后視鏡投影燈缺陷分析及改善方案的研究

王香娟，劉 松，張 麗

（1.上汽大眾汽車有限公司，上海 202112；2.覽茵汽車設(shè)計(jì)咨詢有限公司，上海 202112；3.寧波福爾達(dá)智能科技股份有限公司，浙江 寧波 315321）

中國(guó)汽車保有量已經(jīng)躍至世界第一，汽車消費(fèi)市場(chǎng)廣大，并且汽車消費(fèi)群體有年輕化的趨勢(shì)。投影燈在夜間時(shí)投射出來的圖案，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越受到汽車市場(chǎng)的青睞，具有巨大的市場(chǎng)空間。目前越來越多的車型開始配備投影燈，但是投影的效果具有明顯差異，因此提升投影燈品質(zhì)的研究具有重要意義。本文將從投影燈的3個(gè)常見問題出發(fā)，分析其形成原因及影響因素，并最終改善其投影效果。

1 后視鏡投影燈原理

后視鏡投影燈是一款安裝在后視鏡部位、燈光投射到主副駕車門外側(cè)地面的氛圍燈，起到了尋車、示警、迎賓及彰顯車輛身份的作用。其表現(xiàn)效果如圖1所示。

圖1 后視鏡投影燈效果

投影燈主要由3個(gè)部分組成，分別為聚光系統(tǒng)、菲林片和成像系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 投影燈組成

其中，菲林片由菲林支架固定。同時(shí)，菲林支架連接固定聚光系統(tǒng)和成像系統(tǒng)。以上整個(gè)鏡頭組裝配在帶有透明燈罩的黑色殼體內(nèi)。首先，帶有發(fā)散角度的LED面光源經(jīng)過聚光系統(tǒng)變成近似均勻分布的平行光，經(jīng)過有特定光闌形狀的菲林片形成帶有圖案的像。之后，圖像光線經(jīng)過成像系統(tǒng)適當(dāng)放大，糾正像差及色散，形成一個(gè)有固定大小的LOGO。

2 缺陷分析與改進(jìn)方案

缺陷主要來源于在SPEOS模擬時(shí)及樣件調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的問題，在相似結(jié)構(gòu)的投影燈中較為常見。

2.1 雜光

雜光是除投影預(yù)期獲得的燈光效果以外的其他光線的總稱，主要有3種表現(xiàn)形式：光環(huán)、重影及環(huán)境光。

1）光環(huán)。即雜散光在投影邊緣形成一圈具有明顯邊界的光環(huán)，在亮度較低的環(huán)境下尤為明顯。這樣大大降低投影圖案對(duì)比度，影響用戶體驗(yàn)。

在SPEOS中進(jìn)行模擬，擴(kuò)大接受傳感器面積，發(fā)現(xiàn)投影圖案邊緣確實(shí)有一圈較微弱的光圈，進(jìn)行光線追跡發(fā)現(xiàn)，絕大部分光圈光線來自透鏡邊緣。通過對(duì)比光學(xué)模擬和樣件測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，樣件光圈亮度更大，分析由于工藝未達(dá)到預(yù)期效果產(chǎn)生。

優(yōu)化方案：在透鏡組成像部分增加擋光圈，并在出光孔側(cè)壁添加皮紋。雜光優(yōu)化前后對(duì)比如圖3所示。

圖3 雜光優(yōu)化前后對(duì)比

2）重影。是在正常投影范圍內(nèi)，出現(xiàn)與投影圖案一致的倒像，這并非設(shè)計(jì)意圖的圖像。

通過在軟件中進(jìn)行光線追跡，如圖4所示。發(fā)現(xiàn)重影是初次射出的圖案光線，經(jīng)過殼體上燈罩的內(nèi)表面反射，再次進(jìn)入透鏡組后，由菲林片反射后射出的像。

