技術(shù)文章 |高分辨率前照燈：下一代的創(chuàng)新概念（下）

近年來，為了提高安全性和舒適性，前照燈系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展，并呈現(xiàn)出分辨率越來越高的的趨勢。更高的分辨率帶來了新的功能，如精確的眩光控制和道路投影。其中，道路投影是照明之外的一種功能，它為駕駛員與其他道路參與者進(jìn)行交流提供了機(jī)會。這種基于照明的通信對于即將到來的更高自動駕駛水平的時代尤其重要。為了充分利用道路投影的優(yōu)勢，提出了彩色投影技術(shù)。這種技術(shù)使信息不僅在夜間可見，且在白天也可見。當(dāng)前車燈的彩色投影技術(shù)要么光通量過低，無法達(dá)到照明要求；要么結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)成本高且不緊湊。本文提出了一種利用激光二極管和LCoS器件的高分辨率汽車前照燈系統(tǒng)的創(chuàng)新概念。并根據(jù)這一概念討論了具體的設(shè)計(jì)方案。

本文分為上下兩部分，上半部分主要介紹前照燈相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用、高分辨率前照燈的概念、技術(shù)現(xiàn)狀和存在的問題，下半部分主要介紹激光LCoS前照燈的概念、設(shè)計(jì)方法、仿真結(jié)果和實(shí)現(xiàn)。

一、激光LCoS前照燈的概念

在《高分辨率前照燈：下一代的創(chuàng)新概念（上）》中，我們介紹了不同的調(diào)制技術(shù)。其中，采用液晶顯示LCD和硅晶顯示LCoS可以實(shí)現(xiàn)基于偏振調(diào)制的高分辨率光分布。由于硅晶顯示的工作機(jī)制，在許多情況下，LCoS器件與偏振分光束器（PBS）一起工作，而這種工作結(jié)構(gòu)允許在不增加系統(tǒng)復(fù)雜性的情況下將另一個LCoS器件集成到系統(tǒng)中。通過使用兩個LCoS器件，可以實(shí)現(xiàn)所追求的概念：分辨率高、光通量大且系統(tǒng)緊湊。圖1展示了這個想法。

圖1 雙LCoS器件概念圖

如圖1所示，偏振方向上相互獨(dú)立的入射光束（S偏振和P偏振）從同一方向進(jìn)入PBS，然后從兩個不同的側(cè)面射出。兩個LCoS器件位于PBS的兩側(cè)，入射光束也從這里進(jìn)入。系統(tǒng)中的每個LCoS器件以線性偏振調(diào)制入射光，并將其反射出來，在PBS的幫助下，兩束調(diào)制后的光束再次匯合成一個方向，進(jìn)入投影系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)照明和投影功能。以圖1中的圖示為例，該概念的典型工作場景解釋如下：入射的S偏振光恒為白色； P偏振光是順序RGB顏色。其中一個LCoS對白光進(jìn)行調(diào)制，可以實(shí)現(xiàn)前照燈的不同功能（如ADB, AFS）；同時，另一個LCoS調(diào)制連續(xù)的RGB光，產(chǎn)生彩色的道路投影，并將其重疊到白光上。由于不同偏振態(tài)的入射光相互獨(dú)立，可以在不犧牲白光照明所具有的光通量的情況下實(shí)現(xiàn)彩色照明投影。此外，與單LCoS系統(tǒng)相比，系統(tǒng)復(fù)雜性不會顯著增加。

該概念的先決條件是獨(dú)立的S偏振和P偏振入射光束，RGB激光二極管以30：1到100：1間的偏振比發(fā)射偏振光，可以在實(shí)現(xiàn)先決條件的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)白光和RGB順序色光。此外，通過改變驅(qū)動策略，激光二極管發(fā)射的色光可以隨時切換到白光或RGB順序色光， 從而發(fā)揮更好的效果。例如，在某些環(huán)境中需要增強(qiáng)亮度時，S和P偏振的光束可以都是白色。在照明良好或積雪覆蓋的路面駕駛時，兩個光束可以都是色光，以增強(qiáng)顏色對比度。

綜上所述，雙LCoS激光二極管概念具有以下特點(diǎn)：在不降低光通量的情況下實(shí)現(xiàn)彩色投影，可在增強(qiáng)照明和增強(qiáng)彩色投影之間動態(tài)切換，且系統(tǒng)復(fù)雜性低。

二、激光LCoS前照燈設(shè)計(jì)思路

1.   組件選擇及其功能

A．電源，為系統(tǒng)中的光源、照明調(diào)制器和控制單元提供電能。

B．控制單元，實(shí)現(xiàn)RGB激光二極管的控制策略；同時，向調(diào)制器提供信息，以適應(yīng)光分布并同步激光二極管和LCoS器件的觸發(fā)信號。

C．初級光學(xué)系統(tǒng)，將來自RGB激光二極管的光束組合起來獲得白光，并對光進(jìn)行預(yù)整形來照亮LCoS表面。

D．次級光學(xué)系統(tǒng)，用于投射調(diào)制光，以實(shí)現(xiàn)前照燈所需的光分布。

圖2 雙LCoS系統(tǒng)的架構(gòu)

2.   照明方案

A．均勻照明

在這種照明策略中，初級光學(xué)元件首先將來自調(diào)制器表面的激光二極管的光束合并均勻化。然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求，二次光學(xué)元件將調(diào)制器發(fā)出的光均勻地投射到期望的視場。

