饒立鋒 周武超

摘 要：由于已有的數(shù)字光投影技術(shù)的自適應(yīng)激光前照燈未能對(duì)DMD芯片上處于“Off”態(tài)微反射鏡的光能進(jìn)行利用，造成光能利用率低，本文根據(jù)《GB 25991-2010》，通過復(fù)眼透鏡，采用三基色激光混合得到白光，再利用Light Tools軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)一套導(dǎo)光系統(tǒng)將這部分浪費(fèi)的光能導(dǎo)入遠(yuǎn)光燈的主光路，使得光能利用率從原有的65.82%提高到80%，最后配光效果完全符合國標(biāo)。

關(guān)鍵詞：DMD；導(dǎo)光系統(tǒng)；汽車遠(yuǎn)光燈；Light Tools

一、引言

本研究在基于DLP投影光學(xué)系統(tǒng)形成豐富多樣的燈型，使得車燈也能夠更加人性化的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一個(gè)光收集系統(tǒng)和導(dǎo)光系統(tǒng)，將DMD芯片上處于“Off”態(tài)微反射鏡反射的照明光進(jìn)行收集，然后通過導(dǎo)光系統(tǒng)將這部分光補(bǔ)充到遠(yuǎn)光燈的主光路上，光能的利用率提高到70%以上，通過Light Tools軟件模擬出的結(jié)果表明，照度分布和光型符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

二、光源

激光光源合成白光的方法有兩大類：（1）三基色光混合得到白光，（2）激發(fā)熒光粉。由于通過藍(lán)光 LD 激發(fā)熒光粉或三基色激光合成才能產(chǎn)生白光。藍(lán)光 LD 激發(fā)熒光粉所得白光色坐標(biāo)均勻性較差，通常中間泛藍(lán)，邊緣泛黃，同時(shí)所得白光為散射光，光束質(zhì)量差，且光譜固定不可調(diào)。因此本文的光源采用第一種。參考 LED 前照燈標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)前照燈光源光通量的要求，光源光通量≥1000lm。根據(jù)光通量計(jì)算公式：

（2.1）

其中Km= 683lm/W，查表獲得 RGB 激光二極管三種波長在人眼視覺函數(shù)V（λ）中的權(quán)重分別為 0.217、0.7100、0.0298，代入式（2.2）計(jì)算所需三種激光光源功率比系數(shù) a=1.4，求出三種光源各自的總功率，最后根據(jù)每種光源的單顆功率確定所需 RGB 激光機(jī)二極管數(shù)量依次分別為：NR=4，NG=2，NB=1。

（2.2）

將三基色激光通過光纖，然后使用雙復(fù)眼透鏡結(jié)構(gòu)對(duì)三基色激光光源進(jìn)行耦合，如圖2-2所示，根據(jù)復(fù)眼透鏡勻光機(jī)制可在焦面 P 處獲得一個(gè)矩形均勻白光光斑。

三、DMD芯片

DMD芯片是 DLP投影顯示技術(shù)中的核心器件，一種利用 MEMS技術(shù)制造的微型反射鏡陣列。每個(gè)芯片上集成了數(shù)十萬到百萬個(gè)方形的鉸接微反射鏡，每個(gè)微反射鏡則為一個(gè)像素。在電子開關(guān)的作用下，微反射鏡發(fā)生±12°偏轉(zhuǎn)，如圖2-3所示，不通電時(shí)，微反射鏡是“Flat”態(tài)；通電時(shí)，微反射鏡有兩種工作狀態(tài)，一種是“On”態(tài)，此時(shí)由光源發(fā)出的照明光經(jīng)+12°偏轉(zhuǎn)的微反射鏡面反射至投影鏡頭中，在投影屏幕上形成一個(gè)像素；另外一種工作狀態(tài)是“Off”態(tài)，此時(shí)照明光經(jīng)-12°微反射鏡反射至光吸收模塊，此時(shí)，該像素點(diǎn)是暗的。一個(gè) DMD 芯片上集成了數(shù)百萬個(gè)微反射鏡，即可形成相同數(shù)量像素點(diǎn)的畫面，通過控制不同位置處像素點(diǎn)的亮暗實(shí)現(xiàn)整幅圖像的輸出。

