基于DMD投影式的自適應激光前照燈OFF態微反射鏡反射光的利用設計

饒立鋒 周武超

摘 要：由于已有的數字光投影技術的自適應激光前照燈未能對DMD芯片上處于“Off”態微反射鏡的光能進行利用，造成光能利用率低，本文根據《GB 25991-2010》，通過復眼透鏡，采用三基色激光混合得到白光，再利用Light Tools軟件進行仿真設計，設計一套導光系統將這部分浪費的光能導入遠光燈的主光路，使得光能利用率從原有的65.82%提高到80%，最后配光效果完全符合國標。

關鍵詞：DMD；導光系統；汽車遠光燈；Light Tools

一、引言

本研究在基于DLP投影光學系統形成豐富多樣的燈型，使得車燈也能夠更加人性化的基礎上，設計一個光收集系統和導光系統，將DMD芯片上處于“Off”態微反射鏡反射的照明光進行收集，然后通過導光系統將這部分光補充到遠光燈的主光路上，光能的利用率提高到70%以上，通過Light Tools軟件模擬出的結果表明，照度分布和光型符合國家標準。

二、光源

激光光源合成白光的方法有兩大類：（1）三基色光混合得到白光，（2）激發熒光粉。由于通過藍光 LD 激發熒光粉或三基色激光合成才能產生白光。藍光 LD 激發熒光粉所得白光色坐標均勻性較差，通常中間泛藍，邊緣泛黃，同時所得白光為散射光，光束質量差，且光譜固定不可調。因此本文的光源采用第一種。參考 LED 前照燈標準中對前照燈光源光通量的要求，光源光通量≥1000lm。根據光通量計算公式：

（2.1）

其中Km= 683lm/W，查表獲得 RGB 激光二極管三種波長在人眼視覺函數V（λ）中的權重分別為 0.217、0.7100、0.0298，代入式（2.2）計算所需三種激光光源功率比系數 a=1.4，求出三種光源各自的總功率，最后根據每種光源的單顆功率確定所需 RGB 激光機二極管數量依次分別為：NR=4，NG=2，NB=1。

（2.2）

將三基色激光通過光纖，然后使用雙復眼透鏡結構對三基色激光光源進行耦合，如圖2-2所示，根據復眼透鏡勻光機制可在焦面 P 處獲得一個矩形均勻白光光斑。

三、DMD芯片

DMD芯片是 DLP投影顯示技術中的核心器件，一種利用 MEMS技術制造的微型反射鏡陣列。每個芯片上集成了數十萬到百萬個方形的鉸接微反射鏡，每個微反射鏡則為一個像素。在電子開關的作用下，微反射鏡發生±12°偏轉，如圖2-3所示，不通電時，微反射鏡是“Flat”態；通電時，微反射鏡有兩種工作狀態，一種是“On”態，此時由光源發出的照明光經+12°偏轉的微反射鏡面反射至投影鏡頭中，在投影屏幕上形成一個像素；另外一種工作狀態是“Off”態，此時照明光經-12°微反射鏡反射至光吸收模塊，此時，該像素點是暗的。一個 DMD 芯片上集成了數百萬個微反射鏡，即可形成相同數量像素點的畫面，通過控制不同位置處像素點的亮暗實現整幅圖像的輸出。

其中，圖2-2為三基色分立光束經單套復眼透鏡勻化系統光路圖；圖2-3為DMD芯片調制照明光反射方向示意圖

四、導光系統的仿真優化

由2.3節可知，DMD芯片工作時有兩種工作狀態——On態和Off態，其中On態光束進入投影鏡頭投射至配光屏，而 Off 態被反射至其他處被吸收，造成光能的極大浪費，如何設計導光系統對此部分的光進行充分利用尤其重要。在本系統中，是設計一種（DMD：6.5718mm×3.699mm，像元大小 0.00764mm×0.00764mm）投影鏡頭，由于這部分光只是補充到遠光燈的主光路，只需要在配光屏上的光斑為圓形即可，所以用Light Tools軟件設計即可。首先，需要一片反射鏡將圖2-4中處于“Off”態的微反射鏡的反射光反射至“On”狀態同樣的光線方向。

（1）透鏡的初步建立

在Light Tools軟件的光學工具庫中選擇透鏡工具，然后在已經確定的“On”態微反射鏡方向建圓形透鏡的初步模型。選中透鏡，調出其屬性界面，根據需要來更改透鏡的幾何尺寸、形狀、厚度等參數。根據本次研究的要求，將透鏡的兩個表面設置非球面。在透鏡的參數菜單里，輸入各項初始值。完成透鏡的模型的初步建立。

（2）透鏡的優化

通過設置多項式系數，透鏡半徑為優化變量并設置評價函數，得到透鏡結構如圖3-2所示。在25m配光屏上得到的照度分布圖如圖3-2所示。

在Light Tools中，這部分光只是處于“Off”態微反射鏡反射的光，所以光源光強設置為300lm。從軟件中可知進入自由曲面的光線條數是1000000條，在測試屏上接收到的光線數是928459，光線利用率達92.85%，超過LED遠程熒光粉技術的轉換效率，且光線分布均勻，能形成良好的遠光照明。照度分布滿足GB 25991-2010：

五、結論

文中根據國家標準 GB25991-2010 的配光要求，結合光學基本理論和Light Tools強大的工具庫、優化功能，完成了基于DMD投影式的自適應激光前照燈OFF態微反射鏡發射光的利用設計。通過光線追跡仿真，仿真結果完全滿足國標的配光要求。處于“Off”態微反射鏡的這部分光能利用率達到92.85%，再加上已有的處于“On”態位反射鏡的實驗仿真光能利用率65.82%，總的光能利用率達到80%。本文的設計有效的彌補了已有的基于DMD投影式的自適應激光前照燈光能利用率低的不足之處。由圖3-2和表3-1可知，該系統能夠形成良好的光型，各個測試點的照度分布均能達到國家標準的要求。

參考文獻

[1]朱江.基于激光光源的汽車前照燈研究[D].天津工業大學，2016.

[2]帥詞鳳.自適應激光前照燈光學系統設計[D].重慶大學，2016.