玩出花!汽车投影照明新玩法背后的微透镜阵列技术

汽车行业重要趋势其中之一是生产对车内外人员更安全的车辆,之二是采用更智能的技术提高舒适度和易用性,之三是实现更环保或更有利于环境的汽车。要兼顾安全性和舒适度,汽车照明至关重要。

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如今,汽车照明的功能简单直观:在照亮夜间的道路的同时,让行人看见车辆,还要兼顾汽车车厢内驾驶员和乘客在夜间对照明效果的舒适方便的要求。

随着高功率LED的出现,业界对汽车照明的品牌和性能表征进行了一些早期尝试,例如制作指示灯(转向灯)的动画,为日间行车灯创造独特的轮廓。但是,在大多数情况下,照明这一基本功能并没有变。

如今,艾迈斯半导体(ams)开发的新技术正在使汽车OEM能够为汽车创造具有更多功能的照明系统。新照明系统称为微透镜阵列(MLA)技术,该技术在照明基础上添加了沟通和互动功能。MLA技术首次使汽车制造商能够在离汽车较远的路面上投影细节丰富的清晰图像或图案。

与传统光学投影仪相比,该阵列的占用空间和深度很小,可轻松集成到车身,不影响机械设计。因此,在新车设计中实施MLA技术,给汽车制造商带来了改进汽车照明安全性、便利性、外观、个性和功能的巨大潜力。

本文将概述MLA技术的工作原理及投影照明系统的构成。该技术对大灯的影响最大,因为微透镜投影带来的波束质量和波束控制改进幅度明显。投影照明在汽车中还有许多其他潜在用途可实现安全性和舒适度。毫无疑问的是,有相当大的应用空间仍有待于具有前瞻性思维和丰富想象力的工程师。

用于光投影的创新微型透镜组件

在今天的汽车照明中,波束一般是通过光学技术形成,而光学技术至少已经拥有几十年的历史。例如,在大灯中,波束控制通常通过组合一个大反射镜和一个嵌入在大灯盖中的透镜来实现。光投影的物理性质要求光源和透镜之间有一个较长的最小距离。这意味着,整个大灯组件体积大,会占用车身相当大的表面积。

“图1:低波束模式下的汽车大灯”
图1:低波束模式下的汽车大灯

MLA技术的采用标志着传统汽车照明设计方法的突破:它首次通过深度和高度只有几毫米的组件将紧密聚焦的波束甚至图像或图案投影到路面或人行道上。由于MLA的系统尺寸小,因此几乎可将投影照明内置在车身的任何部件中。目前,已经有业内著名的汽车制造商在实施和评估基于MLA的各种应用:

● 当车辆检测到车钥匙靠近时,从门缝下投影的道路照明可显示该车型或品牌独有的图案(参见图2)。这一功能既方便又安全,照亮了用户上车必须经过的路面。它还可赋予汽车个性 – 车灯似乎在“欢迎”驾驶员从黑暗中返回车中。投影在地面的独特图像也可以成为汽车品牌的标志。

● 通过后视镜投影在路上的转向信号为行人、骑行者和其他路人提供了驾驶员要转弯的高度可见指示,提高了道路安全性。

● 嵌入在车顶内衬或搁脚空间的车厢照明。和道路照明一样,该功能提高了驾驶员和乘客的便利性和舒适度,还可以营造专属于该汽车品牌的光学环境。

“图2:微透镜阵列组件将灯光投影在汽车旁边”
图2:微透镜阵列组件将灯光投影在汽车旁边

最重要的是,MLA技术的采用引发了对大灯设计的重新思考。微型化就是一个优势:由ams支持的大灯制造商开发项目已经证明,打造具有窄缝特性曲线的标准大灯具有可实施性(参见图3)。该技术还显著改进了传统大灯和新型LED矩阵大灯的波束质量、均匀度以及可控性。将投影照明应用于大灯的优势包括一些重要安全主题,如:

● 几乎消除迎面车辆灯光刺眼的风险
● 雨雾天气的出色性能,大大减少了影响驾驶员视力的水滴反射光线
● 动态自适应波束,准确地指示路面需要的光线,为驾驶员提供最有用的照明
● 可将环境相关信息(如警告标志)投影到驾驶员前方道路

“图3:基于MLA技术的狭缝大灯概念设计”
图3:基于MLA技术的狭缝大灯概念设计

MLA技术带来了重新思考汽车照明设计的机会。基于MLA的投影照明系统尺寸小,光学性能出色,且MLA模块中的光程具有特殊构造。

投影照明系统的构成

基于MLA的投影照明组件由LED光源、准直透镜和微透镜阵列组成。该阵列为定制设计的模块;典型MLA的尺寸为11.4mm x 10.7mm x 3.0mm(参见图4)。

该阵列是一组精密制造的微型透镜或"微透镜"。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技术具有与硅芯片相同的成本和质量优势。纳米级制造也意味着,微透镜可精确成型并定位,从而将单个锐聚焦图像投射到离投影仪一定距离的表面。该表面可以是平坦、弯曲或任意形状的表面,既可垂直于投影仪,也可倾斜。

