流水式转向信号投影灯的设计与实现

祁高进，宋健，张海升，熊衍建

常州星宇车灯股份有限公司，江苏常州 213022

0 引言

车道变换是行车过程中经常发生的驾驶行为，在车道变换过程中发生的交通事故占事故总数的4%，占总死亡人数约0.5%，而由换道引起的碰撞，占此类碰撞事故的10%以上[1]，传统转向灯固有的发光角度容易造成视野盲区，通过地面投影辅助转向的方式可以扩大示警范围，加强本车与其他交通参与者的交互。同时，新颖、美观、醒目的动态转向灯也更符合人们对汽车的要求[2]。在未来，流水式转向投影灯可以承载更多车辆要执行的驾驶决策信息，延长无人驾驶车辆的决策时间，提高无人驾驶的智能化水平[3]。

信号投影灯的投影技术经过近年的开发，主要包括微透镜阵列(micro lens array，MLA)投影、菲林投影、数字光处理(digtal light procession，DLP)投影和自由曲面等方式。这些投影方式中，DLP投影虽然可以实现图案动态可编辑，然而其结构复杂、造价昂贵，未来在车辆上的普及度可能不高；MLA和自由曲面投影方式虽结构简单，但是无法实现图像编辑，而且MLA投影的成本高，自由曲面的镜头模组大；相比而言，菲林投影具备成本低、小型化的特点。本文基于菲林投影的形式，以LED为照明光源，完成了流水式转向投影灯的开发。利用柱透镜的单向聚焦特性，提高了系统光效比；通过3个投影灯组合，形成流水式动图投影。下面将从光学设计理论、光学系统设计、样机试制详情和相关测试等方面对流水式转向投影灯的开发进行介绍。

1 光学设计理论

流水式转向投影灯可分为照明系统和投影系统两部分。其中照明系统的设计遵循光学扩展量守恒和柯勒照明条件，光学扩展量的定义如下[4]：

(1)

式中：n为介质折射率；θ为光束与发光面法向的夹角；dAs为面积元；dΩ为立体角元。

在没有能量损失的光传输过程中，ξ是不变量，可以得出，光线准直效果(Ω)、照明面积(As)和照度(Ø/As)之间存在相互制约关系，为了获得足够亮的投影，简化投影镜头的设计，对照明镜头的准直效果、照明面积需要综合考虑。为获得均匀的照明效果，采用柯勒照明的方式，即将菲林片设置在照明系统的出瞳上。

设计投影镜头时，照明光源提供的能量应全部进入成像系统，要注意照明系统和成像系统的衔接关系，即成像系统的拉赫不变量J2应不小于照明系统的拉赫不变量J1是设计中的原则[5]。转向灯投影系统的特点是中等视场、中等口径、低畸变和低色差，可以使用库克式透镜作为初始结构，通过加入非球面来校正高级球差，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为透镜顶点到光轴方向的距离；c为透镜的基本曲率；r为朝向垂直于光轴方向的距离；k为二次圆锥常数；ai为非球面系数；pi为径向坐标；N为设置的项数；i为下标系数。

2 照明光学系统

照明系统的应用是为了提高能量利用率和照明均匀性，由于转向投影灯只需满足中等视场的照明，柯勒照明足以满足照明要求，在柯勒照明系统中，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匀而平滑[6]。照明系统如图1所示，先通过凸透镜将LED光源的光尽可能收集，然后利用柱透镜对光斑的一个方向进行压缩。

图1 照明系统

照明方式对比如图2所示。

图2 照明方式对比

由图2可以看出，相比于常规照明，采用柱透镜的照明可以改变光斑的纵横比，使得通过菲林片的光利用率显著提升；通过投影图案与照明光斑的面积之比计算光利用率，常规照明光利用率约为10.25%，使用柱透镜后光利用率约为15.63%，光利用率大幅度提高。

3 投影光学系统

设计投影镜头时，将其视为一个倒置的照相镜头进行逆向设计，基于本系统中等视场、中等口径、低色差和低畸变的要求，采用经典库克式结构。投影镜头二维图如图3所示，依次是正光焦度的第一透镜，负光焦度的第二透镜，正光焦度的第三透镜，并通过引入两个非球面，提高设计自由度，极大提升了像差矫正能力。

图3 投影镜头二维图

对整个系统进行光学仿真，每个模组LED光通量按270 lm模拟，其中镜头高度1 m，与投影面夹角45°，照度分布如图4所示，3个投影箭头由近到远，对应图中自下而上的顺序排列，第一个箭头平均照度值约370 lx，第二个箭头平均照度值约300 lx，第三个箭头平均照度值约235 lx，箭头的照度由近端到远端逐渐下降，单个图案的颜色一致，投影图案的均匀性很好。

图4 照度分布

4 样机与测试

转向投影灯通过3组镜头轮流发光实现流水式效果，每个镜头使用一个LED作为光源，根据投影距离不同，各组菲林片的图案进行变形，使投影图案更加一致。图5为流水式转向投影灯样机。

图5 流水式转向投影灯样机

将转向投影灯架设在1 m高，以45°角对地面进行投影，地面投影如图6所示。3个箭头从上至下依次亮起，形成动态转向警示图案，利用照度计测试各图案的照度，结果见表1，可以对交通参与者产生显眼的提示效果。

图6 地面投影

表1 投影图案照度结果 单位:lx

5 结束语

传统转向灯普遍表现形式为灯光闪烁[7]、功能单一、样式普通，而流水式转向信号投影灯将投影系统应用到转向灯上，通过定制菲林片图案实现新颖美观的信号投影，通过投影灯组合实现流水式动态效果，是一种投影照度高、图案大以及距离远的信号投影灯，其同时具备成本低、小型化、人车交互性强和彰显品牌的优点，在未来有望成为汽车信号灯的热门技术。