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技术文章 |高分辨率前照灯:下一代的创新概念(下)

发布时间:2020-09-29

浏览次数:102



近年来,为了提高安全性和舒适性,前照灯系统得到了迅速的发展,并呈现出分辨率越来越高的的趋势。更高的分辨率带来了新的功能,如精确的眩光控制和道路投影。其中,道路投影是照明之外的一种功能,它为驾驶员与其他道路参与者进行交流提供了机会。这种基于照明的通信对于即将到来的更高自动驾驶水平的时代尤其重要。为了充分利用道路投影的优势,提出了彩色投影技术。这种技术使信息不仅在夜间可见,且在白天也可见。当前车灯的彩色投影技术要么光通量过低,无法达到照明要求;要么结构复杂,实现成本高且不紧凑。本文提出了一种利用激光二极管和LCoS器件的高分辨率汽车前照灯系统的创新概念。并根据这一概念讨论了具体的设计方案。

本文分为上下两部分,上半部分主要介绍前照灯相关技术的发展与应用、高分辨率前照灯的概念、技术现状和存在的问题,下半部分主要介绍激光LCoS前照灯的概念、设计方法、仿真结果和实现。

一、激光LCoS前照灯的概念

在《高分辨率前照灯:下一代的创新概念(上)》中,我们介绍了不同的调制技术。其中,采用液晶显示LCD和硅晶显示LCoS可以实现基于偏振调制的高分辨率光分布。由于硅晶显示的工作机制,在许多情况下,LCoS器件与偏振分光束器(PBS)一起工作,而这种工作结构允许在不增加系统复杂性的情况下将另一个LCoS器件集成到系统中。通过使用两个LCoS器件,可以实现所追求的概念:分辨率高、光通量大且系统紧凑。图1展示了这个想法。

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图1 双LCoS器件概念图

如图1所示,偏振方向上相互独立的入射光束(S偏振和P偏振)从同一方向进入PBS,然后从两个不同的侧面射出。两个LCoS器件位于PBS的两侧,入射光束也从这里进入。系统中的每个LCoS器件以线性偏振调制入射光,并将其反射出来,在PBS的帮助下,两束调制后的光束再次汇合成一个方向,进入投影系统实现照明和投影功能。以图1中的图示为例,该概念的典型工作场景解释如下:入射的S偏振光恒为白色; P偏振光是顺序RGB颜色。其中一个LCoS对白光进行调制,可以实现前照灯的不同功能(如ADB, AFS);同时,另一个LCoS调制连续的RGB光,产生彩色的道路投影,并将其重叠到白光上。由于不同偏振态的入射光相互独立,可以在不牺牲白光照明所具有的光通量的情况下实现彩色照明投影。此外,与单LCoS系统相比,系统复杂性不会显著增加。

该概念的先决条件是独立的S偏振和P偏振入射光束,RGB激光二极管以30:1到100:1间的偏振比发射偏振光,可以在实现先决条件的基础上实现白光和RGB顺序色光。此外,通过改变驱动策略,激光二极管发射的色光可以随时切换到白光或RGB顺序色光, 从而发挥更好的效果。例如,在某些环境中需要增强亮度时,S和P偏振的光束可以都是白色。在照明良好或积雪覆盖的路面驾驶时,两个光束可以都是色光,以增强颜色对比度。

综上所述,双LCoS激光二极管概念具有以下特点:在不降低光通量的情况下实现彩色投影,可在增强照明和增强彩色投影之间动态切换,且系统复杂性低。

二、激光LCoS前照灯设计思路

1.   组件选择及其功能

A.电源,为系统中的光源、照明调制器和控制单元提供电能。

B.控制单元,实现RGB激光二极管的控制策略;同时,向调制器提供信息,以适应光分布并同步激光二极管和LCoS器件的触发信号。

C.初级光学系统,将来自RGB激光二极管的光束组合起来获得白光,并对光进行预整形来照亮LCoS表面。

D.次级光学系统,用于投射调制光,以实现前照灯所需的光分布。

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图2 双LCoS系统的架构

2.   照明方案

A.均匀照明

在这种照明策略中,初级光学元件首先将来自调制器表面的激光二极管的光束合并均匀化。然后根据设计要求,二次光学元件将调制器发出的光均匀地投射到期望的视场。

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图3 均匀照明方案

B.一次光学的中央照明

这种照明策略中,初级光学系统产生中心热点,二次光学仅改变前照灯照明和投影的输出视野,与均匀策略相同。由于初级光学器件的光束预整形工作原理,大量的光能集中在光调制器的中心。这种能量积累导致调制器的热负荷很大。因此,在使用该方案时,必须采取适当的散热措施。

