DLP大燈設(shè)計與應(yīng)用研究

王琛 徐勝亮 周猛 李揚劍

摘? 要：車燈是汽車核心零部件，集駕駛安全、場景應(yīng)用、信息交互功能于一身，正朝智能化和功能化方向發(fā)展。數(shù)字投影技術(shù)的應(yīng)用為汽車大燈帶來革命級別的技術(shù)創(chuàng)新，誕生更加智能和更多功能的數(shù)字投影大燈。由于數(shù)字投影大燈具有亮度高、分辨率高、應(yīng)用場景多及安全性強等諸多優(yōu)勢，正成為汽車大燈的未來趨勢?；诤芨叩幕A(chǔ)研究價值和應(yīng)用前景，該文系統(tǒng)地研究基于數(shù)字微鏡的數(shù)字投影大燈的設(shè)計原理以及應(yīng)用場景。

關(guān)鍵詞：車燈；數(shù)字光處理；高像素；數(shù)字投影大燈；設(shè)計方案

中圖分類號：U463.65? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）10-0122-04

Abstract： Headlights are the core components of the automobile， which integrates driving safety， scene application and information interaction， and is developing in the direction of intelligence and functionalization. The application of digital projection technology has brought revolutionary technological innovation to automobile headlamps， giving birth to more intelligent and more functional digital projection headlamps. Because digital projection headlamps have many advantages， such as high brightness， high resolution， many application scenes， strong security and so on， they are becoming the future trend of automobile headlamps. Based on the high basic research value and application prospect， this paper systematically studies the design principle and application scene of digital projection headlamp based on digital micromirror.

Keywords： headlight; digital light processing; high pixel; digital projection headlights; design scheme

隨著技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展，汽車行業(yè)正在發(fā)生百年一遇的產(chǎn)業(yè)變革。在2025年中國智能制造的政策規(guī)劃下，汽車正在走向新四化（電動化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化和共享化）。在新四化的大背景下，汽車前大燈正朝著傳統(tǒng)照明—AFS（Adaptive Front-lighting System，自適應(yīng)前大燈系統(tǒng)）—ADB（Adaptive Driving Beam，自適應(yīng)遠光燈系統(tǒng)）—數(shù)字投影大燈（像素大燈）的智能化方向發(fā)展[1]。

數(shù)字投影大燈的原理是將數(shù)字投影技術(shù)應(yīng)用到汽車前大燈上，核心是光信號的數(shù)字化處理[2]。和ADB大燈相比，數(shù)字投影大燈在亮度、分辨率、信息交互及安全性等方面更具優(yōu)勢。目前，常見的數(shù)字投影大燈方案有DMD（Digital Micro-mirror Device，數(shù)字微鏡晶片[3]）方案和Micro-LED方案[4]。馬瑞利、華域視覺、曼德光電等多家國內(nèi)外車燈廠都掌握了基于DMD方案的DLP（Digital Light Processing）大燈技術(shù)，并成功在奔馳S、奧迪E-tron Sportbcak、高合HiPhi X和智己等車型上實現(xiàn)搭載。而Micro-LED大燈還未實現(xiàn)量產(chǎn)，具有Micro-LED大燈技術(shù)的車燈廠有海拉、馬瑞利等國外廠家，國內(nèi)關(guān)于Micro-LED大燈的研究還處于技術(shù)預(yù)研階段?；诿绹轮輧x器TI公司DMD芯片的DLP大燈已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量的成像效果，像素數(shù)量達到130萬[5]。而Micro-LED（80*320的矩陣排列）大燈的像素數(shù)量僅為2.56萬[6]。擁有更高像素和技術(shù)成熟度的DLP大燈是當(dāng)前的研究熱點，具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

本文的主要內(nèi)容是系統(tǒng)地介紹DLP大燈的設(shè)計原理和應(yīng)用場景。設(shè)計原理部分詳細介紹了DLP大燈的設(shè)計過程。應(yīng)用場景則是根據(jù)DLP大燈的核心優(yōu)勢（更好的駕駛體驗和更好的交互體驗）介紹。最后，本文根據(jù)汽車的發(fā)展趨勢，總結(jié)DLP大燈的未來發(fā)展的方向。

