基于光的輔助駕駛功能的DLP智能激光大燈

楊 志，安淑苗，龐宏力

(1.曼德電子電器有限公司保定光電分公司，河北 保定 071000； 2.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北 保定 071000)

引言

當(dāng)前自適應(yīng)遠(yuǎn)光燈技術(shù)已廣泛應(yīng)用于中高端汽車上，通過改變引起同向/對向車輛駕駛員眩目的照明光束對應(yīng)的LED光源亮度，達(dá)到“遠(yuǎn)光不眩目”的效果，為夜間駕駛員提供更加安全的駕駛體驗。但是，目前自適應(yīng)遠(yuǎn)光燈方案大多是在水平方向，實際路面照明感知效果較差。同時，LED光源的亮滅引起大分區(qū)區(qū)域的明暗變化還會分散駕駛員的注意力。為了實現(xiàn)既能防眩目，又能將用于路面照明的光束最大化，更精細(xì)的照明分區(qū)甚至像素級別的照明模式技術(shù)應(yīng)運而生[1]，目前主要有兩個技術(shù)方向：高像素的LED光源(如1024芯的LED光源)和能實現(xiàn)像素照明的光調(diào)制器件(基于DMD的DLP數(shù)字光處理技術(shù)[2]、LCD液晶顯示技術(shù)、激光掃描振鏡技術(shù)三種)。

基于DLP數(shù)字光處理技術(shù)，我們將開發(fā)超過10萬像素的汽車頭燈，實現(xiàn)傳統(tǒng)車燈無法實現(xiàn)的新功能。我們將主要從光源的選擇、照明系統(tǒng)和投影系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計等方面介紹基于DLP數(shù)字光處理技術(shù)的RGB像素智能激光大燈的開發(fā)，并結(jié)合設(shè)計目標(biāo)進(jìn)行整車各項功能的測試。

1 光源

基于DLP技術(shù)的光學(xué)系統(tǒng)效率大多在30%左右，普遍低于目前車燈行業(yè)用的反射鏡和投射式橢球光學(xué)系統(tǒng)。基于大視場角和25 m屏遠(yuǎn)光最大照度不低于100 lx的要求，需要DLP頭燈能夠輸出更多的光能量。基于光學(xué)不變量守恒原理，在給定DMD芯片和光源時，DLP系統(tǒng)所能夠輸出的最大光通量Φoutput[3]為

(1)

其中Admdh和Admdv分別表示DMD芯片水平和垂直方向上的尺寸大小,ηsys是DLP系統(tǒng)的光學(xué)效率，Ls是光源的亮度,Fnumh和Fnumv分別表示投影鏡頭沿水平方向和垂直方向的F數(shù)。

從式(1)不難發(fā)現(xiàn)，在給定芯片尺寸和光學(xué)系統(tǒng)的情況下，要想獲得更多的光輸出，就需要更亮Ls的光源，如激光光源。本文基于1.5代DMD芯片，采用RGB三基色激光作為照明光源，開發(fā)像素智能激光大燈。 采用的激光光源規(guī)格如表1所示，實現(xiàn)色溫5 500 K的激光白光，按30%系統(tǒng)效率輸出1 200 lm的光通量。

為了使紅色、綠色及藍(lán)色激光光束能夠在空間上均勻地聚焦照射在DMD上，光源的空間分布具體如圖1所示。

圖1 DLP系統(tǒng)光學(xué)引擎中紅色、綠色和藍(lán)色三基色激光二極管的空間布置

2 照明光學(xué)系統(tǒng)

系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計方法同傳統(tǒng)汽車頭燈光學(xué)設(shè)計方法類似，首先準(zhǔn)直從激光管輸出的激光光源形成平行光束，然后通過倒裝伽利略望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行空間光束合束，最后聚焦于DMD上。相比其他基于DLP技術(shù)的投影儀或顯示系統(tǒng)，系統(tǒng)取消了勻光用的例如復(fù)眼透鏡或內(nèi)全反射等光學(xué)元件，如圖2所示。在汽車照明應(yīng)用中，遠(yuǎn)光光強分布是不均勻的，圖3中通過4片光學(xué)鏡片在DMD上獲得了一個類高斯型的光強分布，同時照明系統(tǒng)更加簡單和高效。

圖2 基于RGB三基色激光光源的照明系統(tǒng)光路

圖3 DMD上的高斯光強分布

為了消除系統(tǒng)中激光束之間的空間相干在像面上造成的散斑現(xiàn)象[4,5]，我們采用了振動反射鏡的方法，利用人眼對光束的自動積分來消除散斑效應(yīng)。從圖4可以看到，通過此種方法，散斑效應(yīng)基本不可見，像質(zhì)得到了明顯的改善。

圖4 通過振動的反射鏡減小激光散斑效應(yīng)

3 投影光學(xué)系統(tǒng)

汽車頭燈應(yīng)用中，基于DLP技術(shù)的投影光學(xué)系統(tǒng)和一般的視頻或圖像投影儀一樣，需要一個成像級別的光學(xué)鏡頭。我們的投影鏡頭的設(shè)計參考了德州儀器(TI)的基于LED光源的汽車DLP頭燈光學(xué)設(shè)計，如圖5所示。

