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光學技術於車用照明、資訊顯示與生理感測

之趨勢與發展介紹

文/車輛中心(ARTC) 施淳耀、許日滔、鄭舜文

摘要

隨著科技進步與對行車安全毫不妥協的重視性，許多車廠紛紛將助於提升安

全的新科技導入車輛上，加上近年來車用光電領域在政府、法規大力推廣下，從

3C 產業所發展的相關技術發展與應用更為深化於車輛系統中。在光學技術這領域，原先主要對應燈光照明之光學設計，從傳統的鹵素燈、氙氣燈、LED，到應用新興的雷射光源，相較於傳統光源，雷射車燈模組可有數倍照射距離；而近年來，

將光學設計延伸應用於顯示，開發能縮短駕駛人判讀資訊且保持抬頭姿勢的抬頭

顯示器(Head-Up Display, HUD)，已有市售量產品搭載於中高階車款；近期更將光學技術發展於生理感測項目，展示出可監控駕駛人生理狀況的系統雛型，並持續

更新技術準備進入實用化階段。本文將介紹光學技術應用於車用照明、顯示與生

理感測之趨勢與發展狀況，分項說明這些技術的國際現況、趨勢與國內發展，以

期帶動相關車輛產業之技術發展與合作機會，提升用路人的安全並創造新商業機

會。

車用照明

‧市場趨勢

目前車燈因成本與技術關係，仍以傳統燈源為主，LED 燈具則做為較高單價車款式之差異化配備，而雷射燈具為少數廠商研發寡佔(AUDI、BMW)狀況。因雷射光源目前供應商不多，搭配這種新式光源的所開發燈具也較少見，雖然如此，

但其優異的光學與節能效果，未來商業價值仍被看好，可因應節能、環保、安全、

創新等科技發展趨勢。

依Osram市場分析報告，雷射車燈的市場從 2013年開始萌芽發展，如BMW、AUDI 等從頂級車款推動量產以凸顯其高貴先進性能。短時間內雖然不會需求量突然大增，但可預期未來將是穩定成長的市場，如圖 1 所示。

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圖 1 2008 與 2013 年各式燈源發展與需求預估

依 Frost & Sullivan 產業調查報告指出，以雷射做為遠燈功能、LED 做為近燈功能之混成(Combination)燈組系統，以歐洲市場為例，這類系統從 2013 年開始進入市場，預估市場佔有率至 2021 年成長為 3.5%，屆時混成燈組約有 844 萬個燈組，如圖 2 所示。依此可預期混成燈組系統會是高階車款的重要亮點與燈具廠技術力展示的項目，深具指標性意義。而臺灣為全球主要的售後燈廠聚落，不論是

持續耕耘售後市場，或是要跨足至車裝市場，未來勢必得順應趨勢，及早開發相

關新技術以取得先機。

圖 2 2013~2021 年之車輛頭燈市場預估

Source：Frost & Sullivan 混成燈組 氙氣燈 鹵素燈

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‧技術介紹

隨著高功率雷射二極體開始有量產的經濟規模，與激發白光技術趨於成熟，雷射白光不再只是實驗室的產物，而是備受注目的新一代光源，其特點如下：高

亮度、發散角窄、同調性高、有偏極化與單色性，具有高發光效率之優勢，其照

明效能可以比現有光源更加優秀，也更加節能，如表 1 所示，這些特性是目前其他光源無法替代的[1]。

表 1 車燈光源的演進與性能差異

以混合雷射與 LED 之照明模組，不僅照明區域可以增加，為 LED 的 1.5 倍遠(如圖 3 所示)，且路面照度增加，為 LED 的 1.15 倍，其影像系統能識別距離，與 LED 相比，增加 1.5 倍，足見其照明性能可以說是全方面的提升，故對於夜間的駕駛安全助益相當大，再加上色溫偏白，對於交通辨識之視認性，比傳統鹵素