1? DLP大燈的設(shè)計

DLP的光學(xué)設(shè)計是基于Zemax軟件開展的。基于奧迪DLP大燈的結(jié)構(gòu)，設(shè)計了DLP大燈，如圖1所示。所設(shè)計的DLP大燈需要滿足的指標(biāo)是：輸出光通量大于650 lm，25 m屏幕上最大照度大于110 lx，水平方向和豎直方向的視場角分別達到24°和6°，MTF值在特征頻率處的最小值大于0.5，光學(xué)畸變小于3%。DLP大燈在結(jié)構(gòu)上主要由3部分組成，分別是聚光系統(tǒng)、DMD芯片和投影系統(tǒng)。

圖1? DLP大燈的設(shè)計方案示意圖

聚光系統(tǒng)包括高功率LED、方棒和自由曲面反射鏡。由于LED光源發(fā)出的光是非均勻分布的，而DMD芯片中的微反射鏡是方形的，為了提高光能的利用率以及照射到DMD芯片上光源的均勻性，必須要將光斑轉(zhuǎn)化為均勻分布并且與DMD芯片尺寸一致的矩形光斑，需要進行勻光和聚光處理。目前，勻光處理最常用的方法是方棒方案和復(fù)眼透鏡方案。設(shè)計的DLP大燈采用的是方棒方案[7]。方棒是一種長方體狀的導(dǎo)光管，類似于光纖，其既可以是空心的也可以是實心的。其中，空心方棒的工作原理是光的反射，其在內(nèi)側(cè)鍍上高反膜，光在方棒內(nèi)側(cè)發(fā)生多次反射向前傳輸。實心方棒同樣是使光束在方棒內(nèi)側(cè)發(fā)生反射并向前傳輸，不過其在中心填充了具有較高折射率的材料，利用的是光的全反射原理。當(dāng)光源發(fā)出的光進入方棒后，不同角度入射的光纖會在方棒內(nèi)側(cè)發(fā)生多次反射，不斷向前傳播。在這一過程中，產(chǎn)生由多個虛擬光源形成的二維陣列，對方棒后端進行照明，能產(chǎn)生更加均勻的光斑。由于光斑的形狀與方棒的端面形狀一致，通過特定設(shè)計使得方棒端面的長寬比與DMD芯片的長寬比保持一致可以使光斑形狀與芯片形狀保持一致。

DMD芯片是由德州儀器TI公司設(shè)計的基于MEMS （Micro-Electro-Mechanical System）技術(shù)的微反射鏡陣列。每個DMD芯片包含了十萬至百萬個微米級的微反射鏡，其堆積在CMOS硅基片上[8]。當(dāng)光束照射到微反射鏡陣列上時會發(fā)生反射，產(chǎn)生相當(dāng)于微反射鏡數(shù)目的小光源，因此每個微鏡作為一個像素。也正因為如此，利用DLP技術(shù)可以產(chǎn)生百萬級的像素。在電信號的作用下，DMD芯片上的每個微反射鏡可以發(fā)生+12°或-12°的偏轉(zhuǎn)。照明光束經(jīng)過+12°偏轉(zhuǎn)的微反射鏡反射后可以進入到投影系統(tǒng)并照射到屏幕上。光束照射在-12°偏轉(zhuǎn)的微反射鏡上時則會被反射到吸收模塊。通過單獨控制DMD芯片上每個微反射鏡的角度可以控制對應(yīng)像素點的亮暗，從而實現(xiàn)高達百萬級像素的高分辨率投影成像。因此，將DLP技術(shù)運用到汽車前照燈上可以極大提高前照燈的像素，實現(xiàn)高分辨率照明。

DLP大燈的投影系統(tǒng)，是將DMD出來的光投影到遠方路面上，需要呈現(xiàn)大視場、高亮度、高分辨率的特點。投影系統(tǒng)的設(shè)計步驟包括初始結(jié)構(gòu)的確定和系統(tǒng)的優(yōu)化2部分。設(shè)計的投影系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，使用的2個透鏡分別是負焦距非球面鏡和正焦距非球面鏡。采用這種正負焦距組合的透鏡，可以很好地消除色差。選定初始結(jié)構(gòu)后，需要設(shè)定變量和約束條件。這里主要是根據(jù)設(shè)計系統(tǒng)的尺寸需求、指標(biāo)需求。一般設(shè)定的變量有曲率半徑、厚度、空氣間隔、玻璃屬性（折射率或阿貝系數(shù)）和非球面系數(shù)等，約束的條件有光學(xué)系統(tǒng)長度、半徑、系統(tǒng)F數(shù)、有效焦距、透鏡邊緣厚度、光線入射角和像差控制等。

