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技术文章 |高分辨率前照灯:下一代的创新理念(上)

发布时间: 2020-09-24

浏览次数: 369

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、前照灯相关技术的发展

汽车工业中,前照灯系统在过去的十年得到了飞跃式发展。与传统前照灯相比,系统中加入了许多主动照明功能,以便为不同的驾驶情况提供足够的照明。自适应前照灯系统(AFS)是UNECE在第123号法规中规定生效的第一个补充系统。引入AFS后,ECE第48号法规中定义了自适应远光(ADB)系统,以适应更广泛的应用场景。除此之外,相关色温(CCT)可调白光系统与前照灯投影系统也在高速发展中。

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图1 雷克萨斯 LS600h的LED前照灯

A.   AFS

AFS基本上是通过弯曲光模式和四种近光模式给驾驶员提供不同情况下的最佳视野。弯曲光是当车辆在弯道转弯时,通过附加光束提供侧面照明,使得驾驶员能观察到转弯方向的路况。其他四种近光模式分别是经典近光(基本近光灯模式)、高速公路近光(高速行驶时,行驶方向的增强光束模式)、城镇近光(不会产生眩光的光束模式)和恶劣天气近光(恶劣天气时、避免对自身和迎面而来车辆造成强眩光的光束模式)。

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图2   AFS系统模拟示意图

B.   ADB

ADB是AFS的一种远光灯,它根据迎面驶来的车辆的存在来调整其光束模式,以提高驾驶员的远程可视性,而不会对其他道路使用者造成不适和干扰。该系统是AFS在远光功能方面的补充。ADB系统通常会生成许多光束来照明整个视野,每个部分都可以独立调暗/亮、打开/关闭。ADB系统实现了去眩光功能,允许在某些需要优化能见度的情况下长期使用远光灯。

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图3   ADB系统仿真示意图

C.   CCT可调白光系统

接近太阳光色温的前照灯在正常情况下为人类提供了更好的照明性能。然而,在如雾天和雨天这样的恶劣天气条件下,较低CCT可为驾驶员和其他道路参与者提供更好的能见度。前照灯CCT可调白光系统的使用能够提高道路安全性。

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图4 车灯色温对比(左边低色温,右边高色温)

D.   前照灯投影系统

可以直接在道路上显示车辆信息的投影近年来也被集成到前照灯系统中。除了驾驶员可以不移动视线而获取信息外,驾驶员和其他道路参与者之间基于照明的通信也是可能的。这种通信在即将到来的智能交通和自动驾驶时代尤其有用,能够帮助其他道路使用者快速了解车辆意图。为了实现不同环境(白天、夜间和积雪或良好照明的路面等)可检测的道路投影,彩色投影将是潜在的解决方案。

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图5 奔驰迈巴赫S级前照灯投影效果

二、高分辨率前照灯

A.概念与设计元件

像素数量在几十到数百万之间的前照灯系统被称为高分辨率前照灯。要实现预期的光分布,需要使用高分辨率调制技术。主要的调制技术如图6所示。扫描微镜直接偏转入射光束;相比之下,数字微镜阵列(DMD)、液晶显示器(LCD)和硅晶显示(LCoS)是基于区域的照明调制器。

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图6 高分辨率调制技术及其工作原理

a)扫描微型镜 b)数字微镜阵列(DMD) c)液晶显示(LCD) d)硅晶显示(LCoS)

B.设计方法

利用图6中的技术,可以使用具有不同波长的联合光源来实现CCT可调白光系统和彩色投影,且通常使用RGB三基色光源。要近似计算来自基于RGB的光源的发射光的CCT,可以应用以下公式。其中,x和y是光源的CIE1931色坐标。通过调整RGB发射器的输出功率,可以控制x和y值。

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除了CCT控制外,利用RGB光源和调制技术实现彩色投影还有两种方法。它们是基于空间合成的方法和基于颜色序列的方法。

基于空间合成的方法是指RGB光源在工作过程中始终处于开启状态,系统由光学元件和调制器叠加而成。该方法的功能示意图如图7所示。基于区域的调制器通过使用三个相同的调制器来实现空间叠加,每个调制器都针对单个颜色进行调制。在调制过程之后,利用适当的光学元件将这些单独调制的图案组合起来,以获得最终的投影。

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图7 基于空间合成的RGB调制方法

基于颜色序列的方法是指调制设备在时间上而不是在空间上分离RGB颜色。调制器将每个帧分成R/G/B子帧。在每一个子帧中,调制器产生一个单色图案,光源的单色发射器只在相应的子帧中亮起,然后发射器和子帧都被关闭,移到下一个颜色的子帧。这样,三种颜色通过子帧的快速切换进行叠加,以实现人类视觉系统中的白色和彩色效果。颜色顺序法的示意图如图8所示。

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图8 基于颜色序列的调制方法

C.存在的问题

这两种采用不同调制器的方法各有优缺点。当使用基于区域的调制器的空间叠加方法时,它保证了光源的高输出功率。这是因为调制机制允许光源的所有发射器在工作过程中可以永久地打开。然而,使用带有附加光学元件的三个调制器会对成本、系统复杂性和安装空间产生负面影响。

相比之下,扫描微镜只需一个调制器就可以实现空间调制。然而,由于通常用于驱动反射镜的正弦信号导致照明区域边缘处的亮度高于中间区域的亮度,这种分布模式不适合应用于照明。虽然这可以通过专门设计的投影光学器件进行修改,但这种调制器需要二极管具有相当快的开关速度才能实现高分辨率。

使用基于颜色序列的方法只需要一个基于区域的调制器,与空间叠加方法相比,它对成本和系统安装的要求更低。然而,由于R/G/B光源的顺序开关效应,最终得到的光通量较低,这与前照灯系统高光通量的基本要求不符。

本文的目的是提出一种高分辨率前照灯的设计,它不仅能够实现上述所有功能,而且还具有相当大的输出光通量。此外,前照灯系统不应具有非常高的系统复杂性,本文设计的前照灯系统还需是紧凑型的。欲知如何设计,请见下周三的技术文章《高分辨率前照灯:下一代的创新概念(下)》。