燈源更為理想。

Source：Stanley Electric

雷射 氙氣燈 鹵素燈

光源

時間

發光原理

發光角度

溫度

發光尺寸

光強度

半球體 半球體 球體 球體

螢光體激發

螢光體激發

高強度 氣體放電

白熱

(參考基準)

(參考基準)

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圖 3 雷射/LED 混成燈具之照明區域比較

雷射本身發光亮度很高，再加上發散角度較小，連帶發光面積較小，如圖 4所示，同一照射面的光分佈強度比其他光源更強，代表這類光可以更容易於遠距

離保持一定的發光強度，且光分佈性能的提高，對比其他光源，可以有更長的照

明距離，對於夜間行駛安全性與節能而言，雷射光源是最佳的選擇。

Source：Stanley Electric

Source：Stanley Electric

長照明距離

近距離有寬照明範圍

可視範圍更遠夠寬

配光 透鏡 光源

光源投影之影像

雷射

雷射/LED 混成

雷射 配光

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圖 4 LED 與雷射的發散角度比較

跟其他常見的光源不同，目前雷射並非直接產生白光，而是運用藍光(約450nm)雷射激發黃色螢光體，以藍光與黃光混成出白光，相較於 LED，具有 2.5倍的亮度，且發光區域僅為 LED 的 1/10，光源的效能利於燈具多樣化造型設計。而因為這類雷射本身為高能量集中(屬 Class IV)具有危險性，需要導入失效模式以對應當系統不正常運作時，確保雷射不會直接逸出造成危害[2]。

近期 AUDI和 BMW 相繼發佈雷射頭燈(如圖 5)，預告即將從 LED 大燈時代，邁入雷射大燈時代，甚至於今年的國際消費電子展(International Consumer Electronics Show, CES)，BMW 還展出機車用雷射頭燈概念品，以應證雷射車燈多元運用可能性，是相當被看好的技術。

圖 5 AUDI 與 BMW 雷射車燈模組

‧國內發展狀況

因應雷射車燈將會是未來重要的技術亮點之一，為輔導國內產業發展，研究機構 ARTC 已經著手進行雷射車燈的前期研究，如雷射激發光路、雕塑符合法規需求光型的光學設計。而對於目前雷射激發白光的主流技術，用藍光激發黃色螢

光體以混成白光，可能會產生的黃暈現象[3]，除了現有的離焦、散射…等方法[4][5]，ARTC 以結合非成像照明設計與透鏡陣列，如圖 6 所示架構，設計出不僅可以提升均光性，也可以減少黃暈現象，並產出較理想且準直的光照明模組。

圖 6 雷射車燈架構

Source：AUDI、BMW

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車燈光學照明面為為非成像光學設計，運用多重反射面，現階段設計目標為符合 ECE R-112 規格，每一面為配光需求，疊出所需的光型與配光強度，其照射光型大小，與每一面的 R 值有關，以邊緣光線定理(Edge-ray Principle)處理之，而光通量以光學拓展量(Étendue)計算之，模擬成果如圖 7 所示。