圖4 對(duì)重影的光線追跡

優(yōu)化方案：降低菲林片表面反射率，對(duì)燈罩進(jìn)行雙面鍍膜。重影優(yōu)化前后對(duì)比如圖5所示。

圖5 重影優(yōu)化前后對(duì)比

3）環(huán)境光。在圖案附近有零散的光線，光線來源于透鏡表面、殼體內(nèi)表面等多個(gè)面的反射，在這種小型結(jié)構(gòu)的投影燈中幾乎不可能完全去除。

優(yōu)化方案：對(duì)透鏡鍍膜，減少雜散光。

2.2 清晰度不良

圖案的清晰程度是投影燈的重要評(píng)價(jià)參考，直接影響用戶的觀感。

排除其他因素影響，清晰度不良的主要原因?yàn)橥哥R組結(jié)構(gòu)問題。

在多次的樣件調(diào)試與測(cè)量過程中，總結(jié)出以下會(huì)較大程度地影響圖案清晰度的3點(diǎn)。

1）菲林支架的高度和平面度。一般情況下，成像透鏡部分高度差距十分微小，且對(duì)成像效果影響極其有限。因此，菲林支架高度將直接影響成像焦距。菲林支架過高，會(huì)導(dǎo)致清晰成像的距離變近。實(shí)裝到車輛上就會(huì)導(dǎo)致地面成像模糊，反之亦然。支架平面度不佳會(huì)導(dǎo)致圖案一側(cè)模糊，差距過大甚至?xí)?dǎo)致圖像變暗及偏移。

2）燈罩平面氣泡問題。如果燈罩選擇與殼體一體雙色注塑，較小的透明材料區(qū)域?qū)?huì)導(dǎo)致注塑產(chǎn)生氣泡或者收縮問題，影響出光區(qū)域的純凈度及平面度。

3）透鏡組與殼體結(jié)構(gòu)緊密程度。透鏡組結(jié)構(gòu)過緊會(huì)導(dǎo)致個(gè)別透鏡受力變形，使光線傳播路徑發(fā)生改變，致使清晰度變化或圖案變形。結(jié)構(gòu)過松則會(huì)在運(yùn)動(dòng)過程中透鏡組產(chǎn)生松動(dòng)、錯(cuò)位，同樣無法保證成像的清晰度。

優(yōu)化方案總結(jié)：優(yōu)化透鏡組和殼體的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；選擇技術(shù)能力可靠的供應(yīng)商提供零件。

2.3 光色

本文所論述的投影燈顏色主要受3個(gè)因素影響：LED顏色、菲林片顏色及菲林片圖案與LED的相對(duì)位置。

1）LED顏色。是決定投影燈光顏色的最主要因素。經(jīng)過樣件檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，不同color rank的LED在同一組投影燈中的表現(xiàn)區(qū)別相當(dāng)明顯。

以NICHIA的NJSW170DT這款LED為例，選取多顆兩個(gè)相鄰color rank的LED進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)其色坐標(biāo)記錄對(duì)比，數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 色坐標(biāo)對(duì)比

兩種LED在色坐標(biāo)數(shù)據(jù)上有明顯差異，這種差異在人眼視覺下表現(xiàn)為使用Rank 1的LED的投影燈圖案顏色偏藍(lán)偏冷；使用Rank 2的LED的投影燈圖案顏色偏黃偏暖。

優(yōu)化方案：選擇同一款LED的相同color rank保持顏色穩(wěn)定，使用同一批次的LED減少誤差。

2）菲林片顏色。在樣件裝配調(diào)試的過程中發(fā)現(xiàn)，菲林片鍍層顏色同樣會(huì)對(duì)投影圖案顏色產(chǎn)生一定的影響，結(jié)合光線追跡分析是由菲林片表面反射導(dǎo)致。

如圖7所示，本文對(duì)4種上下表面分別為黑/紫、銀/黃、銀/黑、銀/紫的菲林片進(jìn)行測(cè)試對(duì)比。

圖7 4種顏色菲林片

測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 LED標(biāo)準(zhǔn)color rank與透過不同菲林片光線色坐標(biāo)對(duì)比

