基于DLP的投影式自適應前照燈控制系統

王金磊，徐健，吳杰，豐建芬，朱濤

(常州星宇車燈股份有限公司,江蘇常州 213000)

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，汽車已經成為成千上萬家庭的日常代步工具，但是交通事故發生率也在逐年攀升。據數據分析，夜間的行車量只占總行車量的25%，而發生在夜間的交通事故數量卻占總交通事故的47%[1]，其中30%～40%的夜間車禍源于濫用遠光和照明不良。因此，近年來國內外許多車燈廠和研究機構開始致力于汽車主動安全技術的研究。其中，在車燈領域主要涉及帶有AFS(Adaptive Front-lighting System)或ADB(Adaptive Driving Beam)功能的汽車前照燈。

傳統的機械式自適應前照燈調整精度低，且調整過程中存在磨損。矩陣式前照燈由于LED(Liquid Crystal Display)光源矩陣的主光源數量有限，對光線的角度和暗區的控制精度低，分辨率較低。文中提出一種基于DLP(Digital Light Processing)的投影式自適應前照燈控制系統，它是對AFS和ADB功能的一個整合與升級，可以使遠光、近光、AFS、ADB等功能由一個模組實現，并且具有極高的分辨率。這主要是依托DLP技術來實現的。

DLP是投影和顯示信息的一個革命性的新方法，其核心為一塊反射率極高的DMD(Digital Micromirror Device)微鏡器件。DMD芯片有上百萬個微鏡片聚集在CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)硅基片上，每個微鏡片安裝在一個精密微型鉸鏈上，微型鉸鏈可以由SRAM(Static Random-Access Memory)的數字信號驅動調節鏡片方向和角度來反射光到屏幕上形成投影圖像[2]。通過對其表面微鏡矩陣中數百萬顆微鏡角度的控制，改變光線的反射角度，從而能在指定區域內形成暗區，并且能準確地控制車燈調節光線透射的角度和暗區的大小，有效地避免炫目的發生。同時，它能將最多的光維持在路面上，保證了夜間燈光的最大利用率，有效地提高了夜間行車安全。

LCD、LCoS(Liguid Crystal on Silicon)與DLP 是目前三大主流投影顯示技術，與前兩種投影顯示技術相比，DLP 具有以下明顯的優勢：體積小、質量輕，便于攜帶；光能利用率高，功耗低；投影亮度和對比度高；電磁輻射低，可防止信息泄露；對惡劣環境忍耐度高[3-4]。

1 基于DLP的投影式自適應前照燈控制系統設計要求

1.1 投影式前照燈控制電路的設計要求

基于DLP的投影式自適應前照燈控制系統包含四大單元：圖像處理單元、控制單元、執行單元和光源驅動單元。

圖像處理單元包含圖像處理器模塊和CAN通信模塊。它將實時獲取的前車圖像信息經過處理后，通過CAN總線以CAN報文的形式發送給控制單元。

控制單元包含MCU處理器模塊和DLP控制模塊。MCU處理器模塊收到CAN總線傳來的報文信息，進行處理后發送給DLP控制模塊。DLP控制模塊進一步計算控制信息，而后將計算結果發送給執行單元進行同步執行。同時，MCU處理器模塊還會發送PWM調光信號給光源驅動單元進行光源調光。

執行單元包含DMD芯片模塊和外配透鏡模組。DMD芯片接收到控制單元發來的計算結果，同步開啟或關閉表面數百萬顆微鏡的翻轉。當LED或Laser光源組件發出的均勻光束打到DMD芯片微鏡矩陣上時，根據每個像素點的翻轉角度進行對應的反射后，通過外配透鏡射出。

光源驅動單元包含LED/激光驅動模塊和光源透鏡組件。光源透鏡組件包括LED/Laser主光源、聚透鏡和修正透鏡。

基于DLP的投影式自適應前照燈控制系統組成如圖1所示。

圖1 基于DLP的投影式自適應前照燈控制系統組成

DMD表面微鏡翻轉效果及光路反射效果如圖2所示。

圖2 DMD表面微鏡翻轉效果與光路反射效果

1.2 CAN/LIN總線收發器、MCU、DLP控制芯片及光源驅動芯片的選擇

CAN收發器采用NXP的TJA1041A。

MCU采用TI的32位單片機TMS320F28023。F2802x PiccoloTM系列微控制器為C28xTM內核供電,擁有1路SCI接口、1路SPI接口、1路I2C接口，多達22個復用通用輸入輸出(GPIO)引腳以及13路ADC采樣口。

DLP控制芯片采用TI的DLPC120，DMD芯片采用TI的DLP3000-Q1，其微鏡整體尺寸為0.762 cm(0.3英寸),表面微鏡損耗率極低。

光源驅動芯片采用TI的TPS92602-Q1，該芯片擁有強大的光源驅動能力，不僅適用于LED光源，也適用于激光光源的應用場景。

2 實驗驗證

2.1 DLP投影模組樣件

根據系統設計原理，作者開發了一款基于DLP的投影模組。該模組分為3個部分，分別是CAN通信部分、LED/Laser驅動部分以及DLP投影控制及透鏡部分。

CAN通信部分通過CAN分析儀同步傳輸圖像數據。

LED/Laser驅動部分為光源驅動控制板，光學參數選定：歐司朗KW CULNM1.TG_v1，光通量1 400 lm；發光面積2 mm2；發光角度120°。

DLP投影控制及透鏡部分將光源、投影透鏡組、DLP控制板、散熱模塊等封裝在一個密封遮光箱體中，減少光源傳輸過程中雜光和衰減，保證光能量不受過多的發散損耗。

DLP投影模組樣件如圖3和圖4所示。

圖3 DLP投影模組樣件

圖4 DLP投影模組正視圖、模組內部俯視圖

2.2 DLP投影模組高分辨率自適應暗區效果

對DLP遠光光型、近光光型和ADB光型進行了光學軟件模擬，可實現遠光、近光和ADB光型；光型展寬為上下±3°，左右±10°；各子像素間無明顯色散；遠光整體光型無色散；分辨率小于0.1°。

光學模擬(25 m處)結果如圖5、圖6和圖7所示(X、Y軸表示光型的長寬大小,單位m)。

對DLP投影模組樣件投影圖像進行功能化設計，并成功實現投射，照度值也達到了要求。經過實驗驗證，整個系統可以實現多暗區的投影，能在路面、屏幕上投射各種圖形，自由照亮各種區域，投影效果較佳。光能量損耗控制在45%左右，整個系統的散熱情況也良好。

實際投影效果如圖8和圖9所示。

圖5 DMD遠光模擬光型圖 圖6 DMD近光模擬光型圖 圖7 DMD ADB模擬光型圖

圖8 ADB高分辨率暗區效果投影

圖9 道路行車標志與警示標志投影

3 結論

提出一種基于DLP的投影式自適應前照燈控制系統。通過多項試驗以及模擬道路實驗證實，該設計滿足設計要求，可以在復雜路況下根據前方圖像識別自由切換光型(遠光、近光、ADB暗區光型)，實現極高分辨的照明暗區，有效地避免在跟車與會車時發生遠光炫目，且能最大限度地提高燈光利用率。另外，該系統可以為行人進行安全標示投射，具有非常好的安全警示作用。