圖2? 投影系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

像質(zhì)分析評價的內(nèi)容包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、光路圖、幾何像差曲線圖、點列圖、RMS（Root Mean Square）曲線、畸變、像散、場曲、賽德爾（Seidel）像差系數(shù)、調(diào)制函數(shù)（modulation transfer function，MTF）和能量集中度。在系統(tǒng)優(yōu)化過程中，對設(shè)計結(jié)果進行評價。若不滿足設(shè)計要求，分析問題的所在，修改優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)、權(quán)重，局部地修改系統(tǒng)，甚至重新選取初始結(jié)構(gòu)，再進行優(yōu)化計算；若滿足設(shè)計要求，則通過公差分析可以進一步考慮系統(tǒng)的工藝性、經(jīng)濟性等相關(guān)指標(biāo)，對系統(tǒng)進行進一步的優(yōu)化設(shè)計。圖3是我們設(shè)計的投影系統(tǒng)的畸變曲線圖。畸變曲線圖由多條不同顏色的曲線組成，顯示了不同波長光線的畸變隨視場的變化。由于波長對畸變的影響較小，因此不同顏色的曲線幾乎重合在一起。從圖中可以看到，所設(shè)計的投影系統(tǒng)的最大畸變?yōu)?.1397%，小于我們設(shè)置的3%的目標(biāo)，滿足設(shè)計的需求。

圖3? 投影系統(tǒng)的畸變

圖4是投影系統(tǒng)的MTF曲線，其中不同顏色的曲線代表不同視場光線的MTF曲線，實線和虛線則分別表示子午和弧矢。MTF是用來描述光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的重要指標(biāo)。通過對光學(xué)系統(tǒng)像空間進行傅里葉變換，可以得到一張分析圖表，來描述像面上對比度和空間頻率之間的對應(yīng)關(guān)系。一般說MTF越高，系統(tǒng)的像越清晰。當(dāng)MTF=1時，表示像包含了物的全部信息，沒有失真。但由于光波在光學(xué)系統(tǒng)孔徑上發(fā)生的衍射以及像差，信息在傳遞過程中不可避免要出現(xiàn)失真。一般來說，空間頻率越高，傳遞性能越差。在空間頻率為0的時候，MTF的值等于1。在其他空間頻率處，MTF的值恒小于1，并且隨頻率的增加而逐漸下降。從圖4中可以看到，除了2.68 mm子午視場外，MTF值都大于0.5。對于所有視場來說，MTF值也是都大于0.4，基本達到預(yù)期的指標(biāo)要求。因此，本文設(shè)計的投影系統(tǒng)具有較高的成像質(zhì)量。

圖4? 投影系統(tǒng)的MTF

在投影系統(tǒng)設(shè)計后，還需要進行DLP大燈的結(jié)構(gòu)建模，如圖5所示。值得注意的是，由于DLP大燈使用高功率的LED光源，發(fā)熱情況比較嚴重，在設(shè)計過程中散熱問題需要重點考慮。此外，DLP大燈還包括驅(qū)動模塊等部分。DLP大燈設(shè)計完成后，還需要進行仿真測試來評估設(shè)計效果。仿真測試的內(nèi)容包括人眼視覺仿真、動態(tài)場景仿真、照度測試、亮度測試和整車搭載測試。

圖5? DLP大燈的設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖

2? DLP大燈的應(yīng)用

夜間的車流量是白天的車流量的1/4，但夜間交通事故的次數(shù)和嚴重程度卻遠高于白天，主要原因是夜間燈光昏暗、駕駛員視線不夠清晰及駕駛員易疲勞。DLP大燈可以很好地改善夜間行車安全問題，為駕駛者提供更好、更安全的駕駛體驗。其工作過程為：汽車上的攝像頭和傳感器對汽車周邊的環(huán)境進行實時監(jiān)測，再通過功能強大的ECU在極短時間內(nèi)對數(shù)據(jù)進行處理，將命令傳輸給DLP大燈，這時，DLP大燈會投影出一些指示符號來提醒駕駛員。ECU是電子控制單元，一輛車中可以有多個ECU，包括車身控制模塊、發(fā)動機控制模塊、防抱死制動系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)和與車輛中的特定子系統(tǒng)相關(guān)的其他ECU等。同時，DLP大燈也會合理分布投影出去的燈光，不會直射到對向駕駛員和行人的眼睛，防止對向車輛發(fā)生眩目的情況。防眩目功能的實現(xiàn)是基于對每個像素獨立的精準(zhǔn)控制。在滿足傳統(tǒng)照明的基礎(chǔ)上，DLP大燈能提供傳統(tǒng)汽車前照燈無法實現(xiàn)的其他功能。其功能可以概括為2大方面。一方面是DLP大燈可以通過精準(zhǔn)控制照明區(qū)域，防止馬路上的行人和對向來車被眩目，從而降低交通事故發(fā)生的風(fēng)險。

