资讯丨汽车投影照明技术—MLA微透镜阵列技术
国际汽车照明联盟
2021-12-31 10:23
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本文概述了MLA技术的操作原理,并描述了投射照明系统的组成。由于使用微透镜投影在光束质量和光束控制方面取得了进步,因此该技术的最大影响可能在于前照灯。汽车投影照明还有许多其他潜在用途-毫无疑问,有远见的工程师仍会发现其中的一些用途。


MLA技术整合了一个特殊的薄膜,安装在微透镜后面,能够存储大量数据。由于25.3万个透镜中的每一个透镜都能够显示由6.5万个像素组成的完整图像,因而很有必要配备这样一个薄膜。


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照明技术在汽车安全性和舒适性方面,起着非常重要的作用。它主要体现在两个方面:对外照明,使车辆对他人可见;对内照明,为乘客提供更明亮和更舒适的环境。


目前,随着LED的出现,人们已经在汽车照明的品牌和特性方面进行了一些早期尝试。例如,通过对指示灯(转向灯)进行动画处理,为日间行车灯创建独特的轮廓(图1)。不过,在大多数情况下,基本功能——照明,则始终保持不变。



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1.近光模式下的汽车前照灯。


但是,现在,ams生产的新技术使汽车OEM能够为汽车制造更多功能的照明系统。新的照明系统被称为微透镜阵列(MLA)技术,它在照明的同时也进行交流和参与。MLA技术首次使汽车制造商能够在离汽车一定距离的路面上投影出详细、清晰的图像或图案。与传统的光学投影仪相比,该阵列的占地面积和深度非常小,并且可以轻松的集成到汽车车身中,而不会影响其机械设计。


本文概述了MLA技术的操作原理,并描述了投射照明系统的组成。由于使用微透镜投影在光束质量和光束控制方面取得了进步,因此该技术的最大影响可能在于前照灯。汽车投影照明还有许多其他潜在用途-毫无疑问,有远见的工程师仍会发现其中的一些用途。



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创新的微型镜头组件,用于光投射


在当今的汽车照明中,光束通常是通过使用至少数十年历史的光学技术来成形的。例如,在前照灯中,通常是通过组合大型反射镜和嵌入前照灯盖中的透镜来实现光束控制。光投射的物理性质要求光源和透镜之间的最小距离较长,这意味着整个前照灯组件具有较大的体积并且在车辆的车身中占据较大的表面积。


MLA技术的采用标志着与传统汽车照明设计方法的突然突破。根据ams的说法,它首次使紧密聚焦的光束,甚至图像或图案从一个仅几毫米深和高的组件投射到道路或人行道的表面上。由于基于MLA的系统尺寸较小,因此投影灯几乎可以内置在汽车车身的任何部分。汽车制造商已经在实施或评估各种应用程序:



  • 当车辆检测到钥匙卡附近时,从门槛下方投射的路灯照明会显示出与车型或品牌不同的图案(图2)。这种方便和安全的功能照亮了用户进入汽车必须踩踏的表面。它还能给汽车带来更为个性的感觉,当司机在黑暗中回到车上时,车灯会显示“欢迎”的图案。投影在地面上的图像也可以成为汽车品牌的标志。

  • 转向灯从后视镜投射到道路上,为行人,骑行的人和其他道路使用者提供驾驶员转向意图的高度可见的指示,从而增强了道路安全性。

  • 车顶照明装置嵌入屋顶衬板或脚下。与道路照明一样,这提高了驾驶员和乘客所享受的便利性和舒适性,但同时也提供了一个机会,创造了一个属于汽车品牌的独特的视觉氛围。



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2.一个微透镜阵列组件将光线投射到汽车旁的路径上。


最引人注目的是,采用MLA技术可以彻底地反思前照灯的设计。小型化是一个好处:在ams的支持下,前照灯制造商的开发项目证明了创建具有窄缝轮廓的符合标准的前照灯的可行性(图3)。



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3.狭缝前照灯概念设计基于MLA技术的使用。


与传统的前照灯和更新的LED矩阵前照灯相比,该技术还提高了光束质量、均匀度和控制能力。在前照灯上使用投射照明的好处包括关键的安全主题,例如:



  • 几乎消除了迎面而来的车辆的危险;

  • 在雨天和雾天中表现出极大的优越性,大大减少了水滴反射回驾驶员眼睛的光量;

  • 动态自适应光束可将光线准确地引导到路面上需要的位置,从而为驾驶员提供最有用的照明;

  • 可以将与周围相关的信息(例如警告标志)投影到驾驶员前方道路上的功能。



然后,MLA技术为重新思考汽车照明设计提供了机会。基于MLA的投射照明系统由于其MLA模块中光路的特殊构造而具有其小巧的尺寸和出色的光学性能。


投射照明系统的组成


基于MLA的投射照明组件由一个LED光源,一个准直器和微透镜阵列本身组成。阵列是一个定制设计的模块。典型的MLA尺寸为11.4×10.7×3.0 mm (图4)。



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采用ams法制备了10×10毫米微透镜阵列。(来源:ams)


