前相关举措除了光源自身技术的突破或应用过程中对光源加强保护之外，最有效也必不可少应属蓝光检测模块，即实时确认输出光中蓝光成分比例，一旦发现异常情况也可发出切断电路请求信号的监控模块。
总之 ，讨论激光光源蓝光危害话题 ，本质上与LED光源大规模用于照明时引发的蓝光危害话题类似，更完善的标准及使用规范是关键。
图10 不同浓度荧光粉片的光源光谱分布图
图11 不同浓度荧光粉片的光源光谱分布图
⑤其他研究：针对实际车辆使用过程中可能遇到的恶劣天气工况，结合实验室实际，本课题验证激光光源在雨、雾场中的传输特性，根据南京理工大学魏朕等人对于激光在自然雨场中传输衰减实验进行了改进，在标准淋雨实验室中分别研究了降雨及雾天两种模式下激光光源与LED光源的输出光束的受影响程度，如图12所示。将带有激光及LED光源的前照灯置于某一水平面上并保持位置不变 ，调整光束使其照射到距离5.2mm的墙面上 ，传输路径上经过4.2m的雨/雾场 ，使用照度计测量墙面照度值来评价两种光源输出光束的衰减趋势 。其中降雨模式分别选取了降雨量为0mm/h ，800mm/h和2400mm/h，在雾天模式中分别选取了降雨量为0mm/h，58mm/h和67mm/h。
图12 光在雨/雾场中传输衰减测试实验示意
图13及图14分别为激光光源和LED光源输出光束在雨雾天气中的衰减趋势图。整体上来看实验用的激光光源输出光束在雨雾天气中的衰减趋势与LED光束表现基本一致 ，且两种光源输出光束在雾天环境中衰减较雨天皆更为明显，基本符合T.S.Chu在1968年所描述的雾对光传输的衰减作用比雨约大2个数量级的研究结论。由于在实际降雨中往往伴有不同程度的雾, 因此即使少量雾的存在也可以给试验结果带来较大影响.而除雨滴外,大气中固有的尘埃 、大气分子及大气气溶胶微粒都会对于灯光传输造成一定影响，因此目标为远距离照明增益的激光辅助远光在暴雨或雾天实际作用有限 ，反而在车前近处散射光易造成眩目，出于安全考虑，该功能在雨/雾天气中不推荐使用 。
图14 LED和激光光源输出光束在雨天的衰减趋势图
图15 LED和激光光源输出光束在雾天的衰减趋势图
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