中金 | 汽车智能化系列之投影照明：光学部件再升级，打造汽车新辨识

创新地毯灯彰显汽车品牌个性，全新MLA技术开启规模商用有望推动成本下降。自2016年宝马7系配置天使之翼创新地毯灯以来，众多汽车品牌开始谋求以地毯灯彰显品牌个性。与传统地毯灯所采用的菲林片式投影相比，创新型地毯灯所采用的MLA技术光学性能更好，能够提升用户体验，随着技术的成熟和成本的降低有大规模推广的潜力。我们认为，MLA地毯灯的规模化商用将引领汽车投影技术变革，基于半导体的生产工艺也能使MLA模组在量产后大幅降低成本，从而进一步扩大其应用范围。

MLA模组的光学性能优越，但生产工艺复杂技术壁垒高。MLA由一系列微透镜按一定方式排列组成，单个微透镜均包括聚光透镜、遮光夹层、投影透镜。得益于创新型的光学架构，MLA模组焦距小、焦深长，具备小型化、高亮度、高清晰、高灵活、高可靠的特点，光学性能优越，能够实现高质量且稳定的投影照明，提供了全新的车灯解决方案。同时，由于MLA体积小且对精度要求高，其制备技术采用半导体工艺，生产工艺复杂，技术壁垒高。

MLA赋能汽车内外部照明，应用前景广阔。汽车外部功能照明方面，MLA技术应用于车前灯具有小型化的优势，能够实现个性化的前灯投影，同时可以做到光线的动态自适应，满足安全照明需求，丰富V2X交互方式。汽车内部照明方面，小型MLA置于车内可以进行装饰性投影，打造舒适的车内空间。我们认为，得益于MLA优越的光学性能和汽车智能化的大趋势，MLA在车灯领域应用空间广阔，2025年全球MLA车灯透镜组件的市场规模有望达到14亿元。

MLA技术成熟不及预期，MLA商用推广不及预期。

宝马采用创新型天使之翼迎宾地毯灯，打造汽车新卖点。2016年，宝马为最新7系车型配备了创新的天使之翼迎宾地毯灯，其被固定在前轮后方的车门槛上，当车主用钥匙解锁车辆或推开车门时，可以看到投射在地上的迎宾光毯。由于创新迎宾灯可以提升用户体验，在展现品牌调性的同时也赋予用户驾车仪式感，成为宝马车型的新卖点。我们看到，在宝马推出天使之翼后，众多汽车品牌均谋求以地毯灯彰显品牌特色。

图表1：宝马天使之翼迎宾地毯灯

资料来源：Hella官网，中金公司研究部

传统的汽车地毯灯采用的菲林片式投影，其成像原理与胶片电影放映机类似，由聚光系统、菲林镜片、成像系统组成。其成像过程为1）LED发出的光经过聚光系统后转化为均匀平行的光线；2）光线通过菲林片，由于菲林片上的遮挡，只有通过图案位置的光线能够透过菲林片，3）经过成像系统，菲林片上的倒立小图案在地面上投影为正立的大图案。

图表2：菲林镜片式投影灯

资料来源：《一种车用投影灯的实现方式》，《汽车电器》，2020，刘松，王香娟，梁容毓，中金公司研究部

菲林片式投影模组制作成本低，但在性能上存在精度低、模组较厚的缺点。MLA（Micro lens array，微透镜阵列）能够解决菲林片存在的一系列问题，宝马的天使之翼地毯灯采用的即为MLA技术。MLA地毯灯内的光学元件由准直透镜和许多微小透镜单元组成，其中最重要的部件为众多微小透镜单元组成的微透镜阵列，MLA的应用使得车灯能够投影明亮清晰的定制图案，并均匀地朝同一方向投射超过4米的距离。我们看到，相较于菲林片式投影模组，MLA投影模组具有边界清晰、对比度高等优势，能够明显提升视觉感受。