圖 7 車燈反射面與模擬照射效果

ARTC 對於現有各式光源，皆可配合車燈、系統廠進行光學設計，對於新興的雷射光源，從混光與照明效果，發展多樣的光學設計方案，以協助國內燈具廠

商開創新技術領域，加速進入新世代光源應用市場。

先進車用顯示器

‧市場趨勢

如果駕駛人想要從儀表板閱讀資訊，需要時間來不斷改變眼睛焦距於道路與儀表板間，這樣在視野轉換與視線不保持在路面上的期間就有潛在危險，可能因

此發生事故[6]。因此，以虛像顯示的方式，將資訊顯示在駕駛人的前方，是個增進行車安全的途徑。抬頭顯示器是種半透明的顯示系統，該系統直接投影到疊像

片上，並將重要資訊直接以虛像顯示給駕駛人觀看，如圖 8 所示，可讓駕駛同時保持眼睛焦距在道路上，以提升安全性。

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圖 8 HUD 顯示資訊於擋風玻璃前之示意圖

HUD 目前都裝載在高階車款上，如 AUDI、BENZ、BMW 較為常見，且預期在未來 10 年中，隨著產品價格下跌、顯示效果更理想，HUD 將普及下放至各層級的車款上。現在 HUD 的主要供應商包括 Bosch，Continental，Denso，NSK 和Continental…等，去年全球出貨 300 萬個 HUD 於隨車安裝出廠，其中，北美就有120 萬。預估 2024 年，出貨量預計將達到 3380 萬個，其中北美就有 1160 萬，佔了相當大的比例，全球豪華與高級車的 HUD 產值達 146.2 萬美元，預計市場從2014~2024 年，以 11.5％的複合年增長率，增加至 252.6 億，如圖 9 所示。

圖 9 2014~2024 年之 HUD 市場售量預估

在今年的 CES 2016 中，MAGNA、PIONEER 與 Visteon 都有展出新款 HUD展品，以舒適判讀資訊、強化駕駛安全性為主打，並各具有其亮點特色。MAGNA

全球

北美

單位：百萬

年成長率,2014~2024

出貨量

北美 全球

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是以智慧型後視鏡 iMirror 為 HUD 應用，如圖 10 所示，將 HUD 所具有的半透明顯示、遠視距…等特性，取代傳統後視鏡，並加上顯示資訊於實境畫面上，令駕駛人可更輕易判讀，與注意到重要訊息。

圖 10 MAGNA iMirror

PIONEER 於此 CES 展出 Laser Scan HUD，如圖 11 所示，運用雷射光源與微機電技術，掃描出顯示系統的影像，可以使 HUD 系統較容易於日光環境下增加可視性，並具有比 LCD 更好的黑再現性，對於畫面顯示，可以更加漂亮[7]。且HUD 可與手機連結，做為智慧型系統的一環，有更多功能可結合應用。

圖 11 PIONEER Laser Scan HUD

Visteon 則是展示出智慧駕駛艙 SmartCore 系統，如圖 12 所示，其中，用以顯示系統功能資訊的 HUD，以 TFT 為影像源，提供 3~8∘X 1.5~2∘的視野，預計以車裝市場為主，可結合車上的資訊與娛樂系統，整合至儀表板內裝區域，為

Source：MAGNA

Source：Abt

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一埋入式架構。

圖 12 Visteon HUD

‧國內研發技術介紹

國內 ARTC 的光學設計中心亦有開發一 HUD 架構，藉由使用一種特殊的光學元件，可具有兩種光學功能，經由設計的光路，當光以不同角度與方向通過該

元件時，兼具鏡片偏移(lens shift)與凸透鏡功能，因為光來回通過，所以此結構使用該元件兩次，以提供不同的功能，並使其光路的壓縮。在這種設計下，光學元

件的數目和 HUD 的大小都可以縮減[8]，其光學架構如圖 13 所示。

圖 13 HUD 光學架構

如表 2、圖 14 所示。依模擬結果，其系統顯示畫面約為 16.1 吋的虛像光學系統，其虛像的場曲，畸變和橫向色彩是符合人眼可視性需求[9]。虛像距離約為 2.1公尺，該成像品質達到人眼識別的需求。表 2 為系統和成像品質最佳化後的規格。

Source：Visteon

屏幕 投影機

眼睛

疊像片

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表 2 ARTC 抬頭顯示器的規格

虛像距離 >2.1m

虛像尺寸 356mm*200mm

場曲 -2.8%

Eye box 尺寸 98mm×55mm

此抬頭顯示器之雛型，裝配在汽車頂棚之下，它的體積足夠緊湊而不妨礙駕駛人的視線，如圖 14 所示。

圖 14 安裝虛像光學系統與其位置

即使在明亮的天空作為背景的狀況下，行車資訊依然能清楚顯示。顯示內容如，前方車距警示、行駛速度與速限…等綜合資訊，且因為人眼看 HUD 的影像時，不用花費許多時間將焦距從車外移進車內，所以這些顯示的圖像可以快速判

