原文：《基于LCoS技術(shù)汽車車身照明數(shù)字投影燈》

作者：李標(biāo)

編譯：繆雯卿  郭雨欣

指導(dǎo)：林燕丹

隨著智能化時(shí)代的來臨，汽車內(nèi)飾、外飾照明的發(fā)展也越來越科技化，在室外照明細(xì)分市場(chǎng)中，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)投影大多用于“歡迎回家”場(chǎng)景。本文重點(diǎn)研究車身照明應(yīng)用的動(dòng)態(tài)投影，通過使用 LCoS 技術(shù)為汽車投影提供方案，討論主要的光學(xué)要求和設(shè)計(jì)參數(shù)。

動(dòng)態(tài)投影功能允許在汽車周圍進(jìn)行一系列交互，如圖1所示。根據(jù)不同的用例場(chǎng)景，可以定義不同的光學(xué)性能要求，通過封裝空間限制和環(huán)境要求將投影燈集成到規(guī)定的安裝位置。

圖1 支持不同交互場(chǎng)景的汽車投影

LCoS是基于液晶的技術(shù)，如圖2所示，其中光從光學(xué)活性液晶下方的反射層反射。根據(jù)技術(shù)細(xì)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)不同的反射率，典型值為65% [1]。LCoS通過使用偏振光產(chǎn)生對(duì)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(jīng)表現(xiàn)出一定程度的偏振，但偏振器仍在普遍使用，其光學(xué)效率與非偏振光相比更高，例如白色LED[2]。對(duì)比度是通過顯示明亮對(duì)比度的像素上的偏振旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的，而黑色像素保持其偏振。

圖2 LCoS顯示技術(shù)

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(duì)某一個(gè)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(duì)于光軸成45度角的位置。

偏光片和PBS有不同的技術(shù)，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(shù)包括可實(shí)現(xiàn)的對(duì)比度、透射率、環(huán)境負(fù)載下的耐用性、最大照度值、機(jī)械性能和價(jià)格范圍。所有這些因素都會(huì)影響圖像亮度、對(duì)比度、黑度和壽命。

投影光學(xué)需求是基于理想系統(tǒng)性能和物理限制之間的協(xié)調(diào)。主要性能指標(biāo)是圖像尺寸（面積）、照度值和圖像質(zhì)量。設(shè)計(jì)方面的主要限制因素是經(jīng)過光學(xué)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(huán)境要求。對(duì)于LCoS投影燈，需要在成像器前面添加偏振分束器，這對(duì)光學(xué)概念造成了限制。此外，由于需要控制成本，限制了組件數(shù)量、尺寸、材料選擇和其他特性。

最重要的一個(gè)光學(xué)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(jì)不同圖像尺寸的預(yù)期照度值。在圖3中顯示了設(shè)想均勻照明和垂直投影，因此所示的照度值對(duì)應(yīng)到圖像區(qū)域上的平均值。

圖3 平均照度

光學(xué)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要輸入是放大倍率。根據(jù)選擇的圖像區(qū)域，通過數(shù)字成像器的縱橫比計(jì)算圖像對(duì)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(jù)定義的圖像對(duì)角線值，選擇相應(yīng)的光學(xué)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(duì)于產(chǎn)品至關(guān)重要。更高的放大倍率通常需要更復(fù)雜的投影透鏡，并可能導(dǎo)致更差的圖像質(zhì)量。更小的成像儀也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的光通量更小，因?yàn)榭赡艿墓馔颗c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(huì)變得更小，而外形尺寸通常是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的硬性限制。在本文的設(shè)計(jì)中，選擇采用0.37英寸的成像儀，它需要100倍的放大倍數(shù)才能獲得大約900毫米的圖像對(duì)角線。

在成像儀確定且放大倍率固定后，將使用目標(biāo)投影距離來計(jì)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(guān)系。由于投影距離通常是固定的，可以根據(jù)圖5討論放大倍率對(duì)焦距的影響。當(dāng)放大倍率變小時(shí)，焦距變大，這通常對(duì)圖像質(zhì)量更有利。在本文設(shè)計(jì)中，目標(biāo)投影距離約為1m，對(duì)應(yīng)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(tǒng)傳輸?shù)墓馔颗c孔徑面積大致成正比。F數(shù)（焦距與孔徑直徑之比）對(duì)固定焦距處的孔徑尺寸、圖像質(zhì)量和焦深有直接影響。圖6顯示了孔徑面積與不同F(xiàn)值的焦距的關(guān)系。F數(shù)越低，投影燈輸出通量越高。本文的設(shè)計(jì)選擇目標(biāo)F數(shù)為2左右。

圖6 投影孔徑面積

光學(xué)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?shù)酵队巴哥R。通過單透鏡或雙透鏡聚光器實(shí)現(xiàn)光的收集，光收集效率是第一個(gè)目標(biāo)。同時(shí)角度分布需要匹配相應(yīng)的光學(xué)元件，因此設(shè)計(jì)需要在子單元之間進(jìn)行補(bǔ)償。

