楊 志，安淑苗，龐宏力

(1.曼德電子電器有限公司保定光電分公司，河北 保定 071000； 2.長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北 保定 071000)

引言

當(dāng)前自適應(yīng)遠(yuǎn)光燈技術(shù)已廣泛應(yīng)用于中高端汽車上，通過(guò)改變引起同向/對(duì)向車輛駕駛員眩目的照明光束對(duì)應(yīng)的LED光源亮度，達(dá)到“遠(yuǎn)光不眩目”的效果，為夜間駕駛員提供更加安全的駕駛體驗(yàn)。但是，目前自適應(yīng)遠(yuǎn)光燈方案大多是在水平方向，實(shí)際路面照明感知效果較差。同時(shí)，LED光源的亮滅引起大分區(qū)區(qū)域的明暗變化還會(huì)分散駕駛員的注意力。為了實(shí)現(xiàn)既能防眩目，又能將用于路面照明的光束最大化，更精細(xì)的照明分區(qū)甚至像素級(jí)別的照明模式技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[1]，目前主要有兩個(gè)技術(shù)方向：高像素的LED光源(如1024芯的LED光源)和能實(shí)現(xiàn)像素照明的光調(diào)制器件(基于DMD的DLP數(shù)字光處理技術(shù)[2]、LCD液晶顯示技術(shù)、激光掃描振鏡技術(shù)三種)。

基于DLP數(shù)字光處理技術(shù)，我們將開(kāi)發(fā)超過(guò)10萬(wàn)像素的汽車頭燈，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)車燈無(wú)法實(shí)現(xiàn)的新功能。我們將主要從光源的選擇、照明系統(tǒng)和投影系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)等方面介紹基于DLP數(shù)字光處理技術(shù)的RGB像素智能激光大燈的開(kāi)發(fā)，并結(jié)合設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行整車各項(xiàng)功能的測(cè)試。

1 光源

基于DLP技術(shù)的光學(xué)系統(tǒng)效率大多在30%左右，普遍低于目前車燈行業(yè)用的反射鏡和投射式橢球光學(xué)系統(tǒng)?；诖笠晥?chǎng)角和25 m屏遠(yuǎn)光最大照度不低于100 lx的要求，需要DLP頭燈能夠輸出更多的光能量?；诠鈱W(xué)不變量守恒原理，在給定DMD芯片和光源時(shí)，DLP系統(tǒng)所能夠輸出的最大光通量Φoutput[3]為

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其中Admdh和Admdv分別表示DMD芯片水平和垂直方向上的尺寸大小,ηsys是DLP系統(tǒng)的光學(xué)效率，Ls是光源的亮度,Fnumh和Fnumv分別表示投影鏡頭沿水平方向和垂直方向的F數(shù)。

從式(1)不難發(fā)現(xiàn)，在給定芯片尺寸和光學(xué)系統(tǒng)的情況下，要想獲得更多的光輸出，就需要更亮Ls的光源，如激光光源。本文基于1.5代DMD芯片，采用RGB三基色激光作為照明光源，開(kāi)發(fā)像素智能激光大燈。 采用的激光光源規(guī)格如表1所示，實(shí)現(xiàn)色溫5 500 K的激光白光，按30%系統(tǒng)效率輸出1 200 lm的光通量。

為了使紅色、綠色及藍(lán)色激光光束能夠在空間上均勻地聚焦照射在DMD上，光源的空間分布具體如圖1所示。

圖1 DLP系統(tǒng)光學(xué)引擎中紅色、綠色和藍(lán)色三基色激光二極管的空間布置

2 照明光學(xué)系統(tǒng)

系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)方法同傳統(tǒng)汽車頭燈光學(xué)設(shè)計(jì)方法類似，首先準(zhǔn)直從激光管輸出的激光光源形成平行光束，然后通過(guò)倒裝伽利略望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行空間光束合束，最后聚焦于DMD上。相比其他基于DLP技術(shù)的投影儀或顯示系統(tǒng)，系統(tǒng)取消了勻光用的例如復(fù)眼透鏡或內(nèi)全反射等光學(xué)元件，如圖2所示。在汽車照明應(yīng)用中，遠(yuǎn)光光強(qiáng)分布是不均勻的，圖3中通過(guò)4片光學(xué)鏡片在DMD上獲得了一個(gè)類高斯型的光強(qiáng)分布，同時(shí)照明系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單和高效。