圖5 德州儀器汽車DLP頭燈投影鏡頭的示意圖

采用5片光學(xué)鏡片，前三片鏡片組的主要功能是矯正像差，同時和后兩面鏡子組配合組成所需的焦距，后兩片鏡子的主要功能在于將16∶9的圖像拉伸為10∶3；將圖像拉伸后鏡頭水平和垂直方向的焦距不同，最后一片鏡子起到將兩種不同焦距的成像面匹配在同一面的作用。該款投影鏡頭實現(xiàn)水平方向視場角20°，垂直方向6°。實際上，視場角和屏上最大照度是相互依賴的，在有限大小的DMD芯片上，視場角如果增大，屏上最大照度就會減小，影響實際夜間照明效果，反之亦然。圖6(b)的圖像模擬結(jié)果表明畫面左右邊緣具有彩帶，而上下沒有彩色帶。這說明彩帶并非由于激光波長的單一性造成的，而是由于TI 16∶9的DMD芯片拉伸為10∶3的投射圖像導(dǎo)致畫面出現(xiàn)色差造成的，雖然和基于DLP技術(shù)的商用視頻投影儀畫質(zhì)[圖6(a)]有很大差距，但是在實際路面照明投影應(yīng)用中更多的是關(guān)注其圖像輪廓信息，而不是局部細(xì)節(jié)。同時，將FOV視場角拉伸同樣會導(dǎo)致水平方向高的畸變，如圖7所示。

圖6 圖片成像模擬結(jié)果

圖7 RGB DLP激光大燈投影鏡頭的成像網(wǎng)格畸變

以上結(jié)論是基于德州儀器1.5代16∶9的DMD芯片得出的。新一代的2.0代2∶1的DMD芯片會取消1.5代設(shè)計所用的用于視場拉伸的異形非軸對稱鏡片，消除對應(yīng)的畸變、色差等問題，整個投影鏡頭的光學(xué)元件數(shù)量也會減少，系統(tǒng)可靠性將提高。

4 DLP頭燈樣機(jī)

該款DLP頭燈樣機(jī)基于RGB三基色激光光源和1.5代的864×480分辨率的DMD芯片開發(fā)而成，已裝配于Haval H9 SUV前燈，用于功能測試與驗證。圖8(a)展示了DLP頭燈的光學(xué)引擎示意圖，DMD芯片集成了之前介紹的照明光學(xué)系統(tǒng)和投影光學(xué)系統(tǒng)。裝車及點亮實際效果如圖8(b)和 (c)所示。

激光DLP大燈的光強分布如圖9所示，可以看到在中心區(qū)域比較亮，比較符合汽車遠(yuǎn)光照明模式，另外輸出在屏上的是一個矩形的照明視場區(qū)域。

圖8 DLP激光大燈樣機(jī)

圖9 RGB激光DLP頭燈在25 m屏上的光強分布

圖11 在路面上投射導(dǎo)航、限速和人行道斑馬線

5 功能測試

DLP數(shù)字光處理技術(shù)提供的像素照明能夠使汽車頭燈呈現(xiàn)出許多新奇、有創(chuàng)意的照明模式。基于裝配了RGB激光DLP頭燈的Haval H9實車，我們簡要介紹幾類功能：

1)防眩目。該功能實現(xiàn)的是對同向或?qū)ο蜍囕v的防眩目，圖10所示的是裝配了RGB激光DLP頭燈的Haval H9實車的防眩目功能效果圖，圖10(a)中白色框標(biāo)識了在對向車上實現(xiàn)光遮擋的區(qū)域，使對方駕駛員不眩目，如圖10(b)所示。對于路上行人的防眩目功能，由于夜間攝像頭的識別精度、作用距離和算法復(fù)雜度等問題，在量產(chǎn)車上目前沒有實現(xiàn)。但是隨著圖像目標(biāo)識別算法性能的提升，未來汽車頭燈會對夜間道路參與者實現(xiàn)自適應(yīng)防眩目。

圖10 對向車的防眩目功能

2)投影符號功能。除了防眩目，投影符號功能如交通標(biāo)識等是令人感興趣的，除了投影簡單的符號，還能提供與其他道路參與者的交互功能，這也許是未來自動駕駛或無人駕駛時代車燈演化的一種可能形態(tài)[6]。圖11(a)中，在需要右轉(zhuǎn)向的時候，Haval H9頭燈會提前根據(jù)導(dǎo)航信息在距車前15～20 m位置投射右轉(zhuǎn)向標(biāo)識主動提醒駕駛員。在限速路段，投射限速標(biāo)識提醒駕駛員不要超速，如圖11(b)所示。這些功能都能輔助駕駛員在夜間能更好地駕駛，稱之為“基于光的輔助駕駛”功能。圖11(c)中，在汽車怠速或靜止時，汽車頭燈在車前投射了人行道斑馬線，提醒行人能夠安全通過。該功能起到汽車能夠主動與行人進(jìn)行良好的互動。

3)私人定制功能。如果能夠提供個人定制化服務(wù)，那么對汽車品牌是有益的。在汽車啟動時，在車庫墻上投射個性化簽名、屬于車主的一些信息或者汽車品牌Logo(圖12)，都是能夠滿足車主的個性化心理；在回家停到車庫時，投射“歡迎回家”，這無疑能使汽車更加智能地了解車主的需求。

圖12 私人定制的Haval的logo和標(biāo)語

6 結(jié)語

我們基于RGB三基色激光光源和1.5代DMD芯片開發(fā)了 RGB激光DLP頭燈，實現(xiàn)了高精度的防眩目自適應(yīng)遠(yuǎn)光和基于光的輔助駕駛功能，滿足汽車遠(yuǎn)光配光標(biāo)準(zhǔn)要求。隨著車用照明光源技術(shù)的發(fā)展，DLP頭燈能夠?qū)崿F(xiàn)的功能會更加豐富，高像素的照明模式也會擴(kuò)展到近光區(qū)域，雨天路面反光眩目等問題也會得到相應(yīng)的解決。