资讯丨【车灯核心技术报告】数字投影大灯
国际汽车照明联盟
2022-04-07 16:34
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汽车在130多年的历史期间经历了多次变革,发展历程中最令人着迷的领域之一就是汽车照明的创新,它不仅是一辆车的“眼睛”,更多时候它会成为决定一辆车的性格、辨识度等等特性的关键要素。现在数字投影技术已经应用到了车灯上,让它有了“说话”的能力,将车灯带入到了崭新的交互技术革命之中。


(华人运通Hiphi X  数字投影大灯)

数字投影技术,简单来说就是将每个汽车前大灯都变成了「高清投影仪」。它不仅能提供更好的照明,还能提供更精细的区域分辨率以及显示对驾驶员的额外指导信息。


(智己  L7 数字投影大灯)



Section 1  

数字大灯技术方案


数字投影大灯是车灯照明的新任务,不管是与车内人员或车外人员,它都能提供很好的交互感。现今相对来说比较成熟的投影大灯方案主要有3种。



**DMD 方案**


DMD是现在唯一已经量产的数字投影大灯技术,应用于奔驰 S,奥迪E-tron Sportback,华人运通 HiPhi X,智己等。(参考研究院文章->传送带



DMD式灯光源系统,可理解为仅使用白色像素的投影仪,其基本原理并无二致。当然,为了符合车规认证,特别是大灯中严苛的使用环境,从 DMD 器件到与之配合的光机系统均做了设计优化。另外,大灯投影面为水平路面,投射距离越远,其投影图像的梯形畸变效应越明显,因此还需要作相应的图像算法校正。

就整体方案而言,DMD 相对于目前其他的数字投影技术最大的优势在于像素数量之多。目前的首款DMD大灯已突破百万级的像素,遥遥领先于其他技术,而且将来还有进一步上升的空间。此外,虽然投影机的技术门槛较高,但汽车主机厂或车灯厂可发挥自身熟悉汽车行业规范的设计优势与传统投影光机厂开展合作,实现相关的技术转移和技术升级。



**LCD 方案**


除去车灯不需要的三色滤色片(RGB Color Filter), LCD 式大灯与普通 LCD 显示屏一样,需要背光源、偏光片及液晶面板等基本构件。

另外由于功率密度比普通LCD显示器高得多,LED 矩阵背光大量发热,使得液晶面板无法像 LCD 显示器一样直接放在背光源上,需要增加如反射镜等一些二次光学器件来形成一定距离的光路。

即使如此,由于相对较高的亮度,偏光片及液晶面板需要吸收的来自光线本身的损耗也远高于普通液晶显示器,加上需要经过严酷的车规级验证,这些器件,尤其是液晶面板,需要厂家特殊定制。

目前的 LCD 式大灯的像素数量级已经能做到万级,鉴于当前用于显示的 LCD 技术能够做到高得多的像素级别,有理由相信 LCD 式大灯能在不远的未来突破十万级乃至更高的像素数量级。

LCD技术方案的主要限制在于,由于偏光片及液晶面板的损耗,光学效率相对较低,而且从原理上来说改善空间有效。另外,液晶面板长时间在高温工作下的寿命衰减,乃至各项性能参数的变动(如液晶体反应速率,透过率,均匀性等)也是需要密切关注的技术点。

更值得注意的是,能符合大灯使用要求的液晶面板必须特殊定制,只有具有相当规模的灯厂才有可能跟液晶面板厂商合作定制此类面板;而且目前估计也只有极少数面板厂能生产出符合要求的面板,因此该技术的普及有一定难度。




** Micro-led 方案**


在过去传统的 LED 工艺里,每个芯片只有单个正极和单个负极(多芯片 LED 仅是把多个独立的 LED 芯片整合到一个 LED 封装),外部驱动提供电能后,整片芯片同时点亮。

而Micro-Led则是预先在芯片的硅衬底中整合了矩阵式的 CMOS 控制电路,结合同样经矩阵式微结构处理的芯片,实现了对芯片上每一个独立的微结构区域进行单独的开、关及电流调节的功能,使每一个微芯片结构直接成为了大灯光型中可独立控制像素。

因此,Micro-led 虽仍以 LED 为光源,但其与同以 LED 为光源的 LCD 式和 DMD 式大灯光源系统的区别在于像素的形成:Micro-led 在 LED 芯片的层面直接形成像素;LCD 通过液晶面板、DMD 通过 微透镜形成像素。

得益于无需额外增加像素生成系统的特性,Micro-led 的主要优势便体现在较低的系统成本,较小的系统体积,以及相当高的效率。这三个特性意味着使用多个Micro-led 排列组合为更复杂的光学系统成为可能。

