一種車用投影燈的實現方式

劉 松，王香娟，梁容毓

（1.覽茵汽車設計咨詢有限公司，上海 201805；2.上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

目前中國汽車保有量已成為世界第一，促使中國成為一個巨大的汽車消費市場。汽車燈具市場也在悄然變化，主要體現在消費群體變得更為年輕化，越來越多的消費者開始追求個性、時尚的風格；其次，汽車燈具的外觀呈現出多元化的特征，偏時尚、偏運動的外觀風格更容易受到消費者的歡迎；最后，汽車燈具的造型和點亮效果成為了消費者的評價要素［1］。

投影燈在夜間時投射出來的圖案，不僅可以起到尋車的功能，其與眾不同的logo或圖案還能彰顯車輛身份，提升夜間迎賓效果。這種個性化的彰顯方式使其越來越受到汽車市場的青睞，具有巨大的市場空間。本文將介紹一種投影燈的新型實現方式，將從光學、電子方面探索這種投影燈的技術原理并進行驗證。

1 功能介紹

投影燈是指一類投射到地面或相關區域并形成特定圖案的燈具的泛稱。根據發光形式，主要可以分為矩陣式投影燈和菲林片式投影燈。根據安裝位置，主要可以分為后視鏡投影燈和門把手投影燈等。矩陣式投影燈成本較高，設計難度大，目前已經逐步被菲林片式投影燈所替代。而后視鏡投影燈不僅具備投影圖案的功能，還能起到部分照明效果，安裝位置不易受到干擾，因此本文主要研究后視鏡菲林片式投影燈。

投影燈目前沒有專門的法規要求，因此不同汽車公司會對照明區域的面積、位置和發光強度有不同的要求。圖1為常見的投射區域要求，常見的投射區域亮度要求為30～80lx，多數情況下為白色，也可以投射其他顏色、3D效果或彩色，如圖2所示。作為非法規要求的外部燈具，其工作時應滿足不會對其他行駛車輛造成影響，因此該燈不能在行駛過程中點亮，常見投影燈工作條件被定義為用戶使用車鑰匙解鎖車門或下車時打開車門的情況下點亮，延時一段特定時間或關閉車門后熄滅。

圖1 后視鏡投影燈投射區域

圖2 常見投射效果

2 技術原理

2.1 光學系統原理

投影燈是依靠透鏡成像的原理，類似膠片電影放映機的原理，它將菲林片 （圖3中部件4）中的圖案經過放大，投射到特定區域。其圖案處在1倍焦距到2倍焦距之間，因此投射出來的圖案是成倒立放大的實像。

其光學路徑如圖3所示。Led發出的光經過透鏡1和2，形成聚光系統，將錐形的LED光線轉換為均勻平行光線，通過菲林片的遮擋，只有含有圖案位置光線能夠透過該區域，經由透鏡3、4、5組成的成像系統，從而將菲林片上的倒立的小圖案投影形成放大的正立的大圖案。

圖3 投影燈光學原理

2.1.1 LED的選擇

LED光源是投影燈最核心的部件，它不僅影響成像效果，還直接影響產品的成本，因此在選擇LED時需要參考較多方面，其中主要有主機廠對地面照度的要求、投影面積的大小、投影燈位置距投影區域的距離、投影燈結構限制、控制輸入電流／電壓大小及形式 （如恒流或恒壓）等。經過系列計算，最終選定合適型號的LED。

本文選擇的LED為Osram KW DMLQ31，其光通量較大，發光面積較小，適合作為光學系統LED使用。

2.1.2 聚光系統的選擇

LED發出的光不是平行光，不同二極管的發散角不同，如30°，45°，60°等［2］，聚光系統透鏡的作用是改變發光角度的大小，從而改變照明面積和光照度大小［3］。表面引用高次非球面來提高光源利用率，同時考慮照明透鏡部分耐溫要求，透鏡采用PC材料。該聚光系統采用兩片式透鏡結構，當光源通過透鏡1后，能將大部分光線轉化為小角度光線，通過透鏡2后進一步將小角度光線轉化為近乎平行光線，同時提高均勻度。

2.1.3 菲林片的選擇

在以前的投影燈中，菲林片采用過膠片形式，由于耐熱和耐老化方面性能較差，現在已經基本被玻璃菲林片取代了。玻璃菲林片耐熱和耐老化性能較好，是投影燈光學系統中的重要組件，其表面上的圖案經過成像系統后形成放大幾十倍甚至幾百倍的圖像，菲林片上任何小的缺陷和誤差都會被高倍放大顯示，因此車用投影燈對菲林片的公差有著非常嚴格的要求，可達到微米級別，以保證投射出來的圖案不會產生缺陷和偏差。

