光的背后

王铁城

车灯诞生之初的作用，就是为了解决黑夜中行车安全性问题，可是这个和行车安全最直接相关的部件最初却被人们忽视了。随着工业技术的发展，车灯终于和汽车的其他部件一样成为车身上不可分割的一部分。车灯的演化过程是工业技术发展的一个直接体现，从最初的煤油灯到今天的激光大灯，人们逐渐赋予车灯更多的东西，有科技性、有安全性、还有设计美学，车身上的每一道光都变得越来越不简单。

自从1886年Karl Benz把汽油机装在了三轮车上使其成为了世界上第一辆汽车之后，一百多年来，作为工业化时代和信息化时代的双重宠儿——汽车，一直日新月异般地飞速发展。它改变了人类的出行，同时也改变了人类的生活方式。作为汽车技术更新换代的尖兵，汽车灯具，不仅是汽车整体造型的点睛之笔，在保障驾驶员及其他道路使用者的安全与舒适性上，更是起到了关键性的作用。

在汽车刚刚发明的时候，制造者和使用者并没有考虑车灯的事情，而只是想着怎样才能让车子更快，当时定义的“快”，就是装上发动机后，四轮马车能够以18km/h的速度“令人窒息”般地狂奔。

燃料照明时代

据说在1887年，也就是汽车被认为发明的第二年，有位驾驶员在旷野上开车迷路，一位农民兄弟用手提灯把他指引回家。事件真实与否现在已经无从考证，但是确实直到那时，人们才想起，原来车灯真的还挺重要的。起初，人们仅仅是使用煤油灯放在车前引路，虽然发出的光实在照不了多远，但是好在当时的车速并不快，所以事故率其实没有那么显眼。随着汽车数量的增多以及车速的提升，人们对夜间照明的光线强度有了更进一步的需求。1779年，克鲁平发明抛物面的反光条，也就是现在反射镜的雏形，放在了煤油灯的后方，形成了具有聚光能力的汽车前照灯。尽管现在看起来有点儿简陋得难以接受，但是在当时那个时代，这种方式改变了灯具的基本结构，使它向着专业车灯的方向发展，而不再是兼顾车用与家用。

尽管1879年时就已经发明了白炽灯，但是在汽车前照灯上，还是煤油灯一统天下的局面。这是因为当时真空白炽灯的灯丝还是用碳丝做的，脆弱的灯丝无法承受一路的颠簸，所以难以应用到汽车上。到了1905年，乙炔灯开始用作车灯光源，那时的乙炔灯亮度比电灯要高上一倍。乙炔灯的灯室内部并没有存储乙炔气体，而是利用碳化钙和水进行化学反应产生的。在行车过程中，晃动的灯体正好为产生乙炔提供了便利条件。当时乙炔灯的照明能力比白炽灯要强不少，不过就算是乙炔充足的情况下，也只能照到前方的20m，而且一旦停下车来，由于化学反应减缓，乙炔气体减少，车灯也会逐渐地变暗，再加上这种燃烧型的灯具无法安装灯罩，遇到刮风下雨的恶劣天气更是难以使用，所以使用乙炔灯也算是一种无奈之举，终究会被电灯所取代。不过作为当时仅有的还算稳定的光源，乙炔灯一直沿用到1925年前后。

白炽灯时代

不过电灯取代乙炔灯也不是一蹴而就的，20世纪初的科学变革速度远不如现在。1912年发明了用来启动发电机的电起动机，这就要求必须安装蓄电池，从而在客观上为汽车采用电光源创造了条件。不过当时的汽车电器设备并非必备，而只是根据用户要求提供的选装设备。1913年发明了螺旋钨丝做发光体的充惰性气体的白炽灯泡，发光效率比碳丝时期提高了十几倍。但是当时大多数的车还都处于使用手摇柄启动发动机，所以乙炔灯还是占市场的主体。