“图4:ams的微透镜阵列”
图4:ams的微透镜阵列

“图5:微透镜阵列的焦距比同等单透镜投影仪短得多(图片来源:ams)”
图5:微透镜阵列的焦距比同等单透镜投影仪短得多(图片来源:ams)

微透镜阵列的工作原理

MLA的工作原理是将多个版本的图像投影在"屏幕"(用于查看图像的表面)的同一位置。例如,在由64个微透镜组成的MLA中,所查看的图像实际上是64个重叠在一起的投影图像。

此工作原理的实施带来了相当大的技术困难。即使是投影到平坦垂直的屏幕上,阵列内每个微透镜从单个光源的折射角度都会略有不同。因此,微透镜需要彼此微微偏置(参见图6、7)。艾迈斯半导体使用专业软件工具来计算每个微透镜的光参数。但是,请记住,典型MLA的透镜直径约为0.8mm,焦距约为2mm,透镜凹陷约为80µm,很明显,在创建阵列特性时需要极高的精度。

“图6:在没有偏置的情况下,通过透镜阵列投影的图像很模糊(图片来源:ams)”
图6:在没有偏置的情况下,通过透镜阵列投影的图像很模糊(图片来源:ams)

“图7:偏置图像"幻灯片"在目标平面上精确重叠聚焦图像(图片来源:ams)”
图7:偏置图像"幻灯片"在目标平面上精确重叠聚焦图像(图片来源:ams)

这项生产技术是艾迈斯半导体的专有技术。利用该技术,可使用传统半导体制造设备对光学阵列进行晶圆上制造。这反过来又允许大批量、经济地制造光学组件。

微透镜阵列需要精确设计并制造。但实施高效投影仪还需要仔细制定整个组件的规范。例如,来自LED光源的光就需要小心控制,正确的准直能抑制透镜中的光串扰,由此防止中央图像周围的重像投影。

实施MLA投影仪的设计考虑因素

为给基于MLA的投影仪开发更完善的汽车照片解决方案,最好了解物理定律如何控制任何给定阵列都能投影的图像的大小、分辨率和亮度。例如,通量和可分辨点的数量要平衡:增加焦距会减小通量,但会增加最大像素数,反之亦然。在汽车设计中,空间有限,而增加投影仪的焦距会使整个组件更深,更难集成。

这就是为什么汽车应用中MLA技术的分辨率通常限制为300像素x300像素(QVGA) – 例如,可投影公司标志(参见图8)。

“图8:基于MLA的投影仪在搁脚空间呈现的标志”
图8:基于MLA的投影仪在搁脚空间呈现的标志

任何给定MLA组件和图像的照明区大小也有限制。照明区可通过并行安装多个基于MLA的投影仪来扩展,即一个投影图像的边缘与另一个投影图像相交。在这种情况下,必须为各投影仪的透镜阵列创建单独的滑动掩模,增加了投影仪系统的总成本。

这种多掩模投影仪系统可用于创建3D效果,其中不同部分的投影图案在不同的观察距离聚焦。

对MLA技术应用潜力的创造性探索

如今,MLA技术正批量投入道路照明应用,主要面向高档汽车。与此同时,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。

最吸引人的是安全照明:通过后视镜投影的转向信号或指导线,帮助驾驶员进行转向。

如上所述,MLA技术为小型化大灯带来了可能性,同时显著改进了波束控制和质量。投影照明发展路线也预测了新的功能,将大灯转变成智能、动态自适应的照明源。例如,这可能意味着改变波束的形状和范围以响应车速和路况的变化。

在舒适度、便利性和品牌塑造方面,投影照明也将改变今天传统的道路照明。图8显示了车厢内部照明的可能性,还可看到微型投影仪嵌入在车顶内衬。在外部,光投影可能在行李箱底部的道路上显示虚拟“按钮”,使用户能够用脚“踩下”光按钮来打开行李箱。

未来,汽车制造商期望在全新应用中实施投影照明技术,例如为自动驾驶汽车的外部提供照明。自动级别达到5级的车辆无需外部照明,但必须被其他道路使用者和行人看到。这为独特照明设计提供了空间,不仅可实现安全目标(清晰可见),而且可形成独特光学轮廓和图案,增强汽车个性和独特性。

MLA技术可能还可通过投影图标,实现车辆到驾驶员、车辆到车辆以及车辆到行人的通信。例如,支持MLA技术的大灯可在道路上投影斑马线符号,表示驾驶员给行人让路。大灯被车辆的交通安全信息系统触发时,也可在驾驶员前方的道路上显示警告信号。

经过验证的批量生产技术

MLA技术在车辆中的这些实际用例提供了新的照明应用,不仅用作照明,还用于通信、品牌塑造和个性化。尽管应用还不为人所熟知,但光学技术本身已经得到了验证。ams批量生产晶圆级光学器件和提供全封装组件的能力在消费者设备上得到了证明,在汽车行业的微透镜阵列中得到了证明。

汽车设计人员现在可以自信地为微型光投影仪开发已知应用和新应用,借助这项技术施展抱负。通过感知道路、车辆和驾驶员,艾迈斯半导体的传感器解决方案可以实现更高水平的电气化、舒适度和自动驾驶,从而获得更安全、更智能、更环保的驾驶体验。

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本文转载自:艾迈斯半导体
作者:Sinisa Dohnal
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