该阵列是一组精密制造的微型镜头,或称为“小透镜”。由于透镜阵列是通过与半导体行业共享的工艺制造的,因此MLA技术受益于硅芯片所具有的相同成本和质量优势。纳米级制造还意味着小透镜的形状和位置可以精确定位,以便它们将单个清晰聚焦的图像投射到距投影仪指定距离的表面上。该表面可以指定为平坦、弯曲或自由形式,并且垂直于投影仪或倾斜。


通过小透镜阵列投影图像,可以大大减少光源和透镜之间的焦距。与传统的单镜头投影仪相比,这将创建尺寸更小的投影仪(图5)。


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5.微透镜阵列的焦距比等效的单透镜投影仪短得多。(来源:ams)


微透镜阵列的工作原理


MLA通过将图像的多个版本投影到“屏幕”(即要在其上查看图像的表面)的同一位置上来工作。在例如由64个小透镜组成的MLA中,所看到的图像实际上是彼此重叠的64个投影图像。


实施该操作原理存在相当大的技术困难。对于阵列中的每个小透镜,即使是投影到平面垂直屏幕上的lenslet,单个光源的折射角也会略有不同。因此,小透镜需要彼此偏移一个微小的量(图6和7)。


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6.无偏移,镜头阵列的投影图像模糊。


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7.偏移图像“幻灯片”会在目标平面上产生精确叠加的图像,以使图像聚焦清晰。(来源:ams)


ams使用了专业的软件工具来计算每个小透镜的光学参数。但是请记住,在典型的MLA中,透镜直径大约为0.8 mm,焦距大约为2mm,并且垂度大约为80µm,很明显,制造阵列的功能需要极高的精度。


ams专有的这项生产技术可以使用常规的半导体制造设备在晶圆上制造光学阵列。这反过来又使得光学组件可以大批量的生产。


微透镜阵列需要精确地指定和制造,但是,实施有效的投影仪还需要对整个组件进行仔细的规格说明。例如,需要仔细控制来自LED光源的光,ams的专家指导可帮助客户正确指定将光引导入阵列的准直器。正确的准直会抑制镜头中的光学串扰,从而防止重影图像围绕中心图像的投射。


实施MLA投影仪时的设计注意事项


在为基于MLA的投影仪开发汽车用例时,了解物理定律如何控制任何给定阵列可以投影的图像的大小、分辨率和亮度,是很有帮助的。例如,在通量和可分辨点的数量之间要权衡:增加焦距会减少通量,但会增加最大像素数,反之亦然。在汽车设计中,空间非常宝贵,并且增加投影仪的焦距会使整个组件更深,更难以容纳。


这就是基于MLA的汽车应用程序通常具有300×300像素(QVGA)分辨率的原因,这足以投影公司徽标,如(图8)。


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8.投影的公司徽标由基于MLA的投影仪在脚部空间中渲染。(来源:iStock.com/kenneth-cheung/ams AG)


对于任何给定的MLA组件和图像,照明区域的大小也有限制。可以通过并行安装多个基于MLA的投影仪来扩展照明范围,以使一个投影图像在其边缘与另一个图像相遇。在这种情况下,必须为每个投影仪的透镜阵列创建一个单独的滑罩,这将影响投影仪系统的总成本。


可以将这种多掩模投影仪系统设计为产生3D效果,其中投影图案的不同部分以不同的观看距离聚焦。


创造性地探索MLA Tech的潜力


如今,ams在批量生产中提供了MLA技术,用于高档汽车(主要在欧洲制造)的道路照明应用。但是,汽车制造商目前正在探索微型投影仪系统的各种其他潜在用例。


安全照明备受关注。从后视镜或转向线投射的转向信号可以在执行倒车动作时为驾驶员提供帮助。


如上所述,MLA技术提供了使前照灯彻底小型化的范围,同时极大地改善了光束控制和质量。ams投影照明路线图还预测了新功能,可以将前照灯变成智能且动态自适应的照明源。例如,这可能意味着响应于车辆速度和道路条件的变化而改变光束的形状和范围。


在舒适性、便利性和品牌方面,投射照明还有可能超越当今的道路照明。图8显示了机舱内部照明的潜力,还可以看到微型投影仪嵌入车顶衬里。在外部,灯光投射可以在行李箱下方的道路上显示虚拟的“按钮”,使用户可以用脚“按下”灯光按钮以打开行李箱。


将来,汽车制造商会设想在全新的应用中使用投射照明技术,例如为自动驾驶汽车的外部照明。自主达到5级的车辆无需照明即可看到外界,但其他道路使用者和行人必须看到它们。这为实现安全目标(清晰可见)的独特照明设计创造了空间,同时还形成了独特的光学轮廓和图案,增强了汽车的个性和特色。


MLA技术还可以通过图标的投影实现车辆与驾驶员、车辆与车辆、车辆与行人的通信。例如,启用MLA的前照灯可能会在道路上投射人行横道符号,以表明驾驶员正在选择让步给希望过马路的行人。当由车辆的交通和安全信息系统触发时,前照灯还可能在驾驶员前方的道路上显示警告信号。


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这些用于车辆中MLA技术的实际使用案例为照明提供了新颖的应用。不仅用于照明,还用于交流以及品牌和个性化。但是,尽管对应用程序不熟悉,但光学技术本身已被证明。ams能够批量生产晶圆级光学器件并提供完全封装的组件,这种能力已在消费类设备中得到了证明,对于微透镜阵列而言,在汽车领域也得到了证明。


信息来源:车灯俱乐部