總體上來說，無論什么顏色的菲林片都會(huì)或多或少地使投影圖案色坐標(biāo)偏移。①對(duì)比3組上表面為銀色的菲林片，發(fā)現(xiàn)菲林片下表面顏色會(huì)對(duì)圖案顏色產(chǎn)生直接影響；②對(duì)比銀/紫、黑/紫兩組菲林片，發(fā)現(xiàn)兩者色坐標(biāo)相近，分布區(qū)域幾乎重合，后續(xù)又增加對(duì)比數(shù)據(jù)，仍沒有較大偏差，因此認(rèn)為菲林片上表面對(duì)圖案顏色幾乎沒有影響。

優(yōu)化方案：降低菲林片下表面反射率可以降低其對(duì)顏色的影響。

注：菲林片下表面顏色會(huì)對(duì)投影燈圖案顏色產(chǎn)生小幅影響。在LED確定，又與預(yù)期效果有較小偏差時(shí)，可通過改變菲林片顏色來達(dá)成目標(biāo)。

3）菲林片圖案與LED的相對(duì)位置。LED與菲林片圖案的相對(duì)位置不會(huì)影響投影圖案的整體顏色，但當(dāng)菲林片圖案靠近LED出光范圍邊緣時(shí)，圖案邊緣也會(huì)出現(xiàn)變色現(xiàn)象。

在SPEOS模擬中，投影燈光范圍邊緣出現(xiàn)變色現(xiàn)象，若圖案靠近邊緣，則易導(dǎo)致邊緣發(fā)黃現(xiàn)象。

分析其原因，是因?yàn)闊艄膺吘壒饩€數(shù)量變少，使邊緣發(fā)暗發(fā)黃。

優(yōu)化方案：移動(dòng)菲林片上的圖案位置，使其相對(duì)居中。圖案移動(dòng)前后對(duì)比如圖9所示。

圖9 圖案移動(dòng)前后對(duì)比

結(jié)合圖9可見，移動(dòng)圖案位置可以規(guī)避投影邊緣發(fā)黃部分，使圖案光色均勻。

2.4 其他缺陷

主要問題在上文已經(jīng)進(jìn)行分析。其他常見缺陷還有黑點(diǎn)、圖案暗區(qū)等，會(huì)對(duì)用戶視覺感受產(chǎn)生一定影響。黑點(diǎn)、暗區(qū)等問題成因主要在裝配階段。若在透鏡組聚光系統(tǒng)部分處進(jìn)入了灰塵等雜質(zhì)，會(huì)在投影圖案上出現(xiàn)暗區(qū)。拉近圖案后會(huì)發(fā)現(xiàn)有雜質(zhì)清晰的陰影輪廓呈現(xiàn)在像上。如果在菲林片上出現(xiàn)雜質(zhì)（或菲林片圖案缺碎），那么在正常投影位置，投影圖案會(huì)出現(xiàn)雜質(zhì)的陰影（或缺損）。

優(yōu)化方案：改善裝配環(huán)境，優(yōu)化裝配環(huán)節(jié)，減少雜質(zhì)進(jìn)入透鏡組。

3 結(jié)論與展望

本文分析了后視鏡投影燈設(shè)計(jì)與后續(xù)裝配過程中出現(xiàn)的常見缺陷，并進(jìn)行詳細(xì)分析，再針對(duì)其缺陷的形成原因，結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了可行的優(yōu)化方案。

隨著后視鏡投影燈在汽車燈具領(lǐng)域越來越廣泛的應(yīng)用，其成像品質(zhì)將會(huì)越來越受到客戶關(guān)注，文中對(duì)投影燈缺陷的分析和優(yōu)化方案，將在以后的設(shè)計(jì)和裝配中提供有效的幫助。

本文提供的分析和方案尚只針對(duì)如后視鏡投影燈類似的結(jié)構(gòu)，有一定的局限性。在今后的研究中，會(huì)繼續(xù)深入分析，推出對(duì)大多數(shù)投影燈適用，更具普遍性的技術(shù)優(yōu)化總結(jié)。