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图4 一次光学下的中央照明方案

C.二次光学的中央照明

将来自光源的激光束进行组合,并在调制器表面形成近似均匀的形状。随后,一个枕形畸变的二次光学系统将大部分输出光汇聚到前照灯FoV的中心区域。与光束预成形方法相比,利用二次光学元件产生中心热点对调制器表面的热管理问题要少得多。然而,由于光分布的严重畸变,道路投影内容会挤压变形。为了纠正光束信息,需要根据畸变程度采用适当的图像处理算法。

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图5 二次光学下的中央照明方案

3.   光束叠加方案

双LCoS激光二极管的PBS器件需要将两个LCoS发射出的光进行叠加,主要分为完全叠加方案和部分叠加方案。由于不同偏振态的两束光具有相同的光学长度、共同的光学元件以及相同尺寸的两个LCoS调制器,这两个投影光束具有相同的视场,即理论上它们完全重叠。完全叠加的特点是允许对照明和投影进行简单的图像处理,且适用于上文提到的三种照明方案。

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图6 完全重叠方案下的(a)系统结构(b)驾驶员视野

部分叠加方案采用一大一小两个LCoS器件和不同的初级光学系统对两束光进行偏振和预整形。这种设计导致前照灯的视野部分重叠,由于两个照明区域都有高分辨率,该方案可以实现多像素功能。该方案一般结合均匀照明方案使用,从而实现较好的投影效果。

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图7 部分重叠方案下的(a)系统结构(b)驾驶员视野

三、激光LCoS前照灯的实现

1.   光学系统与仿真

该光学系统包括初级光学器件和次级光学器件。

由于初级光学器件需要保证光束的偏振状态,元件少且可以同时实现均匀分布和中央分布,光纤、集成棒、二向色反射镜和二向色棱镜在该系统中并不兼容,因此考虑使用衍射光学元件(DOE)、工程扩散器和透镜阵列(LAs)来实现光分布。此外,该系统使用6个RGB激光二极管,其中3个产生S偏振光,另外3个产生P偏振光。两种光束可以是白色或彩色的。

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图8 RGB二极管参数

该系统使用的调制器是2个相同的0.37英寸LCoS器件,应用的照明策略是均匀分布。采用带有中继透镜的透镜列阵作为光束组合和预整形的主光学元件。然后利用变形透镜作为二次光学元件,将纵横比从16:9变为3:1,实现了±15º×±5º(水平×垂直)的视场。

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图9   LCoS器件参数及简化的仿真模型

从图9可以看出,六个准直激光束被一次光学元件组合并均匀成形。结果,在LCoS表面的位置获得均匀的白光。由两个透镜组成的二次光学元件实现目标视场。此外,关闭LCoS位置中心1×1 mm²的区域以模拟关闭的像素,并在25米距离处的探测器上显示具有对比度传输性能的拉伸效果。R/G/B激光器的输出功率比为5:3:2。模拟结果表明,在没有LCoS和PBS的情况下,系统的光学效率为65.16%。

2.   前照灯模型

根据仿真模型,设计了激光二极管LCoS前照灯样机,如图10所示。激光发射模块包括一个散热器、一个供电的印刷电路板(PCB)、一个二极管外壳和带有激光准直器的RGB激光二极管。原型还集成了主光学器件和LCoS器件之间的反射镜,从而减少整个光学系统的轴向长度,使这个高分辨率模块更紧凑。

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图10 激光二极管LCoS前照灯样机

四、展望

下一步将验证提出的前照灯模型,并对该原型及其照明功能进行进一步分析。由于LCoS的反射特性,很大一部分光能量损失发生在LCoS上。因此,该光学系统的最大光学效率为38.45%,使用更好的LCoS器件可以提高光学效率。

此外,激光单色发射波长和高输出功率强度会带来潜在的激光散斑和激光安全问题,其中散斑现象对照明的影响还有待进一步研究,必要时,将考虑采用适当的方法来减轻激光散斑;但在下一步的设计中必须考虑到激光安全措施的系统整合。