菲林片的制作流程較為復雜，這里不過多展開介紹，主要原理是通過光刻機去除菲林片表面不透光材料，形成所需的圖案。未經加工的菲林片類似我們常用的鏡子，經過光刻的菲林片包含需要的圖案，如圖4所示。但該圖案并不是投影圖案簡單地縮小，它需要經過投影燈安裝的高度和角度，以及投射區域的圖形按照縮放比例進行反向計算而來。因此菲林片上圖案的制作還需產品供應商有著豐富的設計經驗。

圖4 未經加工 （左）和經過加工 （右）的菲林片

2.1.4 成像系統的選擇

成像系統作為光學系統中最精密的部分，對設計和加工要求非常高，作用是將處于一倍焦距至兩倍焦距之間的菲林片進行放大投影，圖3所示的成像系統采用了正負正三片式結構，目的在于減小地面投影色差，提高成像清晰度。常用材料為PC或光學玻璃。

色差的產生是因為不同波長的光顏色各不相同，其通過透鏡時的折射率也各不相同，這樣物方一個點，在像方則可能形成一個色斑。組合透鏡的三片透鏡彌補了單透鏡對色差無法修正的特性，通過縮小軸向色差和垂向色差的浮動范圍，最終能達到較好的色差優化效果。

投影的效果除了顏色以外，還有圖像的形狀以及清晰度。在光學設計中還需要查看成像場曲、畸變浮動范圍 （圖5），成像清晰度的浮動范圍 （圖6）。通過優化透鏡曲面參數以及透鏡相對位置，最終通過模擬仿真確認組合透鏡設計的可行性。

2.2 電子系統原理

該投影燈內部的電路主要由電容、電阻、整流二極管、發光二極管和三極管組成，具體示意圖見圖7。由于車上正常電壓會在一定范圍內波動，如果不采用恒流驅動電路會影響LED工作電流，而LED亮度取決于工作電流，如圖8所示，因此我們必須采用恒流驅動電路，使LED電流不受輸入電壓波動影響，保證產品亮度的穩定性。該投影燈通過三極管和電阻搭建恒流驅動電路，電路相對較為簡單，成本較低，且易滿足EMC測試要求。我們選用了FR4材質的PCB板，并進行了熱模擬，結果顯示LED在高溫 （65℃）條件下工作未超過節溫，符合設計要求。

圖5 成像場曲、畸變浮動

圖6 成像清晰度浮動

圖7 電路原理圖

3 模擬及結果驗證

3.1 光學模擬

確定光學和電子方案后，根據照地圖案大小及位置反向設計了菲林片上的圖案，并模擬裝車位置使用SPEOS軟件進行了模擬，結果如圖9所示，路面照明值達到了46lx，滿足了照度設計要求，且邊界較為清晰，達到了預期的效果。可以認為該設計方案是可行的。

圖8 發光強度與電流之間的關系

圖9 模擬真彩圖 （左）及偽色圖 （右）

3.2 樣件檢驗

確定光學和電子方案后，設計了光學系統的支持結構（殼體），該結構保證了光學組件始終處在設計位置，且對菲林片進行了固定，防止其旋轉導致投影圖案處在不正確位置。之后對該殼體進行了數字化快速加工，對表面品質要求較高的光學透鏡進行了軟模件加工。為了評價投影圖案邊界的清晰程度，提出了用于檢驗梯度的公式，Gradient=lg（luminancen+5）-lg（luminancen-5），形成梯度趨勢。之后捕捉圖像，在圖像上拉取2根等距線 （圖10），檢測2根線上的亮度分布，用曲線中的極值來評判梯度是否合格。我們認為該數值大于1則為合格。

樣件完成后，我們對其進行了檢測，如圖10所示，其光照度達到了42lx，在10%的公差范圍內，我們認為合格。而梯度值也大于1，由此可見梯度滿足要求，而實際查看邊界清晰度也較高，均勻性較好。從而再次驗證了方案的可行性。

圖10 樣件檢測

4 結論與展望

本文提出了使用透鏡系統加菲林片的方案來實現投影燈的功能，使用模擬手段驗證了該方案的可行性，使用樣件檢測驗證了該方案的有效性。

車用投影燈結構緊湊，可靠性好，光學標準要求較高，對于光學設計具有重要挑戰。透鏡作為透鏡光學系統中的重要元件，其對任意角度的出射光線均有良好的控制能力，體積小，效率高，這種高集成度透鏡將會越來越多地出現在LED光學設計中［3］。

當前投影燈的圖案／Logo完全取決于加工到菲林片上的圖案，而該圖案是固定不變的，因此使得投影圖案也無法變化，這就是市面上絕大部分的投影燈都只具備投影一種圖案的主要原因。隨著5G的應用和車聯網的興起，如何提供可變化的圖案或者用戶能自定義的圖案以及分辨率更高的投影效果，對于實現車輛與車主或其他道路用戶的交互以及提升道路交通安全等方面具有重要意義，將會是我們今后研究的目標。

鳴謝：本文受到上海福宇龍汽車科技有限公司支持，在此表示感謝！