直到20世纪20年代，可以说白炽灯经历了将近50年的技术努力，才终于能够应用到了汽车上，成为主流。有趣的是，电灯最初主要的应用并不是在汽油车而是在电动车上。虽然原理上与现在风头正劲的电动车类似，但是那个年代的电动车还是以铅酸蓄电池作为动力来源。虽然驱动效率很低，但是比起汽油车的噪声和味道，电动车在20世纪初大受“土豪”们的青睐。

随着汽车工业的发展，越来越多的人拥有了汽车，夜晚开车的人也多了起来。当时白炽灯并没有远近光之分，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。如何做好照明能力与控制眩目之间的平衡，即使在今天，也是一个重要的课题与难点。直到1924年，Osram发明了双灯丝灯泡，即在一个灯泡内部有两根灯丝，其中一根灯丝的旁边附带了一个小小的碗状遮挡，挡住了一部分光线出射，在照明区域内造出了一个暗区，用来避免引起对面车道来车驾驶员眩目，同时在其他的区域实现照明，这就是近光灯。不使用遮挡物的那根灯丝则作为远光功能使用，目的则是更好地照亮前方。这种双灯丝的灯泡直接解决了远近光的问题，因此使得汽车灯光告别了燃料，进入了电的时代。不过这种双丝灯泡开始由于技术与成本的限制，并不是马上就大规模地普及，而是只有像奔驰SSK这样的高端车型才能够使用，成为了车灯中的奢侈品。而直到1925年，电器设备系统才成为每辆汽车的必备。

卤钨灯时代

卤钨灯在20世纪50年代末被发明出来之后，很快地应用到汽车前照灯上。初期的灯泡长时间使用会发黑，在改进后，将灯泡内充入氯和碘，明显改善了卤钨灯的性能。即便到了今天，卤钨灯也还在被大量使用。1965年，海拉H1系列卤钨灯诞生，而H4系列则在1971年第一次应用在了奔驰350SL上。即便是现在，在某些车型上，也依然使用着这种类型灯泡，以12V系统为例，具有55W和60W两根灯丝，分别作为产生近光和远光光束使用。而Philips和Osram作为两大光源厂商，除了新型光源的开发之外，也投入了不少精力继续研究高品质的卤钨灯光源，成为了企业低成本的光源解决方案，但是效果并不差。1983年，海拉的投射式前照灯再次变革了车灯技术。即利用幻灯片机的原理，透过透镜的投射，让车灯结构更为紧凑，大大提升车灯照明的控制能力。加上计算机小型化时代的来临，计算机辅助设计大大加快了车灯行业的变革进程，计算精度和速度大为提高，开始不断地涌现新的产品设计。

气体放电灯时代

1991年，气体放电灯横空出世，亮度为卤钨灯的两倍，最先的应用是宝马7系上。不过当时的气体放电灯的技术并不成熟，像太阳一样的车灯随着汽车的颠簸给对向来车的驾驶员造成眩目，直到后来汽车前照灯自动水平装置的配备才算比较好地解决了这个问题。

气体放电灯英文全称是High Intensity Discharge，缩写是HID。它是由小型石英灯泡、变压器和电子控制器构成。在接通电源后，2万伏特以上的高压脉冲瞬间加载在石英灯泡的金属电极间，将灯泡内的氙气、少量水银蒸气和金属卤化物在电弧中电离并发出强光。

1995年，欧洲法规批准使用气体放电灯泡。1999年，奔驰装配上了远近光均为氙气的前照灯。尽管这种新型灯泡成本较高，但是优势也非常明显。它具有更高的亮度、更长的寿命以及稳定性，同时也更加节能。随着技术的不断进步，气体放电灯已经逐渐普及，不再仅仅是豪华车所专享。