DLP大燈在防眩目方面表現(xiàn)很突出，能夠精準(zhǔn)控制照射區(qū)域的光線分布。如圖6所示，可以看到DLP大燈在行人、對向車輛駕駛員的眼睛處光線是暗的。具體原理是：在夜間行車的過程中，DLP大燈會根據(jù)探測器反饋的實時路況實現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)：對行人的區(qū)域進行照明并且控制照明高度，防止照射到行人的眼睛使行人產(chǎn)生眩目。周圍存在其他車輛時，DLP大燈會調(diào)節(jié)遠光光型，避免遠光燈照射到車輛的前車窗和后車窗上，避免對向駕駛者產(chǎn)生眩目，降低交通事故發(fā)生的概率。

另一方面，由于DLP大燈具有很高的亮度和分辨率，可以看成是一臺高清投影儀，根據(jù)汽車周圍不同的環(huán)境適時地向路面投影出高清的符號，既能給駕駛者提供各種警示信息，指導(dǎo)駕駛者安全駕駛，也能與行人以及其他車輛進行更好的交互，使車燈有了“說話”的能力。

圖6? DLP大燈在防眩目方面的應(yīng)用場景

如圖7所示，DLP大燈能夠在前方路面上投影符號以及斑馬線等圖案。此外，駕駛過程中遇到下雪天氣，DLP大燈可以向路面上投影雪花的圖案，提醒駕駛者安全駕駛。DLP大燈還能在路面上顯示汽車與其他車輛的距離，并且根據(jù)當(dāng)前車速計算出安全車距。車距過近時，DLP大燈會在路面上投影警示符號，提醒駕駛者保持好安全駕駛距離。當(dāng)車輛行駛過程中，視野盲區(qū)內(nèi)出現(xiàn)其他車輛，DLP大燈會在路面上投影盲區(qū)警示符號，防止交通事故的發(fā)生。DLP大燈的投影應(yīng)用還包括車寬顯示：汽車經(jīng)過施工區(qū)域等狹窄路段時，其會在地面上投影出與車輛寬度相當(dāng)?shù)墓馐瑤椭{駛者對駕駛路線及通過能力進行評價。部分DLP大燈甚至能夠提供多種迎賓模式，在實現(xiàn)照明功能的基礎(chǔ)上兼顧用戶的體驗。

圖7? DLP大燈在交互、信息提示方面的應(yīng)用場景

3? 結(jié)束語

DLP大燈的研發(fā)設(shè)計需要兼顧安全、用戶體驗、造型等方面。在安全方面，DLP大燈具有高亮度、防眩目、投影警示符號等特性，能顯著降低交通事故的風(fēng)險。在用戶體驗方面，DLP大燈能提供各種迎賓模式，富有時尚感、科技感，給駕駛者提供良好的駕駛體驗。在造型方面，DLP大燈需要減少體積，控制成本，適配不同的汽車造型。DLP大燈在安全性、應(yīng)用場景、智能化程度等方面有很大的突破，具有非常廣闊的應(yīng)用場景，未來還會不斷技術(shù)創(chuàng)新。要想廣泛搭載到量產(chǎn)車型，要提升的地方包括以下幾個方面。

第一，DLP大燈技術(shù)比較成熟，但搭載率不高，主要原因是價格太貴和核心DMD芯片是美國德州儀器IT公司的IP。隨著技術(shù)的不斷進步、更多廠家的加入和量產(chǎn)情況的推進，未來DLP大燈的價格會越來越親民。

第二，DLP大燈達到百萬級像素，遠遠超過Micro-LED大燈、LCD大燈的萬級像素。但DLP大燈的價格也很難降低下來，無法匹配更多價位的車型。未來DLP大燈會朝著像素數(shù)量差異化的產(chǎn)品路線發(fā)展，呈現(xiàn)不同像素級別（從萬級到百萬級）的產(chǎn)品，全面覆蓋不同價位的車型。

第三，相比于Micro-LED大燈，DLP大燈所需的零部件更多，結(jié)構(gòu)上更加復(fù)雜，體積也更大。未來DLP大燈會在結(jié)構(gòu)上不斷進行優(yōu)化：簡化結(jié)構(gòu)，減少光學(xué)元件的數(shù)量。這不僅能降低DLP大燈的成本，而且使得DLP大燈的體積更小，符合更多汽車造型的需求。

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