祁高進(jìn)，宋健，張海升，熊衍建

常州星宇車燈股份有限公司，江蘇常州 213022

0 引言

車道變換是行車過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生的駕駛行為，在車道變換過(guò)程中發(fā)生的交通事故占事故總數(shù)的4%，占總死亡人數(shù)約0.5%，而由換道引起的碰撞，占此類碰撞事故的10%以上[1]，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向燈固有的發(fā)光角度容易造成視野盲區(qū)，通過(guò)地面投影輔助轉(zhuǎn)向的方式可以擴(kuò)大示警范圍，加強(qiáng)本車與其他交通參與者的交互。同時(shí)，新穎、美觀、醒目的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向燈也更符合人們對(duì)汽車的要求[2]。在未來(lái)，流水式轉(zhuǎn)向投影燈可以承載更多車輛要執(zhí)行的駕駛決策信息，延長(zhǎng)無(wú)人駕駛車輛的決策時(shí)間，提高無(wú)人駕駛的智能化水平[3]。

信號(hào)投影燈的投影技術(shù)經(jīng)過(guò)近年的開(kāi)發(fā)，主要包括微透鏡陣列(micro lens array，MLA)投影、菲林投影、數(shù)字光處理(digtal light procession，DLP)投影和自由曲面等方式。這些投影方式中，DLP投影雖然可以實(shí)現(xiàn)圖案動(dòng)態(tài)可編輯，然而其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴，未來(lái)在車輛上的普及度可能不高；MLA和自由曲面投影方式雖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)圖像編輯，而且MLA投影的成本高，自由曲面的鏡頭模組大；相比而言，菲林投影具備成本低、小型化的特點(diǎn)。本文基于菲林投影的形式，以LED為照明光源，完成了流水式轉(zhuǎn)向投影燈的開(kāi)發(fā)。利用柱透鏡的單向聚焦特性，提高了系統(tǒng)光效比；通過(guò)3個(gè)投影燈組合，形成流水式動(dòng)圖投影。下面將從光學(xué)設(shè)計(jì)理論、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、樣機(jī)試制詳情和相關(guān)測(cè)試等方面對(duì)流水式轉(zhuǎn)向投影燈的開(kāi)發(fā)進(jìn)行介紹。

1 光學(xué)設(shè)計(jì)理論

流水式轉(zhuǎn)向投影燈可分為照明系統(tǒng)和投影系統(tǒng)兩部分。其中照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遵循光學(xué)擴(kuò)展量守恒和柯勒照明條件，光學(xué)擴(kuò)展量的定義如下[4]：

(1)

式中：n為介質(zhì)折射率；θ為光束與發(fā)光面法向的夾角；dAs為面積元；dΩ為立體角元。

在沒(méi)有能量損失的光傳輸過(guò)程中，ξ是不變量，可以得出，光線準(zhǔn)直效果(Ω)、照明面積(As)和照度(?/As)之間存在相互制約關(guān)系，為了獲得足夠亮的投影，簡(jiǎn)化投影鏡頭的設(shè)計(jì)，對(duì)照明鏡頭的準(zhǔn)直效果、照明面積需要綜合考慮。為獲得均勻的照明效果，采用柯勒照明的方式，即將菲林片設(shè)置在照明系統(tǒng)的出瞳上。

設(shè)計(jì)投影鏡頭時(shí)，照明光源提供的能量應(yīng)全部進(jìn)入成像系統(tǒng)，要注意照明系統(tǒng)和成像系統(tǒng)的銜接關(guān)系，即成像系統(tǒng)的拉赫不變量J2應(yīng)不小于照明系統(tǒng)的拉赫不變量J1是設(shè)計(jì)中的原則[5]。轉(zhuǎn)向燈投影系統(tǒng)的特點(diǎn)是中等視場(chǎng)、中等口徑、低畸變和低色差，可以使用庫(kù)克式透鏡作為初始結(jié)構(gòu)，通過(guò)加入非球面來(lái)校正高級(jí)球差，提高投影像的解析度，非球面公式可以使用下式描述：

(2)

式中：z為透鏡頂點(diǎn)到光軸方向的距離；c為透鏡的基本曲率；r為朝向垂直于光軸方向的距離；k為二次圓錐常數(shù)；ai為非球面系數(shù)；pi為徑向坐標(biāo)；N為設(shè)置的項(xiàng)數(shù)；i為下標(biāo)系數(shù)。

