【技術前沿】基于LCoS技術汽車車身照明數字投影燈

原文：《基于LCoS技術汽車車身照明數字投影燈》

作者：李標

編譯：繆雯卿  郭雨欣

指導：林燕丹

隨著智能化時代的來臨，汽車內飾、外飾照明的發展也越來越科技化，在室外照明細分市場中，靜態和動態投影大多用于“歡迎回家”場景。本文重點研究車身照明應用的動態投影，通過使用 LCoS 技術為汽車投影提供方案，討論主要的光學要求和設計參數。

動態投影功能允許在汽車周圍進行一系列交互，如圖1所示。根據不同的用例場景，可以定義不同的光學性能要求，通過封裝空間限制和環境要求將投影燈集成到規定的安裝位置。

圖1 支持不同交互場景的汽車投影

LCoS是基于液晶的技術，如圖2所示，其中光從光學活性液晶下方的反射層反射。根據技術細節，可以實現不同的反射率，典型值為65% [1]。LCoS通過使用偏振光產生對比度。偏振光一般通過偏振光源或偏振器得到，激光光源已經表現出一定程度的偏振，但偏振器仍在普遍使用，其光學效率與非偏振光相比更高，例如白色LED[2]。對比度是通過顯示明亮對比度的像素上的偏振旋轉來實現的，而黑色像素保持其偏振。

圖2 LCoS顯示技術

此外，光路需要從照明重定向到投影光路，這是通過使用偏振分束器（PBS）完成的。PBS針對某一個偏振具有非常高的透射率，并且它反射其他偏振分量，通常安裝在相對于光軸成45度角的位置。

偏光片和PBS有不同的技術，例如玻璃或塑料上的線柵偏光片、塑料薄膜偏光片、吸收偏光片等。PBS和偏光片選擇的重要參數包括可實現的對比度、透射率、環境負載下的耐用性、最大照度值、機械性能和價格范圍。所有這些因素都會影響圖像亮度、對比度、黑度和壽命。

投影光學需求是基于理想系統性能和物理限制之間的協調。主要性能指標是圖像尺寸（面積）、照度值和圖像質量。設計方面的主要限制因素是經過光學器件的光損耗和基本光輸入。集成限制包括封裝空間（外形尺寸）、電功耗、溫度限制和其他環境要求。對于LCoS投影燈，需要在成像器前面添加偏振分束器，這對光學概念造成了限制。此外，由于需要控制成本，限制了組件數量、尺寸、材料選擇和其他特性。

最重要的一個光學要求是圖像照度（lux）和投影燈輸出光通量（lm）。通過給定的光通量可以估計不同圖像尺寸的預期照度值。在圖3中顯示了設想均勻照明和垂直投影，因此所示的照度值對應到圖像區域上的平均值。

圖3 平均照度

光學設計的一個重要輸入是放大倍率。根據選擇的圖像區域，通過數字成像器的縱橫比計算圖像對角線，一般為比例為16:9。圖表4中顯示了不同代表性圖形尺寸的放大率。根據定義的圖像對角線值，選擇相應的光學成像儀尺寸來適配放大倍率。

圖4 投影透鏡的倍率

成像儀尺寸的選擇對于產品至關重要。更高的放大倍率通常需要更復雜的投影透鏡，并可能導致更差的圖像質量。更小的成像儀也會導致系統的光通量更小，因為可能的光通量與成像儀面積成正比。但另一方面，隨著成像儀的縮小，封裝空間會變得更小，而外形尺寸通常是產品設計中的硬性限制。在本文的設計中，選擇采用0.37英寸的成像儀，它需要100倍的放大倍數才能獲得大約900毫米的圖像對角線。

在成像儀確定且放大倍率固定后，將使用目標投影距離來計算投影鏡頭焦距。圖5顯示了焦距與不同投影距離的放大倍率的關系。由于投影距離通常是固定的，可以根據圖5討論放大倍率對焦距的影響。當放大倍率變小時，焦距變大，這通常對圖像質量更有利。在本文設計中，目標投影距離約為1m，對應的焦距約為 12mm。

圖5 投影透鏡焦距

孔徑限制投影光路中的光束大小，通過系統傳輸的光通量與孔徑面積大致成正比。F數（焦距與孔徑直徑之比）對固定焦距處的孔徑尺寸、圖像質量和焦深有直接影響。圖6顯示了孔徑面積與不同F值的焦距的關系。F數越低，投影燈輸出通量越高。本文的設計選擇目標F數為2左右。

圖6 投影孔徑面積

光學照明器件的作用是收集來自光源的光，照亮LCoS成像器并將光傳輸到投影透鏡。通過單透鏡或雙透鏡聚光器實現光的收集，光收集效率是第一個目標。同時角度分布需要匹配相應的光學元件，因此設計需要在子單元之間進行補償。