在氙灯时代逐渐成熟的还有自适应前照明系统，（英文是Adaptive Front-lighting System，缩写为AFS），在最初的阶段，为了能够实现预先在将要转弯的方向上的照明，前照灯出现了弯道照明功能，通过旋转光源模组或点亮辅助光源实现。由于弯道照明是自动实现的，很多人认为这就是AFS，实际上是一种误读。AFS最初的模型建立于20世纪60年代，但由于技术水平和工艺设计的限制，直到30多年以后，才逐步地实现产品化。AFS虽然叫自适应前照明系统，实际上只是包括近光，远光的要求与普通远光完全一致。AFS为了改善车灯难以对所有使用环境都具备良好照明效果的问题，提供了除去基础光型之外的其他光型以适应变化的外部环境，通常被分为高速模式、乡村模式和恶劣天气模式这几大类，在其下可以再细分若干小类，实现对外界环境更为精确的匹配。AFS最大的贡献，我认为是将汽车的左、右前照灯进行了充分的融合，两侧的前照灯对照明的贡献不再是简单的重复，而是各司其职，通过各自旋转不同的角度，以不同的贡献率来实现多样的照明效果。

LED时代

在气体放电灯大行其道的同时，LED光源也在悄然兴起。其实LED作为汽车上的光源，比气体放电光源还要更早地应用到汽车上，不过大多数都是阅读灯和仪表盘灯等边边角角的地方，但是想用做汽车前照灯的照明光源绝非易事。想要达到气体放电光源的照明能力，需要LED灯组来实现，而这种组合则对装配精度要求很高，要保证量产的精度，成本则提高了很多，其次，LED光源对热敏感，温度上来之后，光效会下降得非常厉害，因此如何做好散热也是困扰了多年的难题。但是这些问题无法阻挡市场的热情，LED光源属于冷光源，耗电量要低于气体放电光源，而且LED光源在恰当的电流电压下，甚至能够做到与车辆同寿命，另外LED光源还需要体积小、相应速度快、无须高压装置等气体放电光源所不具备的优点。

2007年，雷克萨斯的顶级混动车LS600h和LS600hL成为了全球首次使用Nichia的全白光LED作为光源的量产车。随后的2009年，奥迪的R8，成为了全球首台全车使用LED光源的量产车。那年我算是入行不久，看到了R8的LED前照灯，精致的造型、强大的功能让我爱不释手的同时也在感叹技术的飞跃，此时无论是外观还是功能，都已经完全超越气体放电灯，进入了一个崭新的时代。

时间轴上技术革新的时间间隔，被大大地缩短了。近年来，从欧洲兴起了矩阵式的LED前照灯。如奥迪新款A8，5组共25枚LED光源配合在一起，每颗LED光源都可以独立控制点亮、关闭或者变暗，通过摄像头等各类传感设备，将采集的外界环境数据送至处理系统，每秒可以进行上百次的匹配计算，可以实现对前方区域的可变的精确的照明。从理论上讲，这样的矩阵式LED前照灯能够拥有将近10亿种照明形式，而仅仅通过电路控制每颗LED光源的明暗开闭即可，无须机械结构，使得故障率下降而使用寿命大大增加。

自然而然地，近3年兴起的技术ADB，在矩阵式LED前照灯的基础上应运而生了，全称是Adaptive Driving Beam，缩写为ADB。从字面上看是自适应远光，实际上则是AFS的升级版本。我认为它最大的进步则是模糊了远光灯和近光灯之间的界限。在郊区或者高速公路上行驶时，由于几乎没有其他的道路使用者或者相隔甚远，LED前照灯就会以全功率模式开启，尽量地提高照明能力，这时相当于之前的远光功能。与此同时，汽车上装配的摄像头会不断地监控车辆前方的状况，一旦有对面车道驶来的车辆，或者前方有同向行驶的慢车，摄像头就会把这种情况回传至处理系统，经过计算后控制矩阵LED光源中的某一部分，使其关闭或变暗，将出射的光型制造出缺口，避让开有车的区域，同时依然照亮没有车的区域，直到会车或超车结束后，前照灯则会自动恢复为之前的状态。此时不再有远光灯和近光灯的刻意区分，而是基于实际的使用效果来调整照明状态。

目前车灯的发展趋势，不再是车灯本身的单纯发展，而是结合了摄像系统、数据处理系统、传感装置等各类电子器件的系统，成为一个有机的整体提供服务。通过数据模型的建立完善，车辆可以精确识别路况、天气等环境之外，还能辨别道路使用者是行人还是动物，并能分别采取不同的提醒方式。