2 照明光學(xué)系統(tǒng)

照明系統(tǒng)的應(yīng)用是為了提高能量利用率和照明均勻性，由于轉(zhuǎn)向投影燈只需滿足中等視場(chǎng)的照明，柯勒照明足以滿足照明要求，在柯勒照明系統(tǒng)中，由于光源不是直接成像到物平面上，因此物平面上的光斑均勻而平滑[6]。照明系統(tǒng)如圖1所示，先通過(guò)凸透鏡將LED光源的光盡可能收集，然后利用柱透鏡對(duì)光斑的一個(gè)方向進(jìn)行壓縮。

圖1 照明系統(tǒng)

照明方式對(duì)比如圖2所示。

圖2 照明方式對(duì)比

由圖2可以看出，相比于常規(guī)照明，采用柱透鏡的照明可以改變光斑的縱橫比，使得通過(guò)菲林片的光利用率顯著提升；通過(guò)投影圖案與照明光斑的面積之比計(jì)算光利用率，常規(guī)照明光利用率約為10.25%，使用柱透鏡后光利用率約為15.63%，光利用率大幅度提高。

3 投影光學(xué)系統(tǒng)

設(shè)計(jì)投影鏡頭時(shí)，將其視為一個(gè)倒置的照相鏡頭進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)，基于本系統(tǒng)中等視場(chǎng)、中等口徑、低色差和低畸變的要求，采用經(jīng)典庫(kù)克式結(jié)構(gòu)。投影鏡頭二維圖如圖3所示，依次是正光焦度的第一透鏡，負(fù)光焦度的第二透鏡，正光焦度的第三透鏡，并通過(guò)引入兩個(gè)非球面，提高設(shè)計(jì)自由度，極大提升了像差矯正能力。

圖3 投影鏡頭二維圖

對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行光學(xué)仿真，每個(gè)模組LED光通量按270 lm模擬，其中鏡頭高度1 m，與投影面夾角45°，照度分布如圖4所示，3個(gè)投影箭頭由近到遠(yuǎn)，對(duì)應(yīng)圖中自下而上的順序排列，第一個(gè)箭頭平均照度值約370 lx，第二個(gè)箭頭平均照度值約300 lx，第三個(gè)箭頭平均照度值約235 lx，箭頭的照度由近端到遠(yuǎn)端逐漸下降，單個(gè)圖案的顏色一致，投影圖案的均勻性很好。

圖4 照度分布

4 樣機(jī)與測(cè)試

轉(zhuǎn)向投影燈通過(guò)3組鏡頭輪流發(fā)光實(shí)現(xiàn)流水式效果，每個(gè)鏡頭使用一個(gè)LED作為光源，根據(jù)投影距離不同，各組菲林片的圖案進(jìn)行變形，使投影圖案更加一致。圖5為流水式轉(zhuǎn)向投影燈樣機(jī)。

圖5 流水式轉(zhuǎn)向投影燈樣機(jī)

將轉(zhuǎn)向投影燈架設(shè)在1 m高，以45°角對(duì)地面進(jìn)行投影，地面投影如圖6所示。3個(gè)箭頭從上至下依次亮起，形成動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)向警示圖案，利用照度計(jì)測(cè)試各圖案的照度，結(jié)果見(jiàn)表1，可以對(duì)交通參與者產(chǎn)生顯眼的提示效果。

圖6 地面投影

表1 投影圖案照度結(jié)果 單位:lx

5 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向燈普遍表現(xiàn)形式為燈光閃爍[7]、功能單一、樣式普通，而流水式轉(zhuǎn)向信號(hào)投影燈將投影系統(tǒng)應(yīng)用到轉(zhuǎn)向燈上，通過(guò)定制菲林片圖案實(shí)現(xiàn)新穎美觀的信號(hào)投影，通過(guò)投影燈組合實(shí)現(xiàn)流水式動(dòng)態(tài)效果，是一種投影照度高、圖案大以及距離遠(yuǎn)的信號(hào)投影燈，其同時(shí)具備成本低、小型化、人車交互性強(qiáng)和彰顯品牌的優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)有望成為汽車信號(hào)燈的熱門技術(shù)。