讀，圖 15 所示為實驗平台的 HUD 系統之實際顯示效果。

圖 15 虛像光學系統實際效果

與其他的 HUD 系統相比，ARTC 此系統所需的結構較小，光學元件也較少，以相同的顯示效果而言，它至少減少了一個光學元件的高度，因此在相同的功能

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下，體積可以更小，對在汽車狹小空間上安裝 HUD 是相當有利的設計。ARTC與國際同步已經建置 HUD 相關技術能量，並已經有導入業界產品化之實例，對於欲踏入 HUD 產業的車電廠或系統廠商，可以各種技術移轉或委託設計等合作方案，共同開發進入此一新興市場。

生理感測

‧市場趨勢與背景

駕駛者的生理狀態，與用路人的安全息息相關，因事故發生在駕駛者之生理低潮或是情緒不穩定的比率占總事故的 60%，所以除了各式車載安全輔助駕駛系統(硬體)外，駕駛者本身的生理狀態也是關鍵的因素。例如當駕駛人在血氧不足時，會感到體力不濟、精神恍惚，對於高速行駛中之車輛以及複雜之交通路況，做出

錯誤判斷機率會大幅增加。為此，發展駕駛者生理狀態監測技術，可在駕駛者生

理狀況不穩定時，發出警告或是介入控制策略，以減少駕駛者因失能對自己與路

人之傷害益形重要。因應老人化社會，各國更有研究立法避免之需求出現。 因駕駛者生理訊號監控系統將成為行車安全重要指標之一，近幾年車輛開始配備的都以監測駕駛者疲勞為主，而 AUDI、BMW、Mercedes、Volvo、Opel、Ford、Nissan 等歐美日系車廠都已著手發展駕駛者生理訊號，及急發性的疾病監控。依Statista的市場調查顯示，2015~2030年之駕駛感測器全球市場的產值預估，從 2015年的 4 億美元，至 2030 年將成長至 250 億美元，如圖 16 所示。

圖 16 生理感測器系統產值推估

去年消費電子展中，許多科技大廠也相繼推出生理監測系統概念產品，甚至TOYOTA、NISSAN、FORD、Mercedes 皆在車內安裝研發中的生理監測系統，進行開發測試，而 FORD 目前正在開發穿戴式裝置，即智慧手錶(如圖 17 所示)，並

市

值

2015~2030 年之駕駛感測器全球市場產值預估

(單位：10億美元 )

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以此擷取駕駛者的生理數值與先進駕駛輔助系統結合，利用生理數據推斷駕駛者

沒有足夠的睡眠，或是心跳過快時，自動調整自適應巡航或盲點偵測的敏感度，

調整與前車或車輛間的距離，讓駕駛者能有更多時間作出反應，這些技術研究，

未來將帶動國際車廠導入生理監測系統應用的風潮。

圖 17 FORD 智慧手錶及車輛整合系統

‧主要技術介紹

生理監測常需要用到的血氧、心跳感測器，使用的光感測模組傳統上絕大多數都是屬於穿透型架構[10]。其測量位置也侷限於指尖、耳垂及腳趾等部位，對於駕駛者而言，這種穿透型感測器探頭用於手指將會干涉駕駛操作方向盤，也難達

到即時的生理感測需求;而單純反射式的又容易會受到環境光干擾或雜訊而影響測量的準確度。儘管近 5 年來隨著穿戴式裝置產品的發展，市場已有推出心跳血氧手錶，但是尚無實際應用可滿足車載環境。 表 3 為幾種不同光學設計應用於測量血氧、心跳訊號之技術差異比較。ARTC跟現有產品不同的是，感測系統具有光學設計，可透過光學系統將檢測光從光源

