流水式轉向信號投影燈的設計與實現

祁高進，宋健，張海升，熊衍建

常州星宇車燈股份有限公司，江蘇常州 213022

0 引言

車道變換是行車過程中經常發生的駕駛行為，在車道變換過程中發生的交通事故占事故總數的4%，占總死亡人數約0.5%，而由換道引起的碰撞，占此類碰撞事故的10%以上[1]，傳統轉向燈固有的發光角度容易造成視野盲區，通過地面投影輔助轉向的方式可以擴大示警范圍，加強本車與其他交通參與者的交互。同時，新穎、美觀、醒目的動態轉向燈也更符合人們對汽車的要求[2]。在未來，流水式轉向投影燈可以承載更多車輛要執行的駕駛決策信息，延長無人駕駛車輛的決策時間，提高無人駕駛的智能化水平[3]。

信號投影燈的投影技術經過近年的開發，主要包括微透鏡陣列(micro lens array，MLA)投影、菲林投影、數字光處理(digtal light procession，DLP)投影和自由曲面等方式。這些投影方式中，DLP投影雖然可以實現圖案動態可編輯，然而其結構復雜、造價昂貴，未來在車輛上的普及度可能不高；MLA和自由曲面投影方式雖結構簡單，但是無法實現圖像編輯，而且MLA投影的成本高，自由曲面的鏡頭模組大；相比而言，菲林投影具備成本低、小型化的特點。本文基于菲林投影的形式，以LED為照明光源，完成了流水式轉向投影燈的開發。利用柱透鏡的單向聚焦特性，提高了系統光效比；通過3個投影燈組合，形成流水式動圖投影。下面將從光學設計理論、光學系統設計、樣機試制詳情和相關測試等方面對流水式轉向投影燈的開發進行介紹。

1 光學設計理論

流水式轉向投影燈可分為照明系統和投影系統兩部分。其中照明系統的設計遵循光學擴展量守恒和柯勒照明條件，光學擴展量的定義如下[4]：

(1)

式中：n為介質折射率；θ為光束與發光面法向的夾角；dAs為面積元；dΩ為立體角元。

在沒有能量損失的光傳輸過程中，ξ是不變量，可以得出，光線準直效果(Ω)、照明面積(As)和照度(?/As)之間存在相互制約關系，為了獲得足夠亮的投影，簡化投影鏡頭的設計，對照明鏡頭的準直效果、照明面積需要綜合考慮。為獲得均勻的照明效果，采用柯勒照明的方式，即將菲林片設置在照明系統的出瞳上。

設計投影鏡頭時，照明光源提供的能量應全部進入成像系統，要注意照明系統和成像系統的銜接關系，即成像系統的拉赫不變量J2應不小于照明系統的拉赫不變量J1是設計中的原則[5]。轉向燈投影系統的特點是中等視場、中等口徑、低畸變和低色差，可以使用庫克式透鏡作為初始結構，通過加入非球面來校正高級球差，提高投影像的解析度，非球面公式可以使用下式描述：

(2)

式中：z為透鏡頂點到光軸方向的距離；c為透鏡的基本曲率；r為朝向垂直于光軸方向的距離；k為二次圓錐常數；ai為非球面系數；pi為徑向坐標；N為設置的項數；i為下標系數。

2 照明光學系統

照明系統的應用是為了提高能量利用率和照明均勻性，由于轉向投影燈只需滿足中等視場的照明，柯勒照明足以滿足照明要求，在柯勒照明系統中，由于光源不是直接成像到物平面上，因此物平面上的光斑均勻而平滑[6]。照明系統如圖1所示，先通過凸透鏡將LED光源的光盡可能收集，然后利用柱透鏡對光斑的一個方向進行壓縮。

圖1 照明系統

照明方式對比如圖2所示。

圖2 照明方式對比

由圖2可以看出，相比于常規照明，采用柱透鏡的照明可以改變光斑的縱橫比，使得通過菲林片的光利用率顯著提升；通過投影圖案與照明光斑的面積之比計算光利用率，常規照明光利用率約為10.25%，使用柱透鏡后光利用率約為15.63%，光利用率大幅度提高。

3 投影光學系統

設計投影鏡頭時，將其視為一個倒置的照相鏡頭進行逆向設計，基于本系統中等視場、中等口徑、低色差和低畸變的要求，采用經典庫克式結構。投影鏡頭二維圖如圖3所示，依次是正光焦度的第一透鏡，負光焦度的第二透鏡，正光焦度的第三透鏡，并通過引入兩個非球面，提高設計自由度，極大提升了像差矯正能力。

圖3 投影鏡頭二維圖

對整個系統進行光學仿真，每個模組LED光通量按270 lm模擬，其中鏡頭高度1 m，與投影面夾角45°，照度分布如圖4所示，3個投影箭頭由近到遠，對應圖中自下而上的順序排列，第一個箭頭平均照度值約370 lx，第二個箭頭平均照度值約300 lx，第三個箭頭平均照度值約235 lx，箭頭的照度由近端到遠端逐漸下降，單個圖案的顏色一致，投影圖案的均勻性很好。

圖4 照度分布

4 樣機與測試

轉向投影燈通過3組鏡頭輪流發光實現流水式效果，每個鏡頭使用一個LED作為光源，根據投影距離不同，各組菲林片的圖案進行變形，使投影圖案更加一致。圖5為流水式轉向投影燈樣機。

圖5 流水式轉向投影燈樣機

將轉向投影燈架設在1 m高，以45°角對地面進行投影，地面投影如圖6所示。3個箭頭從上至下依次亮起，形成動態轉向警示圖案，利用照度計測試各圖案的照度，結果見表1，可以對交通參與者產生顯眼的提示效果。

圖6 地面投影

表1 投影圖案照度結果 單位:lx

5 結束語

傳統轉向燈普遍表現形式為燈光閃爍[7]、功能單一、樣式普通，而流水式轉向信號投影燈將投影系統應用到轉向燈上，通過定制菲林片圖案實現新穎美觀的信號投影，通過投影燈組合實現流水式動態效果，是一種投影照度高、圖案大以及距離遠的信號投影燈，其同時具備成本低、小型化、人車交互性強和彰顯品牌的優點，在未來有望成為汽車信號燈的熱門技術。