随着汽车厂商为提高品牌新的辨识度，地毯灯成为彰显汽车品牌个性的重要标志。目前，Hella等汽车照明厂商根据主机厂的不同需求，制造品牌个性化MLA地毯灯，其中Hella于2020年初启动长春工厂，为中国汽车制造商提供地毯灯产品。我们认为，基于MLA技术的地毯灯规模商用能够助力MLA技术开启在车端应用的新时代，基于半导体的工艺也使得在其在规模量产后成本可以大幅降低，驱动MLA技术在地毯灯之外获得更广泛的应用。

图表3：MLA技术中的影像重叠

资料来源：ams OSRAM官网，中金公司研究部

图表4：AMS公司制造的微透镜阵列

资料来源：ams OSRAM官网，中金公司研究部

微透镜阵列MLA是指由一系列直径为十微米到几毫米的微小透镜按一定的方式排列而成的阵列，典型MLA尺寸为11.4mm*10.7mm*3.0mm。微透镜阵列基本要素包括阵列厚度、阵列尺寸、阵列周期（即两个相邻透镜光轴的距离）和微透镜（子透镜）的焦距等，会影响微透镜阵列的投影范围、成像距离、亮度等，从而实现特定光学功能。

图表5：微透镜阵列结构图

资料来源：Thorlabs官网、中金公司研究部

微透镜阵列最早来自仿生学中的复眼结构，尺寸向微型化演进。20世纪初，研究者发现家蝇的复眼约由4,000个呈六角形的小眼组成[1]，每个小眼可充当微小的光学单元，1908年法国Lippmann受此启发提出了微透镜阵列的概念。20世纪80年代，受益于半导体生产工艺技术的不断进步，光学微加工技术有了迅速发展，在光学系统微型化和集成化需求的推动下，微透镜阵列技术进入发展快车道，尺寸由毫米级向微米级甚至纳米级演进，1994年荷兰Philips研发中心成功制作出了二维大面积图像传感微透镜阵列，使得微透镜阵列步入了微米量级。

不同阵列类型的MLA有各自的特点和应用场景。根据结构不同，MLA可分为平面MLA和曲面MLA，其中平面MLA每个子透镜的光轴相互平行，生产难度较曲面MLA低，在激光匀化、光纤耦合、投影等领域应用广泛；而曲面MLA具有大视角、高分辨率的优点，可用于红外探测和精确制导等领域，相较于平面MLA，在阵列合理布局、光学串扰、生产误差控制等问题上技术难度较大。按照阵列类型，MLA可分为单个式、单排式、M*N排列、满布式等，适配于不同的应用场景。

图表6：MLA按阵列类型分类

资料来源：海纳光学官网，中金公司研究部

MLA投影照明组件所基于的光学原理是照明光学和投影光学，其成像依赖于每个微透镜单元。MLA投影照明组件由LED光源、准直透镜、遮光夹层和微透镜阵列（包括聚焦透镜和投影透镜）组成。其成像过程为1）LED光源发出光；2）发出的光经过全反射准直透镜，准直透镜的目的是最大程度减少光的损失并均匀地把光投射到聚焦透镜上；3）光到达微透镜单元，照射到聚焦透镜上的光经过遮光夹层，夹层上有很多微遮光开口以控制光型，汇聚的光经过遮光夹层后到达投影透镜上，光经过投影透镜最终形成需要的图案。每个微透镜单元都是完整的投影模块，通过对其的组合可以形成不同的输出效果，以满足定制化的需求。

图表7：MLA光学原理图

资料来源：国际汽车照明联盟，ams OSRAM官网，中金公司研究部

图表8：MLA成像过程

资料来源：VOGLE官网，中金公司研究部

MLA具有小型化/高亮度/高清晰/高灵活/高可靠的技术特点

由于微透镜阵列的焦距缩短，MLA车灯具有小型化的优势。传统的车灯采用单一透镜成像，波束的控制是通过大反光镜和嵌入大灯盖中的透镜实现的，光投影的物理性质要求光源与透镜之间有一个较长的最小距离（与焦距成正比）。而利用MLA技术，可以显著减小透镜的焦距，光源和透镜之间的距离可显著缩短。对比来看，MLA模组需要较小的深度安装空间，通常LED模组（单一透镜）的深度约为100-200mm（包括散热器和风扇），而MLA模组的尺寸可以缩小到30-50mm（包括散热器和风扇）；从核心光学元件的尺寸来看，MLA模组（聚焦透镜、遮光夹层、投影透镜）的厚度只有3mm，加上全反射准直透镜，整个光学零件的深度小于20mm，远小于LED模组。