圖2 基于RGB三基色激光光源的照明系統(tǒng)光路

圖3 DMD上的高斯光強(qiáng)分布

為了消除系統(tǒng)中激光束之間的空間相干在像面上造成的散斑現(xiàn)象[4,5]，我們采用了振動(dòng)反射鏡的方法，利用人眼對(duì)光束的自動(dòng)積分來(lái)消除散斑效應(yīng)。從圖4可以看到，通過(guò)此種方法，散斑效應(yīng)基本不可見(jiàn)，像質(zhì)得到了明顯的改善。

圖4 通過(guò)振動(dòng)的反射鏡減小激光散斑效應(yīng)

3 投影光學(xué)系統(tǒng)

汽車頭燈應(yīng)用中，基于DLP技術(shù)的投影光學(xué)系統(tǒng)和一般的視頻或圖像投影儀一樣，需要一個(gè)成像級(jí)別的光學(xué)鏡頭。我們的投影鏡頭的設(shè)計(jì)參考了德州儀器(TI)的基于LED光源的汽車DLP頭燈光學(xué)設(shè)計(jì)，如圖5所示。

圖5 德州儀器汽車DLP頭燈投影鏡頭的示意圖

采用5片光學(xué)鏡片，前三片鏡片組的主要功能是矯正像差，同時(shí)和后兩面鏡子組配合組成所需的焦距，后兩片鏡子的主要功能在于將16∶9的圖像拉伸為10∶3；將圖像拉伸后鏡頭水平和垂直方向的焦距不同，最后一片鏡子起到將兩種不同焦距的成像面匹配在同一面的作用。該款投影鏡頭實(shí)現(xiàn)水平方向視場(chǎng)角20°，垂直方向6°。實(shí)際上，視場(chǎng)角和屏上最大照度是相互依賴的，在有限大小的DMD芯片上，視場(chǎng)角如果增大，屏上最大照度就會(huì)減小，影響實(shí)際夜間照明效果，反之亦然。圖6(b)的圖像模擬結(jié)果表明畫(huà)面左右邊緣具有彩帶，而上下沒(méi)有彩色帶。這說(shuō)明彩帶并非由于激光波長(zhǎng)的單一性造成的，而是由于TI 16∶9的DMD芯片拉伸為10∶3的投射圖像導(dǎo)致畫(huà)面出現(xiàn)色差造成的，雖然和基于DLP技術(shù)的商用視頻投影儀畫(huà)質(zhì)[圖6(a)]有很大差距，但是在實(shí)際路面照明投影應(yīng)用中更多的是關(guān)注其圖像輪廓信息，而不是局部細(xì)節(jié)。同時(shí)，將FOV視場(chǎng)角拉伸同樣會(huì)導(dǎo)致水平方向高的畸變，如圖7所示。

圖6 圖片成像模擬結(jié)果

圖7 RGB DLP激光大燈投影鏡頭的成像網(wǎng)格畸變

以上結(jié)論是基于德州儀器1.5代16∶9的DMD芯片得出的。新一代的2.0代2∶1的DMD芯片會(huì)取消1.5代設(shè)計(jì)所用的用于視場(chǎng)拉伸的異形非軸對(duì)稱鏡片，消除對(duì)應(yīng)的畸變、色差等問(wèn)題，整個(gè)投影鏡頭的光學(xué)元件數(shù)量也會(huì)減少，系統(tǒng)可靠性將提高。

4 DLP頭燈樣機(jī)

該款DLP頭燈樣機(jī)基于RGB三基色激光光源和1.5代的864×480分辨率的DMD芯片開(kāi)發(fā)而成，已裝配于Haval H9 SUV前燈，用于功能測(cè)試與驗(yàn)證。圖8(a)展示了DLP頭燈的光學(xué)引擎示意圖，DMD芯片集成了之前介紹的照明光學(xué)系統(tǒng)和投影光學(xué)系統(tǒng)。裝車及點(diǎn)亮實(shí)際效果如圖8(b)和 (c)所示。

