基于光的辅助驾驶功能的DLP智能激光大灯

杨 志，安淑苗，庞宏力

(1.曼德电子电器有限公司保定光电分公司，河北 保定 071000； 2.长城汽车股份有限公司技术中心，河北 保定 071000)

引言

当前自适应远光灯技术已广泛应用于中高端汽车上，通过改变引起同向/对向车辆驾驶员眩目的照明光束对应的LED光源亮度，达到“远光不眩目”的效果，为夜间驾驶员提供更加安全的驾驶体验。但是，目前自适应远光灯方案大多是在水平方向，实际路面照明感知效果较差。同时，LED光源的亮灭引起大分区区域的明暗变化还会分散驾驶员的注意力。为了实现既能防眩目，又能将用于路面照明的光束最大化，更精细的照明分区甚至像素级别的照明模式技术应运而生[1]，目前主要有两个技术方向：高像素的LED光源(如1024芯的LED光源)和能实现像素照明的光调制器件(基于DMD的DLP数字光处理技术[2]、LCD液晶显示技术、激光扫描振镜技术三种)。

基于DLP数字光处理技术，我们将开发超过10万像素的汽车头灯，实现传统车灯无法实现的新功能。我们将主要从光源的选择、照明系统和投影系统光学设计等方面介绍基于DLP数字光处理技术的RGB像素智能激光大灯的开发，并结合设计目标进行整车各项功能的测试。

1 光源

基于DLP技术的光学系统效率大多在30%左右，普遍低于目前车灯行业用的反射镜和投射式椭球光学系统。基于大视场角和25 m屏远光最大照度不低于100 lx的要求，需要DLP头灯能够输出更多的光能量。基于光学不变量守恒原理，在给定DMD芯片和光源时，DLP系统所能够输出的最大光通量Φoutput[3]为

(1)

其中Admdh和Admdv分别表示DMD芯片水平和垂直方向上的尺寸大小,ηsys是DLP系统的光学效率，Ls是光源的亮度,Fnumh和Fnumv分别表示投影镜头沿水平方向和垂直方向的F数。

从式(1)不难发现，在给定芯片尺寸和光学系统的情况下，要想获得更多的光输出，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三基色激光作为照明光源，开发像素智能激光大灯。 采用的激光光源规格如表1所示，实现色温5 500 K的激光白光，按30%系统效率输出1 200 lm的光通量。

为了使红色、绿色及蓝色激光光束能够在空间上均匀地聚焦照射在DMD上，光源的空间分布具体如图1所示。

图1 DLP系统光学引擎中红色、绿色和蓝色三基色激光二极管的空间布置

2 照明光学系统

系统的光学设计方法同传统汽车头灯光学设计方法类似，首先准直从激光管输出的激光光源形成平行光束，然后通过倒装伽利略望远镜进行空间光束合束，最后聚焦于DMD上。相比其他基于DLP技术的投影仪或显示系统，系统取消了匀光用的例如复眼透镜或内全反射等光学元件，如图2所示。在汽车照明应用中，远光光强分布是不均匀的，图3中通过4片光学镜片在DMD上获得了一个类高斯型的光强分布，同时照明系统更加简单和高效。

图2 基于RGB三基色激光光源的照明系统光路

图3 DMD上的高斯光强分布

为了消除系统中激光束之间的空间相干在像面上造成的散斑现象[4,5]，我们采用了振动反射镜的方法，利用人眼对光束的自动积分来消除散斑效应。从图4可以看到，通过此种方法，散斑效应基本不可见，像质得到了明显的改善。

图4 通过振动的反射镜减小激光散斑效应

3 投影光学系统

汽车头灯应用中，基于DLP技术的投影光学系统和一般的视频或图像投影仪一样，需要一个成像级别的光学镜头。我们的投影镜头的设计参考了德州仪器(TI)的基于LED光源的汽车DLP头灯光学设计，如图5所示。

