劉 松，王香娟，梁容毓

（1.覽茵汽車設(shè)計(jì)咨詢有限公司，上海 201805；2.上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

目前中國(guó)汽車保有量已成為世界第一，促使中國(guó)成為一個(gè)巨大的汽車消費(fèi)市場(chǎng)。汽車燈具市場(chǎng)也在悄然變化，主要體現(xiàn)在消費(fèi)群體變得更為年輕化，越來(lái)越多的消費(fèi)者開始追求個(gè)性、時(shí)尚的風(fēng)格；其次，汽車燈具的外觀呈現(xiàn)出多元化的特征，偏時(shí)尚、偏運(yùn)動(dòng)的外觀風(fēng)格更容易受到消費(fèi)者的歡迎；最后，汽車燈具的造型和點(diǎn)亮效果成為了消費(fèi)者的評(píng)價(jià)要素［1］。

投影燈在夜間時(shí)投射出來(lái)的圖案，不僅可以起到尋車的功能，其與眾不同的logo或圖案還能彰顯車輛身份，提升夜間迎賓效果。這種個(gè)性化的彰顯方式使其越來(lái)越受到汽車市場(chǎng)的青睞，具有巨大的市場(chǎng)空間。本文將介紹一種投影燈的新型實(shí)現(xiàn)方式，將從光學(xué)、電子方面探索這種投影燈的技術(shù)原理并進(jìn)行驗(yàn)證。

1 功能介紹

投影燈是指一類投射到地面或相關(guān)區(qū)域并形成特定圖案的燈具的泛稱。根據(jù)發(fā)光形式，主要可以分為矩陣式投影燈和菲林片式投影燈。根據(jù)安裝位置，主要可以分為后視鏡投影燈和門把手投影燈等。矩陣式投影燈成本較高，設(shè)計(jì)難度大，目前已經(jīng)逐步被菲林片式投影燈所替代。而后視鏡投影燈不僅具備投影圖案的功能，還能起到部分照明效果，安裝位置不易受到干擾，因此本文主要研究后視鏡菲林片式投影燈。

投影燈目前沒有專門的法規(guī)要求，因此不同汽車公司會(huì)對(duì)照明區(qū)域的面積、位置和發(fā)光強(qiáng)度有不同的要求。圖1為常見的投射區(qū)域要求，常見的投射區(qū)域亮度要求為30～80lx，多數(shù)情況下為白色，也可以投射其他顏色、3D效果或彩色，如圖2所示。作為非法規(guī)要求的外部燈具，其工作時(shí)應(yīng)滿足不會(huì)對(duì)其他行駛車輛造成影響，因此該燈不能在行駛過(guò)程中點(diǎn)亮，常見投影燈工作條件被定義為用戶使用車鑰匙解鎖車門或下車時(shí)打開車門的情況下點(diǎn)亮，延時(shí)一段特定時(shí)間或關(guān)閉車門后熄滅。

圖1 后視鏡投影燈投射區(qū)域

圖2 常見投射效果

2 技術(shù)原理

2.1 光學(xué)系統(tǒng)原理

投影燈是依靠透鏡成像的原理，類似膠片電影放映機(jī)的原理，它將菲林片 （圖3中部件4）中的圖案經(jīng)過(guò)放大，投射到特定區(qū)域。其圖案處在1倍焦距到2倍焦距之間，因此投射出來(lái)的圖案是成倒立放大的實(shí)像。

其光學(xué)路徑如圖3所示。Led發(fā)出的光經(jīng)過(guò)透鏡1和2，形成聚光系統(tǒng)，將錐形的LED光線轉(zhuǎn)換為均勻平行光線，通過(guò)菲林片的遮擋，只有含有圖案位置光線能夠透過(guò)該區(qū)域，經(jīng)由透鏡3、4、5組成的成像系統(tǒng)，從而將菲林片上的倒立的小圖案投影形成放大的正立的大圖案。

圖3 投影燈光學(xué)原理

2.1.1 LED的選擇

LED光源是投影燈最核心的部件，它不僅影響成像效果，還直接影響產(chǎn)品的成本，因此在選擇LED時(shí)需要參考較多方面，其中主要有主機(jī)廠對(duì)地面照度的要求、投影面積的大小、投影燈位置距投影區(qū)域的距離、投影燈結(jié)構(gòu)限制、控制輸入電流／電壓大小及形式 （如恒流或恒壓）等。經(jīng)過(guò)系列計(jì)算，最終選定合適型號(hào)的LED。

