基于MicroLED的高像素前照燈模組的開發

祁高進，張海升，熊衍建

常州星宇車燈股份有限公司，江蘇常州 213022

0 引言

LED作為第4代車用光源，具有壽命長、能耗低、體積小、響應快、單色性好等優點，符合未來汽車的安全、節能、緊湊、時尚的發展趨勢[1]，像素級LED光源可以根據來車高度、速度、加速度及自身姿態，通過控制單顆及多顆LED亮滅，對燈光照射區域進行自適應調節，最大限度防止對象來車、同向前車眩目，可以為夜間駕駛提供更加安全的駕駛體驗[2]。為了進一步提高與道路交通參與者的交互性，提升行車與自動駕駛的安全性，像素級別的照明模式應運而生。目前，主要有兩個技術方面：高像素的LED光源和能實現像素照明的光調制器件[3]，如基于數字微鏡器件(digtial micromirror devices，DMD)的數字光處理(digtial light processing，DLP)技術、液晶顯示(liquid crystal display，LCD)技術、激光掃描振鏡技術等。

本文基于高像素的LED光源開發了萬級像素的MicroLED前照燈模組，實現了照射區域的動態調節，并從光學設計理論、光學系統設計、樣機試制詳情和相關測試等方面對基于MicroLED的高像素前照燈模組開發進行了詳細介紹。

1 光學設計理論

有一定的基于MicroLED的高像素前照燈模組主要由高像素MicroLED芯片和投影光學系統組成，對光源的能量和投影光學系統要求，在投影系統中，投影像照度與投影物鏡的相對孔徑有關，與被投物體的亮度有關[4]，即：

(1)

(2)

設計投影鏡頭時，可以將其視為一個倒置的照相鏡頭，即將投影像作為物，被投影物(MicroLED芯片)作為像進行逆向設計。為保證足夠的光通量，投影鏡頭應具有較大的相對孔徑，也就是較小的鏡頭通光能力；同時具有較大的視場，需要很小的色差和畸變，以滿足人的觀感，主要的技術指標見表1。

表1 基于MicroLED的高像素前照燈模組技術指標

考慮到大口徑、大視場、低色差和畸變的特點，宜采用正負分離式透鏡來實現像差校正，通過合理的光焦度分配，使各透鏡的相對孔徑盡可能小，以便于單塊透鏡像差的校正，使投影鏡頭的各組成部分像差保持較小，才能避免產生很大的高級像差；控制零視場與最大視場在內的所有視場像差盡量保持一個數量級，才不至于在軸向離焦時像質下滑得厲害[5]；合理利用透鏡位置對像差的特殊影響，比如處于光闌位置附近的透鏡對球差以及慧差的貢獻較大，相對而言，優化遠離光闌位置的透鏡或透鏡組則對像散、畸變和倍率色差的矯正效果更為明顯[6]；在遠離光闌的像面附近設置一個場鏡，可有效校正場曲[7]；最后考慮整體小型化，可利用非球面提供更多的自由變量來校正像差，考慮工作狀態系統會產生高溫，鏡頭的設計、使用的材料均需具備良好的高溫特性。

作為汽車夜間主動探測前方路況的裝置，遠近光的光通量一直是各大主機廠追求的重要指標之一，結合2017 年以后的日系和德系的技術要求，LED 近光和LED遠光的光通量要求達到600 lm以上[8]，投射到25 m遠的配光屏上最大照度需達到48～240 lx[9]。在本模組中使用了像素為320×80分辨率的MicroLED芯片，單像素LED最高可以產生0.4 lm的光通量，其光譜輻射特性如圖1所示。

圖1 MicroLED光譜輻射特性

2 投影光學系統

本設計采用了四片式的光學架構，采用經典庫克式基礎結構與場鏡結合，投影鏡頭二維圖如圖2所示。四片透鏡的光焦度分配依次為：正光焦度的第一透鏡，負光焦度的第二透鏡，正光焦度的第三透鏡，正光焦度的第四透鏡。其中第一、第二透鏡使用非球面塑膠透鏡，第三、第四透鏡采用球面玻璃透鏡，通過引入新的光學架構，使用非球面鏡片以及玻塑材料組合，有效提高了設計自由度，極大提升了像差矯正能力，壓縮了系統總長，同時滿足耐熱性要求。

圖2 投影鏡頭二維圖

對于投影鏡頭，評價設計結果的優劣可以從調制傳遞函數(modulation transfer function，MTF)來直觀顯示。如圖3所示，在特征頻率12.50 lp/mm處，MTF最小值高于0.5，說明本設計具備優秀的光學性能。

圖3 傳遞函數

3 MicroLED前照燈模塊樣機

MicroLED前照燈模塊樣機基于像素為320×80分辨率的MicroLED芯片開發而成，如圖4所示。已將MicroLED芯片、投影鏡頭、電路和結構進行集成，并進行了功能和性能測試。

MTF測試示意如圖5所示。使用的測試圖片為每線對6個像素(3黑3白)，測試距離為8 m，在投影像的各個區域，MTF均不低于55%，樣機從設計到裝配生產均達到優良水平。

圖5 MTF測試示意

將一張白圖投影至D=8 m遠的墻面，如圖6所示，測量投影圖像中V1、V2、H1、H2的長度，并通過下式計算視場：

(3)

(4)

測試表明樣機具有24.0°×6.1°的照明視場。隨后測量投影圖像各區域的照度與光通量，經過測試和計算，樣機輸出的光通量可達650 lm以上，25 m遠的墻壁表面最大照度高于110 lx。

4 功能測試

萬級像素的前照燈模組為更多創意性的照明模式提供了可能，通過投影符號提供與其他道路參與者的交互功能，這也許是未來自動駕駛或無人駕駛時代車燈演化的一種可能[10]。在汽車行駛過程中，前照燈投影出各類符號，可以輔助駕駛員在夜間更好地駕駛，這些符號可以是限速標識、人行橫道等交通標識，表示行駛中需要注意的信息；也可以是轉彎、直行等導航符號，方便駕駛員在觀察路面的同時獲取行駛方向的信息；或者是正在右轉、左轉的閃爍符號，表示本車正在進行的操作，加強與其他交通參與者的交互；等等。在樣機中已經加入巡航光毯、禮讓行人、跟車警示等圖片，如圖7所示。

圖7 圖片投影示意

根據需要，高像素前照燈模組還能定制更加復雜的圖案或動畫，樣機在汽車啟動階段，可以顯示出迎賓動畫，如圖8所示。通過定制個性化的簽名、logo，滿足車主個性化的需求，也有利于汽車品牌的提升。

圖8 迎賓動畫示意

5 結束語

基于像素為320×80分辨率的MicroLED芯片，成功研制了一種高像素前照燈模組，實現了自適應燈光照明、高亮提示和投影交互的功能。隨著LED光源和智能技術的進一步發展，MicroLED前照燈可以實現的功能也將更加豐富，投影圖案也會更加細膩，LED光源高壽命、高亮度、高光效的優點將更加凸顯，基于MicroLED的高像素汽車大燈必將成為汽車燈光系統的主流。