图表9：传统车灯成像原理与MLA成像原理对比

资料来源：汽车之家官网，中金公司研究部

MLA技术通过多通道阵列设计，在小外形尺寸下提供高亮度输出。在传统的车灯技术中，由于外透镜的尺寸会影响模组的光通量和光强，通常车灯所需的亮度越高，相应的投影模组尺寸越大。而MLA采取多通道阵列设计，阵列可以彼此相邻排列，将多个版本的图像投影在屏幕上，只需要对微透镜进行微微偏置便可以使它们的图像重叠以创建更亮的图像，从而在投影仪的厚度（通常为3毫米）保持不变的情况下提高投影亮度。高亮度的特性为MLA技术应用在车前灯等场景提供了技术可能性。

图表10：MLA技术中的影像重叠

资料来源：ams OSRAM官网，中金公司研究部

图表11：MLA技术中的影像重叠实物图

资料来源：ams OSRAM官网，中金公司研究部

MLA具有超长焦深和锐投影的特点，带来了投影的高清晰度。在焦点前后，光线从聚集到扩散，点光源的影像从圆变成点又扩散到圆，焦点前后的圆被称为弥散圆。如果弥散圆的直径足够小，肉眼依然可清晰看到一个点，这个肉眼可接受的最大直径的弥散圆被称为容许弥散圆，两个容许弥散圆之间成像清晰的范围被称为焦深。根据光学原理，光圈越小、焦距越小，则焦深越长，清晰的投影范围更大。MLA技术中的微透镜单元瞳孔较小，光圈较小，且焦距较小，因而焦深较长，成像清晰的范围更大，可以实现锐投影（即投影锐化，提高边界清晰度）。因此，与大尺寸的聚焦镜头相比，MLA可以满足更高清晰度的要求，在多镜头重叠的大成像范围中投射出清晰的图案，适合于大面积高清投影。

图表12：焦深与光圈的关系

资料来源：CSDN，中金公司研究部

图表13：普通光学元件与MLA成像清晰度对比

资料来源：ams OSRAM官网，中金公司研究部

MLA模组可以灵活实现各种形状，满足车灯个性化需求。通过改变MLA阵列中微透镜单元形状、遮光开口轮廓、微透镜单元数量灯能够实现不同的光型及投影图案，高灵活性使得MLA可以打造不同形状和不同照明性能的车灯，适配车厂的个性化需求。

图表14：MLA模组能够实现不同的造型

资料来源：车灯研究院，中金公司研究部

MLA技术的可靠性主要体现在其提供了稳定的高质量投影，为安全性提供保障。MLA长景深及长焦深的特性保证了投影出来的图形不易发生变化和扭曲，能够在倾斜、曲面的地面或幕布上清晰投影成像且不失真，从而提高车灯投影的稳定性及行车安全性。

图表15：MLA将光源投影至斜坡示意图

资料来源：ams OSRAM官网，中金公司研究部

MLA生产工艺复杂，技术壁垒高

MLA对生产精度要求高，生产工艺复杂。MLA光学系统的缩小意味着生产端的制造误差需要更加精细的控制，且MLA通过将图像的多个版本重叠投影在屏幕上实现高亮度和高清晰度，每个微透镜都需要彼此偏移一个微小量以保证图投影的图像重合，典型的MLA中微透镜直径约为0.8mm，焦距约为2mm，制造微透镜有很高的精度要求；同时，在生产环境上，MLA的几何形状由温度、润湿性、压力和加工时间等多种因素共同影响，对生产环境的要求很高，从而给制造带来的较大的难度。其中，WLO（Wafer level optics，晶圆级光学透镜）制造方法需要将半导体工艺与光学技术结合，利用压印光刻、UV固化方式批量复制制作微透镜，产品一致性较高，但生产过程中需要用到高精度模具和专业的半导体工艺设备，技术壁垒较高。目前全球掌握MLA生产技术的厂商较少，ams OSRAM和晶方科技旗下的Anteryon是全球重要的两大MLA模组生产商。