本文選擇的LED為Osram KW DMLQ31，其光通量較大，發(fā)光面積較小，適合作為光學(xué)系統(tǒng)LED使用。

2.1.2 聚光系統(tǒng)的選擇

LED發(fā)出的光不是平行光，不同二極管的發(fā)散角不同，如30°，45°，60°等［2］，聚光系統(tǒng)透鏡的作用是改變發(fā)光角度的大小，從而改變照明面積和光照度大?。?］。表面引用高次非球面來(lái)提高光源利用率，同時(shí)考慮照明透鏡部分耐溫要求，透鏡采用PC材料。該聚光系統(tǒng)采用兩片式透鏡結(jié)構(gòu)，當(dāng)光源通過(guò)透鏡1后，能將大部分光線轉(zhuǎn)化為小角度光線，通過(guò)透鏡2后進(jìn)一步將小角度光線轉(zhuǎn)化為近乎平行光線，同時(shí)提高均勻度。

2.1.3 菲林片的選擇

在以前的投影燈中，菲林片采用過(guò)膠片形式，由于耐熱和耐老化方面性能較差，現(xiàn)在已經(jīng)基本被玻璃菲林片取代了。玻璃菲林片耐熱和耐老化性能較好，是投影燈光學(xué)系統(tǒng)中的重要組件，其表面上的圖案經(jīng)過(guò)成像系統(tǒng)后形成放大幾十倍甚至幾百倍的圖像，菲林片上任何小的缺陷和誤差都會(huì)被高倍放大顯示，因此車用投影燈對(duì)菲林片的公差有著非常嚴(yán)格的要求，可達(dá)到微米級(jí)別，以保證投射出來(lái)的圖案不會(huì)產(chǎn)生缺陷和偏差。

菲林片的制作流程較為復(fù)雜，這里不過(guò)多展開介紹，主要原理是通過(guò)光刻機(jī)去除菲林片表面不透光材料，形成所需的圖案。未經(jīng)加工的菲林片類似我們常用的鏡子，經(jīng)過(guò)光刻的菲林片包含需要的圖案，如圖4所示。但該圖案并不是投影圖案簡(jiǎn)單地縮小，它需要經(jīng)過(guò)投影燈安裝的高度和角度，以及投射區(qū)域的圖形按照縮放比例進(jìn)行反向計(jì)算而來(lái)。因此菲林片上圖案的制作還需產(chǎn)品供應(yīng)商有著豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

圖4 未經(jīng)加工 （左）和經(jīng)過(guò)加工 （右）的菲林片

2.1.4 成像系統(tǒng)的選擇

成像系統(tǒng)作為光學(xué)系統(tǒng)中最精密的部分，對(duì)設(shè)計(jì)和加工要求非常高，作用是將處于一倍焦距至兩倍焦距之間的菲林片進(jìn)行放大投影，圖3所示的成像系統(tǒng)采用了正負(fù)正三片式結(jié)構(gòu)，目的在于減小地面投影色差，提高成像清晰度。常用材料為PC或光學(xué)玻璃。

色差的產(chǎn)生是因?yàn)椴煌ㄩL(zhǎng)的光顏色各不相同，其通過(guò)透鏡時(shí)的折射率也各不相同，這樣物方一個(gè)點(diǎn)，在像方則可能形成一個(gè)色斑。組合透鏡的三片透鏡彌補(bǔ)了單透鏡對(duì)色差無(wú)法修正的特性，通過(guò)縮小軸向色差和垂向色差的浮動(dòng)范圍，最終能達(dá)到較好的色差優(yōu)化效果。

投影的效果除了顏色以外，還有圖像的形狀以及清晰度。在光學(xué)設(shè)計(jì)中還需要查看成像場(chǎng)曲、畸變浮動(dòng)范圍 （圖5），成像清晰度的浮動(dòng)范圍 （圖6）。通過(guò)優(yōu)化透鏡曲面參數(shù)以及透鏡相對(duì)位置，最終通過(guò)模擬仿真確認(rèn)組合透鏡設(shè)計(jì)的可行性。