匯聚至檢測面，再將檢測面上所散射出的訊號光匯聚至感測器，藉此提升整體的

光訊號強度，跟現行常見的光感測模組，僅有光源與感測器，有很大的不同。

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表 3 光感測模組技術差異比較 ARTC ITRI APPLE 方法 橢圓面焦點特性 微結構聚焦 透鏡聚焦

架構 示意

光路 反射式 折射式 折射式 元件 橢圓反射面 衍射元件 Fresnel lens 波長 660、940 nm 660、940 nm 450、940 nm 項目 血氧、心跳 血氧、心跳 心跳

ARTC 所運用的為一種聚光且具備多焦點之光學結構，將光學結構與生理感測器結合，利用多重橢圓反射面進行多焦點設計[11]，將匯聚之光線打在手指（第一焦點）上後反射至橢圓面之第二焦點上，利用橢圓面設計可加寬經過手指面的

收光範圍，提升聚光率。本架構其感測區採反射式設計，僅需碰觸即能進行感測；

且多重橢圓反射面採一體成型設計，其定位容易，可輕易的裝置於車用方向盤上，

具有高聚光效率可提升系統之準確度。針對不同波長的檢測光，以特殊設計的反

射面、透鏡與光路架構，拉高光的使用效率與訊號強度，進而提升感測器的準確

性，並確保光學聚焦深度，檢測多功能生理訊號。 因應光學感測系統之光源會有多種不同波長光源需求，運用多重橢圓反射面，將光源輸出設計為多光之共焦點設計[12]，並運用另一組多重橢圓反射面將多個光匯整，藉由共焦之多重橢圓反射面連結多光源之光學設計，將可匯聚多個光源

成一點光源，並於各橢圓反射面的另一焦點處設置一光源，光線經其對應的橢圓

反射面後，匯聚於共焦點處，有利於系統之多光源、單一點輸出特性，如圖 18所示。

圖 18 多重共焦橢圓 XY 軸配置

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此系統結構採用 4 個橢圓面進行設計，光源及感測器採平面放置，並利用上蓋進行定位，光源及感測器其開口皆往下配置，透過下方的橢圓反射面進行聚光

後打至手指，手指反射及散射的光在透過下方的橢圓面收光至感測器上，整體為

平面式設計，可輕易的裝置於方向盤或穿戴式裝置上。 目前已將此光學感測探頭製作實際雛型，成功將血氧、心跳與心率變異率

(Heart Rate Variability, HRV)之功能整合於一反射式光學感測系統上，ARTC 的自製光學探頭為反射式架構，相較於指夾探頭的透射式架構，自製探頭之光源與感

測器在同一側，為的是能夠利於整合進方向盤中，如圖 19 所示，使對駕駛者行為干擾降到最低，並能夠連續、即時性取得數據做判斷，以達成車用生理感測之預

警需求。

圖 19 光學感測探頭整合於方向盤之雛型

因血氧與心跳無標準訊號源，ARTC 以市售醫療級器材的血氧機為標準比對

件來判別訊號來源之準確率。其型號為 Rossmax SA-310，其準確率規格為，血氧濃度值：70% ~99%±2%、35%~ 69% (未定義) ，心跳：30~ 250 ±3 bpm，進行血氧與心跳之準確率之比對，其比較結果(平均值)，兩個數值之誤差率皆在2%以下，如表 4 與表 5 所示，顯示此雛型已達到車載生理感測技術之準確率需求。

表 4 Rossmax SA-310 與 ARTC 血氧量測結果比較

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表 5 Rossmax SA-310 與 ARTC 心跳量測結果比較

HRV 是一種量測連續心跳速率變化程度的資訊，其計算方式主要是分析藉由心電圖或脈搏量測所得到的心跳與心跳間隔的時間序列。ARTC 運用心跳所擷取之連續 PPG 訊號，因可定量並分辨交感神經與副交感神經相互作用，可做為特定生理狀況的預測指標。如心臟與心血管疾病方面，其迷走神經的衰減會反應在心