本文目標(biāo)是開發(fā)具有小尺寸和臨界照明的投影燈，其光學(xué)元件數(shù)量更少?？梢栽诰酃馄髦蠓胖靡粋€(gè)聚焦透鏡，從而在LCoS上創(chuàng)建LED圖像。通常的LED具有方形發(fā)光表面，如果要形成的圖像具有矩形形狀，則需要徑向非對(duì)稱光學(xué)元件。由于LCoS的高縱橫比，這種解決方案會(huì)使系統(tǒng)在透鏡數(shù)量和公差方面變得復(fù)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(huì)出現(xiàn)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(shí)現(xiàn)均勻照明，MLA鏡頭的縱橫比應(yīng)與LCoS相匹配。

圖7 微透鏡陣列

此外，在系統(tǒng)的照明部分，PBS和偏振器占據(jù)了LCoS之前的空間。對(duì)于照明側(cè)也可以進(jìn)行與投影透鏡類似的討論。MLA透鏡以給定的放大倍數(shù)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(huì)被投影透鏡擋住，造成雜散光，因此照明的F值應(yīng)該和投影面相匹配。

本文研究目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)基于LCoS的投影燈，它的亮度足以支持真實(shí)的用例，并提供足夠大的圖像以充分利用數(shù)字技術(shù)。

（1）光源選擇白色LED光源，因?yàn)槟壳暗牧⒎ú辉试S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(dá)到100勒克斯，圖像對(duì)角線約為800毫米，相當(dāng)于+/-22度的投影光錐。

（4）成像器縱橫比為16:9。

（5）圖像質(zhì)量要求投影圖像上相距幾毫米的點(diǎn)可分辨即可。

根據(jù)之前的分析，本文的設(shè)計(jì)選擇0.37英寸LCoS成像儀，放大倍率約為100倍，焦距約為12mm，F(xiàn)數(shù)為2。

根據(jù)設(shè)計(jì)需求和設(shè)計(jì)目標(biāo)，所設(shè)計(jì)的 LCoS 光學(xué)系統(tǒng)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(shù)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(jìn)入投影鏡頭之前通過偏光片。F數(shù)為2、焦距約為12mm的投影透鏡由四片鏡頭組成。

圖8 LCoS光學(xué)系統(tǒng)：（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(shí)現(xiàn)的光通量約為27lm。在1m目標(biāo)距離上對(duì)角線約800mm的圖像上，最大照度值將在100勒克斯的范圍內(nèi)。典型的均一性可以控制在4:1的范圍內(nèi)。投影圖像顯示了一些失真，可以通過LCoS軟件進(jìn)行補(bǔ)償。圖像質(zhì)量可以根據(jù)關(guān)系曲線（MTF）進(jìn)行分析，如圖9所示。

圖9 圖案透鏡關(guān)系曲線

使用哪種數(shù)字成像儀對(duì)于特定應(yīng)用是一個(gè)復(fù)雜的問題，需要針對(duì)一組給定的要求進(jìn)行詳細(xì)分析。這里將討論基于LCD的技術(shù)，并與數(shù)字微鏡器件技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要比較。

基于LCD的技術(shù)（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(shí)，至少會(huì)損失一半的光。而如果使用RGB激光光源將會(huì)有很大的改進(jìn)潛力，但設(shè)計(jì)由于針對(duì)的白光LED應(yīng)用，若改為RGB方案則需要增加封裝空間。另一方面，與數(shù)字光處理相比，LCoS技術(shù)具有優(yōu)勢(shì)。在LCoS技術(shù)中，鏡子傾斜角有一個(gè)額外的限制。此屬性限制了系統(tǒng)的F值，這個(gè)數(shù)高于本文所設(shè)計(jì)LCoS的值。雖然較小的F值會(huì)降低圖像質(zhì)量并且焦深較小，但正如已經(jīng)討論過的，圖像質(zhì)量并不是汽車用例的主要參數(shù)。LCoS系統(tǒng)的偏振損耗可以與數(shù)字微鏡器件相比，當(dāng)用較小的F值進(jìn)行補(bǔ)償，如果有需要可以用更大的成像儀進(jìn)行補(bǔ)償。

所以與替代技術(shù)相比，LCoS是具有競(jìng)爭(zhēng)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(jìn)的圖像質(zhì)量。

本文對(duì)LCoS投影燈在可實(shí)現(xiàn)的性能方面進(jìn)行了討論。對(duì)于集成到側(cè)鏡和此類應(yīng)用的典型投影距離，可以實(shí)現(xiàn)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(duì)角線接近800毫米，圖像照度值可以達(dá)到100lux左右。圖像質(zhì)量達(dá)到分辨幾毫米大小的最小結(jié)構(gòu)。在實(shí)踐中，投影圖像質(zhì)量似乎是良好折衷方案對(duì)于滿足高亮度的需求。與替代技術(shù)相比，LCoS解決方案提供了具有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品，較小的圖像將允許更高的照度值和改進(jìn)的圖像質(zhì)量，未來如果包裝空間允許，可以升級(jí)到RGB投影。

參考文獻(xiàn)：

[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