2.2 電子系統(tǒng)原理

該投影燈內(nèi)部的電路主要由電容、電阻、整流二極管、發(fā)光二極管和三極管組成，具體示意圖見圖7。由于車上正常電壓會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，如果不采用恒流驅(qū)動(dòng)電路會(huì)影響LED工作電流，而LED亮度取決于工作電流，如圖8所示，因此我們必須采用恒流驅(qū)動(dòng)電路，使LED電流不受輸入電壓波動(dòng)影響，保證產(chǎn)品亮度的穩(wěn)定性。該投影燈通過(guò)三極管和電阻搭建恒流驅(qū)動(dòng)電路，電路相對(duì)較為簡(jiǎn)單，成本較低，且易滿足EMC測(cè)試要求。我們選用了FR4材質(zhì)的PCB板，并進(jìn)行了熱模擬，結(jié)果顯示LED在高溫 （65℃）條件下工作未超過(guò)節(jié)溫，符合設(shè)計(jì)要求。

圖5 成像場(chǎng)曲、畸變浮動(dòng)

圖6 成像清晰度浮動(dòng)

圖7 電路原理圖

3 模擬及結(jié)果驗(yàn)證

3.1 光學(xué)模擬

確定光學(xué)和電子方案后，根據(jù)照地圖案大小及位置反向設(shè)計(jì)了菲林片上的圖案，并模擬裝車位置使用SPEOS軟件進(jìn)行了模擬，結(jié)果如圖9所示，路面照明值達(dá)到了46lx，滿足了照度設(shè)計(jì)要求，且邊界較為清晰，達(dá)到了預(yù)期的效果。可以認(rèn)為該設(shè)計(jì)方案是可行的。

圖8 發(fā)光強(qiáng)度與電流之間的關(guān)系

圖9 模擬真彩圖 （左）及偽色圖 （右）

3.2 樣件檢驗(yàn)

確定光學(xué)和電子方案后，設(shè)計(jì)了光學(xué)系統(tǒng)的支持結(jié)構(gòu)（殼體），該結(jié)構(gòu)保證了光學(xué)組件始終處在設(shè)計(jì)位置，且對(duì)菲林片進(jìn)行了固定，防止其旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致投影圖案處在不正確位置。之后對(duì)該殼體進(jìn)行了數(shù)字化快速加工，對(duì)表面品質(zhì)要求較高的光學(xué)透鏡進(jìn)行了軟模件加工。為了評(píng)價(jià)投影圖案邊界的清晰程度，提出了用于檢驗(yàn)梯度的公式，Gradient=lg（luminancen+5）-lg（luminancen-5），形成梯度趨勢(shì)。之后捕捉圖像，在圖像上拉取2根等距線 （圖10），檢測(cè)2根線上的亮度分布，用曲線中的極值來(lái)評(píng)判梯度是否合格。我們認(rèn)為該數(shù)值大于1則為合格。

樣件完成后，我們對(duì)其進(jìn)行了檢測(cè)，如圖10所示，其光照度達(dá)到了42lx，在10%的公差范圍內(nèi)，我們認(rèn)為合格。而梯度值也大于1，由此可見梯度滿足要求，而實(shí)際查看邊界清晰度也較高，均勻性較好。從而再次驗(yàn)證了方案的可行性。

圖10 樣件檢測(cè)

4 結(jié)論與展望

本文提出了使用透鏡系統(tǒng)加菲林片的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)投影燈的功能，使用模擬手段驗(yàn)證了該方案的可行性，使用樣件檢測(cè)驗(yàn)證了該方案的有效性。

車用投影燈結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性好，光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)要求較高，對(duì)于光學(xué)設(shè)計(jì)具有重要挑戰(zhàn)。透鏡作為透鏡光學(xué)系統(tǒng)中的重要元件，其對(duì)任意角度的出射光線均有良好的控制能力，體積小，效率高，這種高集成度透鏡將會(huì)越來(lái)越多地出現(xiàn)在LED光學(xué)設(shè)計(jì)中［3］。

當(dāng)前投影燈的圖案／Logo完全取決于加工到菲林片上的圖案，而該圖案是固定不變的，因此使得投影圖案也無(wú)法變化，這就是市面上絕大部分的投影燈都只具備投影一種圖案的主要原因。隨著5G的應(yīng)用和車聯(lián)網(wǎng)的興起，如何提供可變化的圖案或者用戶能自定義的圖案以及分辨率更高的投影效果，對(duì)于實(shí)現(xiàn)車輛與車主或其他道路用戶的交互以及提升道路交通安全等方面具有重要意義，將會(huì)是我們今后研究的目標(biāo)。

鳴謝：本文受到上海福宇龍汽車科技有限公司支持，在此表示感謝！