图表16：微透镜无偏移，投影图像模糊

资料来源：ams OSRAM官网，中金公司研究部

图表17：微透镜精确偏移，投影图像清晰  

资料来源：ams OSRAM官网，中金公司研究部

汽车车灯主要可分为外部灯和内部灯，外部灯包括车头灯模块、车后组合灯和雾灯，头灯模块主要涵盖远近光灯、日间行车灯、转向灯等，主要用于道路照明及信号提示，往往能够体现汽车品牌的特色，定制化程度较高；后组合灯模块主要包括后尾灯、警示灯、倒车灯、刹车灯、牌照灯等，主要用于位置警示和动作提示；雾灯包括前雾灯和后雾灯，主要在雾雨雪天气中提高亮度，保障行车安全。车内灯主要包括阅读灯、化妆灯、氛围灯、手套箱灯等，在满足车内照明需求的同时，营造车内氛围，提高车内舒适度。我们认为，随着MLA技术的不断成熟，其成本不断下降，未来有希望凭借其小型化、高亮度、高清晰度等特点，改写当下车灯发展趋势。

图表18：车灯产品分类

资料来源：汽车之家，中金公司研究部

MLA技术应用于车前灯具有小型化的优势，且可实现个性化的前灯投影。车前灯又称大灯，在传统汽车照明系统中，大灯体积较大，占用车身相当大的表面积，而MLA技术应用到车前灯，能够使车前灯实现小型化。目前，MLA技术作为前照灯解决方案已经实现落地，美国高端电动车公司Lucid推出的Lucid Air车型是全球首个规模采用MLA前灯的车型，可以实现自适应远光功能。同时，MLA技术赋能车前灯还可以实现个性化的投影，通过投影实现车辆与驾驶员、车辆与车辆、车辆与行人的通信，实现多样化的V2X交互方式。比如，MLA前照灯可以在道路上投射人行横道符号以表明驾驶员希望为行人让路；MLA前照灯还可以在车辆安全信息系统触发时，在车前方的道路上显示警告信号等，丰富车辆与周围环境的交互方式。

图表19：MLA赋能Lucid Air车前灯

资料来源：公司公告，中金公司研究部

图表20：MLA给自行车投射警示标志

资料来源：ams OSRAM官网，中金公司研究部

图表21：MLA前灯为行人提供照明投影

资料来源：ams OSRAM官网，中金公司研究部

MLA可以实现多种光型，做到动态自适应，助力实现AFS/ADB功能。当前，车前灯采用AFS和ADB系统以实现自适应照明。其中，AFS指自适应前照灯系统，依照车速和方向盘的转向角向左或右移动前照灯光束；ADB是自适应远光灯系统，传统的汽车头灯光线耀眼，在夜间会车时容易造成对向车道驾驶者的眩目，而ADB可以根据周围环境动态调整灯光照射区域，避免对来车产生炫光。通过改变MLA阵列中的微透镜单元形状、遮光开口轮廓以及微透镜单元数量可以实现不同的光型和不同的光强，从而可以根据路况等外部环境做到动态自适应，改变波束的形状和范围以响应车速和路况的变化。

图表22：MLA实现不同的近光灯不同光型

资料来源：车灯研究院，中金公司研究部

MLA可以作为倒车引导，为倒车提供辅助。作为倒车引导，MLA车灯可以安装在后保险杠的中心（单一模块），或者安装在一左一右两个尾灯。倒车时，MLA在路面上投影红色或白色标识为驾驶员提供倒车所需要的定位信息，从而使驾驶员能够根据投影进行安全倒车。