图5 德州仪器汽车DLP头灯投影镜头的示意图

采用5片光学镜片，前三片镜片组的主要功能是矫正像差，同时和后两面镜子组配合组成所需的焦距，后两片镜子的主要功能在于将16∶9的图像拉伸为10∶3；将图像拉伸后镜头水平和垂直方向的焦距不同，最后一片镜子起到将两种不同焦距的成像面匹配在同一面的作用。该款投影镜头实现水平方向视场角20°，垂直方向6°。实际上，视场角和屏上最大照度是相互依赖的，在有限大小的DMD芯片上，视场角如果增大，屏上最大照度就会减小，影响实际夜间照明效果，反之亦然。图6(b)的图像模拟结果表明画面左右边缘具有彩带，而上下没有彩色带。这说明彩带并非由于激光波长的单一性造成的，而是由于TI 16∶9的DMD芯片拉伸为10∶3的投射图像导致画面出现色差造成的，虽然和基于DLP技术的商用视频投影仪画质[图6(a)]有很大差距，但是在实际路面照明投影应用中更多的是关注其图像轮廓信息，而不是局部细节。同时，将FOV视场角拉伸同样会导致水平方向高的畸变，如图7所示。

图6 图片成像模拟结果

图7 RGB DLP激光大灯投影镜头的成像网格畸变

以上结论是基于德州仪器1.5代16∶9的DMD芯片得出的。新一代的2.0代2∶1的DMD芯片会取消1.5代设计所用的用于视场拉伸的异形非轴对称镜片，消除对应的畸变、色差等问题，整个投影镜头的光学元件数量也会减少，系统可靠性将提高。

4 DLP头灯样机

该款DLP头灯样机基于RGB三基色激光光源和1.5代的864×480分辨率的DMD芯片开发而成，已装配于Haval H9 SUV前灯，用于功能测试与验证。图8(a)展示了DLP头灯的光学引擎示意图，DMD芯片集成了之前介绍的照明光学系统和投影光学系统。装车及点亮实际效果如图8(b)和 (c)所示。

激光DLP大灯的光强分布如图9所示，可以看到在中心区域比较亮，比较符合汽车远光照明模式，另外输出在屏上的是一个矩形的照明视场区域。

图8 DLP激光大灯样机

图9 RGB激光DLP头灯在25 m屏上的光强分布

图11 在路面上投射导航、限速和人行道斑马线

5 功能测试

DLP数字光处理技术提供的像素照明能够使汽车头灯呈现出许多新奇、有创意的照明模式。基于装配了RGB激光DLP头灯的Haval H9实车，我们简要介绍几类功能：

1)防眩目。该功能实现的是对同向或对向车辆的防眩目，图10所示的是装配了RGB激光DLP头灯的Haval H9实车的防眩目功能效果图，图10(a)中白色框标识了在对向车上实现光遮挡的区域，使对方驾驶员不眩目，如图10(b)所示。对于路上行人的防眩目功能，由于夜间摄像头的识别精度、作用距离和算法复杂度等问题，在量产车上目前没有实现。但是随着图像目标识别算法性能的提升，未来汽车头灯会对夜间道路参与者实现自适应防眩目。

图10 对向车的防眩目功能

2)投影符号功能。除了防眩目，投影符号功能如交通标识等是令人感兴趣的，除了投影简单的符号，还能提供与其他道路参与者的交互功能，这也许是未来自动驾驶或无人驾驶时代车灯演化的一种可能形态[6]。图11(a)中，在需要右转向的时候，Haval H9头灯会提前根据导航信息在距车前15～20 m位置投射右转向标识主动提醒驾驶员。在限速路段，投射限速标识提醒驾驶员不要超速，如图11(b)所示。这些功能都能辅助驾驶员在夜间能更好地驾驶，称之为“基于光的辅助驾驶”功能。图11(c)中，在汽车怠速或静止时，汽车头灯在车前投射了人行道斑马线，提醒行人能够安全通过。该功能起到汽车能够主动与行人进行良好的互动。

3)私人定制功能。如果能够提供个人定制化服务，那么对汽车品牌是有益的。在汽车启动时，在车库墙上投射个性化签名、属于车主的一些信息或者汽车品牌Logo(图12)，都是能够满足车主的个性化心理；在回家停到车库时，投射“欢迎回家”，这无疑能使汽车更加智能地了解车主的需求。

图12 私人定制的Haval的logo和标语

6 结语

我们基于RGB三基色激光光源和1.5代DMD芯片开发了 RGB激光DLP头灯，实现了高精度的防眩目自适应远光和基于光的辅助驾驶功能，满足汽车远光配光标准要求。随着车用照明光源技术的发展，DLP头灯能够实现的功能会更加丰富，高像素的照明模式也会扩展到近光区域，雨天路面反光眩目等问题也会得到相应的解决。