激光LED时代

为了降低LED光源前照灯的结构复杂度，提高可靠性，LED光源的其中一个发展分支是向大功率LED光源靠拢，即用尽量少的光源模组来实现照明。目前已经有产品在使用单个模组实现远光或近光的功能，与普通的前照灯的结构类似，降低了不少的成本。

在LED光源还未普及的时候，恐怕就会遭受被淘汰的风险。发光能力更强、能耗更低、占用空间更小、散热更少的激光LED光源已经应用到了实车上，其中以宝马公司的电动车i8最为有名。激光与普通光的最大区别就是准直性好，也就是能够直接产生几乎平行的光束，这种光束的形状后处理的可塑性可以达到极致，激光从几十年前已经开始了应用性研究，现在终于作为光源装配到了汽车上。与普通的LED光源前照灯相比，产生同样的照明效果，激光所需的能源和占用空间大幅缩减，提升了照明效率。虽然名字叫激光前照灯，但是并不是把激光光源直接装配在了灯里，而是采用了激光产生的方式，因为真正的激光往往具有过于集中的能量，容易造成人类伤害和引起火灾。如何完美处理好激光LED的安全性和耐用度，以及随着技术发展带来的成本降低，这都是激光LED能否普及的重要因素。很多人会担心，激光会不会对人眼造成伤害，虽然用作车灯照明的激光已经减弱到完全安全的程度，但是要让民众接受还需要一个过程。即便如此，依然挡不住厂家对激光LED光源的热情，宝马和奥迪今年一直展开相关的竞赛，都希望尽快解决问题实现量产。激光LED目前由于集中度高，通常先用于远光，照明距离比普通LED光源要大一倍左右。我认为其实照得过远实际上并没有太多的意义，因为驾驶员坐在驾驶室里是以透视关系的视角来查看照明效果的，照射距离过远，超过了人类的分辨能力，其实也没有实际效果，却会对其他的道路使用者产生困扰。激光前照灯的优点，重点在于出射光束可控性好、能耗低、占用体积更小，这也就很大程度上分别解决了结构简化需求、散热以及空间等问题。照射距离远，算是一个额外的收获，因为现在普通LED前照灯的照明距离已经很好了。

OLED时代

OLED，全称是Organic Light-Emitting Diode，这项技术的创始人是美籍华人邓青云教授。他在1987年和Vanslyke采用超薄膜技术，制成了双层有机电致发光器件。1990年，他发现了以共轭高分子PPV为发光层的OLED，从此之后全球掀起了研究OLED的热潮。

OLED具有自发光的特性，采用非常薄的有机材料涂层和玻璃基板，当电流通过时，有机材料就会发光，而不需要任何光源系统的支持，在体积上也会比传统LED产品具有更大的优势。OLED同时也是具有面发光特性，解决了可视角度问题，所以非常适合制作汽车尾灯。OLED技术的出现，让汽车的尾灯设计可以更加地多样化，因为发光体的厚度仅有1.4毫米，未来甚至可能会做到像贴纸一样而不占用后备箱的空间。在未来追求更炫更酷的汽车造型时，OLED可谓是功不可没。

从汽车发明的那天起，车灯的发展从未停止过脚步。如今的车灯技术，甚至看上去宛若天外来客般的惊艳，大有赶超时代发展之势。计算机辅助设计、材料科学、工业设计、制造工艺水平、新型光源应用、系统集成化发展等诸多方面，都会给汽车灯具的进步加油助力。随着发展的脚步越来越快，想要预测几年后的灯具发展甚至都会成为一个很唐突可笑的事情。想想当年金贵的原子笔（现在俗称“圆珠笔”），庞大昂贵的原始激光器，以及占了整间屋子的初级计算机，现在都化身成了小小的物件跳跃掌中，进入到千家万户。可以想象，不论是激光前照灯，还是OLED，或者是以后发明出更好的新技术新产品，都会随着技术的发展进步而逐步装配到汽车上，点亮前行的路。