MLA也可作为转向信号灯和行李箱开启指示灯，满足特定场景的功能需求。对于转向信号灯，通过后视镜投影在路上的转向信号或指导线，MLA能够为行人、骑行者和其他车辆提供驾驶员要进行转弯的可见信号指示，提高了道路安全性；对于行李箱开启指示灯，MLA可以在行李箱底部的道路上显示虚拟“按钮”，使用户能够通过脚“踩下”光按钮的方式来打开行李箱，提升乘坐者的用户体验。

图表23：  MLA车灯作为倒车引导

资料来源：ams OSRAM官网，中金公司研究部

图表24：  MLA作为转向信号灯

资料来源：ams OSRAM官网，中金公司研究部

MLA可以进行内部照明，或在内部进行装饰性投影，提升用户体验。MLA体积小，模组功耗低，非常适合内置在车内空间，提升车内空间利用率。安装在车顶的MLA车灯可以作为内部照明装置，其将光线匀化的特性可以使光线更加均匀，从而可以提高车内人员的便利性和舒适性。此外，车内MLA还可以将诸如品牌表示、装饰性图案等投影至车内地毯或顶棚上，创造了汽车品牌的独特氛围。

图表25：MLA车灯作为足部标志投影

资料来源：ams OSRAM官网，中金公司研究部

预计2025年全球MLA地毯灯透镜组件的市场规模达到2.4亿元，2021-2025年CAGR达到41%。核心假设包括：1）如果汽车配置MLA地毯灯，则一般为左右两侧进行对称配置，参考宝马“天使之翼”的方案，我们假设单车MLA地毯灯配置数量为2个；2）价格方面，参考各电商平台数据，主流透镜组件价格约为25元左右，考虑到MLA透镜的技术难度，在此基础上给予一定的上调，同时结合产业链调研，单个MLA透镜组件约35元；3）渗透率方面，目前MLA车灯配置车型仍较少，我们认为随着MLA技术成熟，MLA车灯有望凭借良好的投影性能优势，在地毯灯中获得广泛应用，叠加地毯灯逐步成为品牌厂商提升用户体验的手段，我们预计2025年地毯灯有望在C级以上豪华车中大规模普及，在乘用车市场的渗透率有望达到5%。

预计2025年全球MLA车前灯透镜组件市场规模约为11.8亿元，2021-2025年CAGR达到89%。核心假设包括：1）一辆车配置4个MLA前灯（远近光灯/日间行车灯）；2）参考各电商平台数据，普通LED大灯价格约为300元，结合产业链调研，我们假设一个MLA车前灯透镜组件的价格为210元；2）由于MLA车前灯发展相对于地毯灯滞后，MLA技术在车前灯的渗透率更低，考虑到MLA技术应用于车前灯的性能优势，同时参考目前在研的整车品牌（捷尼赛思等），我们预计2025年MLA前灯的渗透率为2%。

图表26：MLA透镜组件市场空间测算

资料来源：OICA，乘联会，宝马官网，中金公司研究部

MLA技术成熟不及预期。MLA作为一种新兴的车灯技术，目前主要被用于地毯灯等对安全性能要求不高的装饰照明灯具。MLA技术应用于安全照明时需要满足耐高温等车载级要求，技术难度更大，需要持续的研发投入。若技术研发周期过长且效果不佳，可能导致MLA技术成熟不及预期。

MLA商用推广不及预期。如果MLA厂商推出的MLA产品种类少、推出新产品速度慢且价格保持高位，可能会影响整车厂配置MLA车灯的意愿和配置节奏，从而造成MLA的渗透率不及预期，商用推广受阻。

[1] 李建军, 褚春艳, 卢玮彤,等. 微透镜阵列的制备与应用研究进展[J]. 光学学报.2021年

本文摘自：2022年5月30日已经发布的《汽车智能化系列之投影照明：光学部件再升级，打造汽车新辨识》

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