圖3 均勻照明方案

B．一次光學(xué)的中央照明

這種照明策略中，初級光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生中心熱點(diǎn)，二次光學(xué)僅改變前照燈照明和投影的輸出視野，與均勻策略相同。由于初級光學(xué)器件的光束預(yù)整形工作原理，大量的光能集中在光調(diào)制器的中心。這種能量積累導(dǎo)致調(diào)制器的熱負(fù)荷很大。因此，在使用該方案時，必須采取適當(dāng)?shù)纳岽胧?/span>

圖4 一次光學(xué)下的中央照明方案

C．二次光學(xué)的中央照明

將來自光源的激光束進(jìn)行組合，并在調(diào)制器表面形成近似均勻的形狀。隨后，一個枕形畸變的二次光學(xué)系統(tǒng)將大部分輸出光匯聚到前照燈FoV的中心區(qū)域。與光束預(yù)成形方法相比，利用二次光學(xué)元件產(chǎn)生中心熱點(diǎn)對調(diào)制器表面的熱管理問題要少得多。然而，由于光分布的嚴(yán)重畸變，道路投影內(nèi)容會擠壓變形。為了糾正光束信息，需要根據(jù)畸變程度采用適當(dāng)?shù)膱D像處理算法。

圖5 二次光學(xué)下的中央照明方案

3.   光束疊加方案

雙LCoS激光二極管的PBS器件需要將兩個LCoS發(fā)射出的光進(jìn)行疊加，主要分為完全疊加方案和部分疊加方案。由于不同偏振態(tài)的兩束光具有相同的光學(xué)長度、共同的光學(xué)元件以及相同尺寸的兩個LCoS調(diào)制器，這兩個投影光束具有相同的視場，即理論上它們完全重疊。完全疊加的特點(diǎn)是允許對照明和投影進(jìn)行簡單的圖像處理，且適用于上文提到的三種照明方案。

圖6 完全重疊方案下的(a)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(b)駕駛員視野

部分疊加方案采用一大一小兩個LCoS器件和不同的初級光學(xué)系統(tǒng)對兩束光進(jìn)行偏振和預(yù)整形。這種設(shè)計(jì)導(dǎo)致前照燈的視野部分重疊，由于兩個照明區(qū)域都有高分辨率，該方案可以實(shí)現(xiàn)多像素功能。該方案一般結(jié)合均勻照明方案使用，從而實(shí)現(xiàn)較好的投影效果。

圖7 部分重疊方案下的(a)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(b)駕駛員視野

三、激光LCoS前照燈的實(shí)現(xiàn)

1.   光學(xué)系統(tǒng)與仿真

該光學(xué)系統(tǒng)包括初級光學(xué)器件和次級光學(xué)器件。

由于初級光學(xué)器件需要保證光束的偏振狀態(tài)，元件少且可以同時實(shí)現(xiàn)均勻分布和中央分布，光纖、集成棒、二向色反射鏡和二向色棱鏡在該系統(tǒng)中并不兼容，因此考慮使用衍射光學(xué)元件（DOE）、工程擴(kuò)散器和透鏡陣列（LAs）來實(shí)現(xiàn)光分布。此外，該系統(tǒng)使用6個RGB激光二極管，其中3個產(chǎn)生S偏振光，另外3個產(chǎn)生P偏振光。兩種光束可以是白色或彩色的。

圖8 RGB二極管參數(shù)

該系統(tǒng)使用的調(diào)制器是2個相同的0.37英寸LCoS器件，應(yīng)用的照明策略是均勻分布。采用帶有中繼透鏡的透鏡列陣作為光束組合和預(yù)整形的主光學(xué)元件。然后利用變形透鏡作為二次光學(xué)元件，將縱橫比從16:9變?yōu)?:1，實(shí)現(xiàn)了±15o×±5o（水平×垂直）的視場。

圖9   LCoS器件參數(shù)及簡化的仿真模型

從圖9可以看出，六個準(zhǔn)直激光束被一次光學(xué)元件組合并均勻成形。結(jié)果，在LCoS表面的位置獲得均勻的白光。由兩個透鏡組成的二次光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)目標(biāo)視場。此外，關(guān)閉LCoS位置中心1×1 mm2的區(qū)域以模擬關(guān)閉的像素，并在25米距離處的探測器上顯示具有對比度傳輸性能的拉伸效果。R/G/B激光器的輸出功率比為5:3:2。模擬結(jié)果表明，在沒有LCoS和PBS的情況下，系統(tǒng)的光學(xué)效率為65.16%。

2.   前照燈模型

根據(jù)仿真模型，設(shè)計(jì)了激光二極管LCoS前照燈樣機(jī)，如圖10所示。激光發(fā)射模塊包括一個散熱器、一個供電的印刷電路板（PCB）、一個二極管外殼和帶有激光準(zhǔn)直器的RGB激光二極管。原型還集成了主光學(xué)器件和LCoS器件之間的反射鏡，從而減少整個光學(xué)系統(tǒng)的軸向長度，使這個高分辨率模塊更緊湊。

圖10 激光二極管LCoS前照燈樣機(jī)

四、展望

下一步將驗(yàn)證提出的前照燈模型，并對該原型及其照明功能進(jìn)行進(jìn)一步分析。由于LCoS的反射特性，很大一部分光能量損失發(fā)生在LCoS上。因此，該光學(xué)系統(tǒng)的最大光學(xué)效率為38.45%，使用更好的LCoS器件可以提高光學(xué)效率。

此外，激光單色發(fā)射波長和高輸出功率強(qiáng)度會帶來潛在的激光散斑和激光安全問題，其中散斑現(xiàn)象對照明的影響還有待進(jìn)一步研究，必要時，將考慮采用適當(dāng)?shù)姆椒▉頊p輕激光散斑；但在下一步的設(shè)計(jì)中必須考慮到激光安全措施的系統(tǒng)整合。