其中，圖2-2為三基色分立光束經(jīng)單套復(fù)眼透鏡勻化系統(tǒng)光路圖；圖2-3為DMD芯片調(diào)制照明光反射方向示意圖

四、導(dǎo)光系統(tǒng)的仿真優(yōu)化

由2.3節(jié)可知，DMD芯片工作時(shí)有兩種工作狀態(tài)——On態(tài)和Off態(tài)，其中On態(tài)光束進(jìn)入投影鏡頭投射至配光屏，而 Off 態(tài)被反射至其他處被吸收，造成光能的極大浪費(fèi)，如何設(shè)計(jì)導(dǎo)光系統(tǒng)對(duì)此部分的光進(jìn)行充分利用尤其重要。在本系統(tǒng)中，是設(shè)計(jì)一種（DMD：6.5718mm×3.699mm，像元大小 0.00764mm×0.00764mm）投影鏡頭，由于這部分光只是補(bǔ)充到遠(yuǎn)光燈的主光路，只需要在配光屏上的光斑為圓形即可，所以用Light Tools軟件設(shè)計(jì)即可。首先，需要一片反射鏡將圖2-4中處于“Off”態(tài)的微反射鏡的反射光反射至“On”狀態(tài)同樣的光線方向。

（1）透鏡的初步建立

在Light Tools軟件的光學(xué)工具庫中選擇透鏡工具，然后在已經(jīng)確定的“On”態(tài)微反射鏡方向建圓形透鏡的初步模型。選中透鏡，調(diào)出其屬性界面，根據(jù)需要來更改透鏡的幾何尺寸、形狀、厚度等參數(shù)。根據(jù)本次研究的要求，將透鏡的兩個(gè)表面設(shè)置非球面。在透鏡的參數(shù)菜單里，輸入各項(xiàng)初始值。完成透鏡的模型的初步建立。

（2）透鏡的優(yōu)化

通過設(shè)置多項(xiàng)式系數(shù)，透鏡半徑為優(yōu)化變量并設(shè)置評(píng)價(jià)函數(shù)，得到透鏡結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。在25m配光屏上得到的照度分布圖如圖3-2所示。

在Light Tools中，這部分光只是處于“Off”態(tài)微反射鏡反射的光，所以光源光強(qiáng)設(shè)置為300lm。從軟件中可知進(jìn)入自由曲面的光線條數(shù)是1000000條，在測(cè)試屏上接收到的光線數(shù)是928459，光線利用率達(dá)92.85%，超過LED遠(yuǎn)程熒光粉技術(shù)的轉(zhuǎn)換效率，且光線分布均勻，能形成良好的遠(yuǎn)光照明。照度分布滿足GB 25991-2010：

五、結(jié)論

文中根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) GB25991-2010 的配光要求，結(jié)合光學(xué)基本理論和Light Tools強(qiáng)大的工具庫、優(yōu)化功能，完成了基于DMD投影式的自適應(yīng)激光前照燈OFF態(tài)微反射鏡發(fā)射光的利用設(shè)計(jì)。通過光線追跡仿真，仿真結(jié)果完全滿足國標(biāo)的配光要求。處于“Off”態(tài)微反射鏡的這部分光能利用率達(dá)到92.85%，再加上已有的處于“On”態(tài)位反射鏡的實(shí)驗(yàn)仿真光能利用率65.82%，總的光能利用率達(dá)到80%。本文的設(shè)計(jì)有效的彌補(bǔ)了已有的基于DMD投影式的自適應(yīng)激光前照燈光能利用率低的不足之處。由圖3-2和表3-1可知，該系統(tǒng)能夠形成良好的光型，各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的照度分布均能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

參考文獻(xiàn)

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