此外,由于与单颗朗伯体发光的 LED 光型接近,Micro-led的光型延展性也相对较好。又由于是直接对 LED 光源进行开关动作,其能达到的明暗对比度是几种方案里面最高的。成熟的 LED 硅衬底技术也使得 Micro-led 有更稳定的温度特性。

与 LCD 式及 DMD相比,Micro-led 的主要限制在于像素的数量。目前已经量产的 Micro-led 像素数量级在千级,万级的正在开发中,有望于明后年上市,十万级以上产品则在更远期的规划当中。





Section 2  

数字大灯光学处理


迄今为止,车灯主要还是专注于非成像光学的原理来设计,以及如何优化各种性能,比如怎么在尺寸越来越小的光学模组中实现高光学效率。

但是对于数字投影大灯,除了常规的照明功能之外,还需要考虑投影的图像质量,即怎么实现高对比度和低失真率。若要实现高标准的图像质量,根据像差理论,则要求投影模组(LCD、DMD、 Micro led等)具有低发散度和小投影视野

但是在现实应用中,几乎所有车灯投影模组都是高发散度和大的投影视野。大的投影视野局限于模组的散热,而高发散度是由荧光粉的转换性质决定的。

因此这些投影模组的图像质量只能通过较小的数值孔径和较大的焦距来实现,这直接导致了光学效率偏低和投影模组尺寸较大,而这些都和现有车灯设计的趋势不符。它们之间的关系如下图所示。

(图:投影图像质量和光效之间的对立关系。)
 
因此重要的是如何在这几个变量之间取得平衡。

车灯数字投影模组的特性

对投影模组成像光学影响最大是两个参数:发散度(见下图左)和视野大小(见下图右)。


DMD,LCD和Micro-Led投影成像模组的主要技术参数指标见下表。

除了发散度和投影视野,还有一些其他的参数也需加以考虑,比如分辨率、对比度和光通量等。假定DMD模组也使用朗伯光源,当前朗伯光源最大值近似为4000 lm。假定投影模组光学元件的效率为80%, DMD芯片本身的效率为66%,合起来的总效率为53%,因此光线在到达成像透镜之前,会损失到2000 lm左右。LCD模组同样需要光学透镜,假定其效率为80%。偏光和析光的损失差不多是50%。对点亮区域的分辨率越低,其光学效率越高,反之亦然。因此LCD模组的总体光效差不多为40%。如果光源输入为9000 lm,则有约3600 lm将到达成像透镜上。HD micro led模组没有上述这些中间过程,理论上光到达成像透镜之前都不会有光损失。实际的效率取决于现实系统,并非一成不变,若要提高整个系统的光学效率,则需要对模组本身和技术方案进行重大更改。

光学特性

成像光学的光学原理见下图:

 f- 焦距
𝛼-光学接受角
Y-最大发散角度
NA – 数值孔径

发散角和效率

成像光学元件的效率等于数值孔径NA的接受光与图像生成元件的发出光的比值。对上述的三个模组意味着,

-DMD有53%的光输入效率,产生+/-18°左右的发散角
-LCD有40%的光效,产生+/-5°左右的发散角
-HD 100%的光输入效率,其发散角接近+/-90°
对于每个模组,下图显示了接受角和光学效率之间的关系。



由于投影透镜的菲涅耳反射的损失。DMD的最大效率限制在53%,LCD的最大效率限制在40%。此外,很明显,要使micro led达到与DMD或LCD相同的效率,需要更高的接受角。

视野大小和焦距

成像系统的放大率指图像和图像生成元件的比值。图像生成元件的大小是固定的。因此,需要的图像视野直接影响到系统所需的焦距。

一般来说,焦距越大,图像质量越好,如果焦距比较小,将折射率拆分成几个透镜可以改善图像质量,同时减少模组的总长度。

 


Section 3 

总结和展望



对数字投影模组来说,光学效率和图像质量受接受角影响。LCD模组和DMD模组需要比micro-led模组的使用更多的光学零件,因为必须对光进行准直,这将导致更大的系统尺寸和更多的初始光损失。另一方面,这也会产生较小的发散角。随着发散角的减小,即使使用非常简单的成像光学元件,也可以获得更好的图像质量。


总的说来,数字投影大灯为车灯带来了新的功能,在主动安全和人车互动方面有了新的提升。但同时数字投影大灯的价格还比较昂贵,如何在价格和图像质量之间进行更好的平衡将至关重要

——The End——