本文目標是開發具有小尺寸和臨界照明的投影燈，其光學元件數量更少。可以在聚光器之后放置一個聚焦透鏡，從而在LCoS上創建LED圖像。通常的LED具有方形發光表面，如果要形成的圖像具有矩形形狀，則需要徑向非對稱光學元件。由于LCoS的高縱橫比，這種解決方案會使系統在透鏡數量和公差方面變得復雜。另一種可能性是使用與LCoS具有相似縱橫比的矩形LED芯片。在這種情況下，會出現來自臨界照明的已知問題，其中光源的不均勻性被重新成像到最終圖像平面。通過在聚焦透鏡前添加多透鏡陣列（MLA，見圖7）可以實現均勻照明，MLA鏡頭的縱橫比應與LCoS相匹配。

圖7 微透鏡陣列

此外，在系統的照明部分，PBS和偏振器占據了LCoS之前的空間。對于照明側也可以進行與投影透鏡類似的討論。MLA透鏡以給定的放大倍數成像到LCoS，光線的角度分布取決于距離和焦距。角度分布與投影鏡頭的透光能力相匹配很重要，否則大角度會被投影透鏡擋住，造成雜散光，因此照明的F值應該和投影面相匹配。

本文研究目標是設計一個基于LCoS的投影燈，它的亮度足以支持真實的用例，并提供足夠大的圖像以充分利用數字技術。

（1）光源選擇白色LED光源，因為目前的立法不允許外部RGB彩色投影。

（2）安裝位置選擇在后視鏡中。

（3）1000毫米投影距離上平均達到100勒克斯，圖像對角線約為800毫米，相當于+/-22度的投影光錐。

（4）成像器縱橫比為16:9。

（5）圖像質量要求投影圖像上相距幾毫米的點可分辨即可。

根據之前的分析，本文的設計選擇0.37英寸LCoS成像儀，放大倍率約為100倍，焦距約為12mm，F數為2。

根據設計需求和設計目標，所設計的 LCoS 光學系統如圖8所示。在照明方面，使用白色矩形LED為投影提供高流明輸入，其集光率與LCoS縱橫比相匹配。單透鏡聚光器為照明MLA，來自MLA的混合光使用傅里葉透鏡聚焦到LCoS上，通過F數匹配投影透鏡提供均勻照明。光穿過PBS板，從LCoS反射，從PBS反射，并在進入投影鏡頭之前通過偏光片。F數為2、焦距約為12mm的投影透鏡由四片鏡頭組成。

圖8 LCoS光學系統：（1）白色光源LED PCB線路板；（2）聚光器；（3）多透鏡矩陣；（4）透鏡；（5）偏光片；（6）偏振分束器；（7）LCoS；（8）投影透鏡

圖像模擬顯示，道路上可實現的光通量約為27lm。在1m目標距離上對角線約800mm的圖像上，最大照度值將在100勒克斯的范圍內。典型的均一性可以控制在4:1的范圍內。投影圖像顯示了一些失真，可以通過LCoS軟件進行補償。圖像質量可以根據關系曲線（MTF）進行分析，如圖9所示。

圖9 圖案透鏡關系曲線

使用哪種數字成像儀對于特定應用是一個復雜的問題，需要針對一組給定的要求進行詳細分析。這里將討論基于LCD的技術，并與數字微鏡器件技術進行簡要比較。

基于LCD的技術（如LCoS或透射式LCS投影燈）的主要限制是需要使用偏振光。在使用白色LED照明時，至少會損失一半的光。而如果使用RGB激光光源將會有很大的改進潛力，但設計由于針對的白光LED應用，若改為RGB方案則需要增加封裝空間。另一方面，與數字光處理相比，LCoS技術具有優勢。在LCoS技術中，鏡子傾斜角有一個額外的限制。此屬性限制了系統的F值，這個數高于本文所設計LCoS的值。雖然較小的F值會降低圖像質量并且焦深較小，但正如已經討論過的，圖像質量并不是汽車用例的主要參數。LCoS系統的偏振損耗可以與數字微鏡器件相比，當用較小的F值進行補償，如果有需要可以用更大的成像儀進行補償。

所以與替代技術相比，LCoS是具有競爭力的外部汽車投影燈，較小的圖像將允許更高的照度值和改進的圖像質量。

本文對LCoS投影燈在可實現的性能方面進行了討論。對于集成到側鏡和此類應用的典型投影距離，可以實現約27lm的投影光通量，使用了0.37英寸LCoS成像儀，放大倍率約為100倍。這使圖像對角線接近800毫米，圖像照度值可以達到100lux左右。圖像質量達到分辨幾毫米大小的最小結構。在實踐中，投影圖像質量似乎是良好折衷方案對于滿足高亮度的需求。與替代技術相比，LCoS解決方案提供了具有競爭力的產品，較小的圖像將允許更高的照度值和改進的圖像質量，未來如果包裝空間允許，可以升級到RGB投影。

參考文獻：

[1] C. Bremer, B. Lewerich, Frank Hendricks, C. Neumann, "LCoS projection system," in Proceedings of the 13th Intern. Symphosium on Automotive light-ing, vol. 18, no. 1, pp. 331-341, 2019

[2] P. Ansorg, B. H?fer, N. Danz, U.D. Zeitner, "Bending the light with LCoS," in Proceedings of the 12th Intern. Symphosium on Automotive lighting, vol. 18, no. 1, pp. 167-175, 2017