激光DLP大燈的光強(qiáng)分布如圖9所示，可以看到在中心區(qū)域比較亮，比較符合汽車遠(yuǎn)光照明模式，另外輸出在屏上的是一個(gè)矩形的照明視場(chǎng)區(qū)域。

圖8 DLP激光大燈樣機(jī)

圖9 RGB激光DLP頭燈在25 m屏上的光強(qiáng)分布

圖11 在路面上投射導(dǎo)航、限速和人行道斑馬線

5 功能測(cè)試

DLP數(shù)字光處理技術(shù)提供的像素照明能夠使汽車頭燈呈現(xiàn)出許多新奇、有創(chuàng)意的照明模式?；谘b配了RGB激光DLP頭燈的Haval H9實(shí)車，我們簡(jiǎn)要介紹幾類功能：

1)防眩目。該功能實(shí)現(xiàn)的是對(duì)同向或?qū)ο蜍囕v的防眩目，圖10所示的是裝配了RGB激光DLP頭燈的Haval H9實(shí)車的防眩目功能效果圖，圖10(a)中白色框標(biāo)識(shí)了在對(duì)向車上實(shí)現(xiàn)光遮擋的區(qū)域，使對(duì)方駕駛員不眩目，如圖10(b)所示。對(duì)于路上行人的防眩目功能，由于夜間攝像頭的識(shí)別精度、作用距離和算法復(fù)雜度等問(wèn)題，在量產(chǎn)車上目前沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。但是隨著圖像目標(biāo)識(shí)別算法性能的提升，未來(lái)汽車頭燈會(huì)對(duì)夜間道路參與者實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)防眩目。

圖10 對(duì)向車的防眩目功能

2)投影符號(hào)功能。除了防眩目，投影符號(hào)功能如交通標(biāo)識(shí)等是令人感興趣的，除了投影簡(jiǎn)單的符號(hào)，還能提供與其他道路參與者的交互功能，這也許是未來(lái)自動(dòng)駕駛或無(wú)人駕駛時(shí)代車燈演化的一種可能形態(tài)[6]。圖11(a)中，在需要右轉(zhuǎn)向的時(shí)候，Haval H9頭燈會(huì)提前根據(jù)導(dǎo)航信息在距車前15～20 m位置投射右轉(zhuǎn)向標(biāo)識(shí)主動(dòng)提醒駕駛員。在限速路段，投射限速標(biāo)識(shí)提醒駕駛員不要超速，如圖11(b)所示。這些功能都能輔助駕駛員在夜間能更好地駕駛，稱之為“基于光的輔助駕駛”功能。圖11(c)中，在汽車怠速或靜止時(shí)，汽車頭燈在車前投射了人行道斑馬線，提醒行人能夠安全通過(guò)。該功能起到汽車能夠主動(dòng)與行人進(jìn)行良好的互動(dòng)。

3)私人定制功能。如果能夠提供個(gè)人定制化服務(wù)，那么對(duì)汽車品牌是有益的。在汽車啟動(dòng)時(shí)，在車庫(kù)墻上投射個(gè)性化簽名、屬于車主的一些信息或者汽車品牌Logo(圖12)，都是能夠滿足車主的個(gè)性化心理；在回家停到車庫(kù)時(shí)，投射“歡迎回家”，這無(wú)疑能使汽車更加智能地了解車主的需求。

圖12 私人定制的Haval的logo和標(biāo)語(yǔ)

6 結(jié)語(yǔ)

我們基于RGB三基色激光光源和1.5代DMD芯片開(kāi)發(fā)了 RGB激光DLP頭燈，實(shí)現(xiàn)了高精度的防眩目自適應(yīng)遠(yuǎn)光和基于光的輔助駕駛功能，滿足汽車遠(yuǎn)光配光標(biāo)準(zhǔn)要求。隨著車用照明光源技術(shù)的發(fā)展，DLP頭燈能夠?qū)崿F(xiàn)的功能會(huì)更加豐富，高像素的照明模式也會(huì)擴(kuò)展到近光區(qū)域，雨天路面反光眩目等問(wèn)題也會(huì)得到相應(yīng)的解決。