率變異上。而心理、壓力會造成自律神經的緊繃，降低心率變異度，故可依此做

量化評估。 依據美國食品藥品管理局（Food and Drug Administration, FDA）所制訂之處

理流程進行 HRV 分析，以快速傅利葉轉換(Fast Fourier Transform, FFT)對 PPG 訊號做時域對頻率轉換，並將特定頻率區間之功率頻譜，分別以積分求得低頻(Low Frequency, LF)、高頻(High Frequency, HF)與 LF/HF 之訊號，其值可辨別受測者心理情緒，過小(3)可能代表有心情煩躁的傾向[13]，皆為異常狀態。

‧努力方向

ARTC 目前所發展的血氧、心跳與 HRV 分析之整合感測技術，利用特定波長之光強度改變，開發一駕駛者監測用的光學生理非侵入式感測技術。目前所發展

的系統將血氧、心跳與 HRV 之功能整合於一反射式光學感測系統上，並嵌入至方向盤中，達到車用系統之需求，不會對駕駛者原有的開車習慣造成任何影響，

或不適感。未來將運用標準訊號源及醫療用器材，對血氧、心跳、HRV 進行更嚴謹的比對測試，並在車用環境下針對各種使用情境進行干擾因子評估並完成系統

優化，使車輛中心所發展的系統，更具有力的實證性，並持續精進演算法與濾波

器設計，將外界雜訊減弱、排除，改善訊雜比以提升量測的可靠度，使整個系統

更具有實用能力。

總結

隨著車用光電技術大力發展，行車安全相關技術已成為現今的發展主流。新

款式的抬頭顯示系統產品在裝車及後裝市場不斷推陳出新，如 Nuvdy、IRIS、SHINEX、CarPlus、CarRobot 等；雷射車燈也隨著 BMW、AUDI 相繼發表，可預期將會是未來高價值、高效能照明之代表性配備；駕駛人生理感測有 TOYOTA、BMW、FORD 等領導性廠商持續發展，並多數運用光學感測探頭，也指引出下一

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個亮點技術。 光學技術在車輛領域中，除了原有的車燈照明領域外，因為是新領域且系統

技術門檻較高，國內產業界對此關鍵技術之掌握較為缺乏，造成目前國內廠商大

多未量產相關之產品。因此研究機構 ARTC 於 100~103 年率先進行抬頭顯示系統開發、104 年發展生理感測技術，並在今年開始執行雷射車燈先期研究。目前在專利、技術與產品雛型上都有相關布局。透過本文之扼要介紹，希望國內產學研

能關注此新一波商業技術發展機會，一起努力來協助國內廠商縮短系統產品開發

與進入商品化時程，並掌握獨立自主的技術以提升競爭力。 參考文獻 [1] Takeshi Waragaya, Yoshiaki Nakazato, Toshimichi Anzai, Laser/LED Headlights,

International Display Workshop 2015, pp.1086-1089, 2015. [2] B. Willeke1, et al., High Resolution Headlamp – Investigation towards a

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[10] 反射式血氧饱和度监测仪的设计(李景文,龙村, 张保洲, 朗亚军, 黄兵, 中国医学科学院)

[11] US4754381 Ellipsoidal reflector concentration of energy system (James W. Downs, 1988/06/28)

[12] 國科會計畫 NSC 101-2221-E-168 -003 共焦橢球殼連結多光源之自由曲面透鏡設計及汽車車頭燈應用(林穀欽,崑山科技大學機械系)

[13] 情緒偵測系統-以 LabVIEW 為平台之系統設計(王士鴻, 黃柏皓, 蔣德威, 朝陽科技大學資訊與通訊系)

圖18 多重共焦橢圓XY軸配置