基于DMD投影式的自适应激光前照灯OFF态微反射镜反射光的利用设计

饶立锋 周武超

摘 要：由于已有的数字光投影技术的自适应激光前照灯未能对DMD芯片上处于“Off”态微反射镜的光能进行利用，造成光能利用率低，本文根据《GB 25991-2010》，通过复眼透镜，采用三基色激光混合得到白光，再利用Light Tools软件进行仿真设计，设计一套导光系统将这部分浪费的光能导入远光灯的主光路，使得光能利用率从原有的65.82%提高到80%，最后配光效果完全符合国标。

关键词：DMD；导光系统；汽车远光灯；Light Tools

一、引言

本研究在基于DLP投影光学系统形成丰富多样的灯型，使得车灯也能够更加人性化的基础上，设计一个光收集系统和导光系统，将DMD芯片上处于“Off”态微反射镜反射的照明光进行收集，然后通过导光系统将这部分光补充到远光灯的主光路上，光能的利用率提高到70%以上，通过Light Tools软件模拟出的结果表明，照度分布和光型符合国家标准。

二、光源

激光光源合成白光的方法有兩大类：（1）三基色光混合得到白光，（2）激发荧光粉。由于通过蓝光 LD 激发荧光粉或三基色激光合成才能产生白光。蓝光 LD 激发荧光粉所得白光色坐标均匀性较差，通常中间泛蓝，边缘泛黄，同时所得白光为散射光，光束质量差，且光谱固定不可调。因此本文的光源采用第一种。参考 LED 前照灯标准中对前照灯光源光通量的要求，光源光通量≥1000lm。根据光通量计算公式：

（2.1）

其中Km= 683lm/W，查表获得 RGB 激光二极管三种波长在人眼视觉函数V（λ）中的权重分别为 0.217、0.7100、0.0298，代入式（2.2）计算所需三种激光光源功率比系数 a=1.4，求出三种光源各自的总功率，最后根据每种光源的单颗功率确定所需 RGB 激光机二极管数量依次分别为：NR=4，NG=2，NB=1。

（2.2）

将三基色激光通过光纤，然后使用双复眼透镜结构对三基色激光光源进行耦合，如图2-2所示，根据复眼透镜匀光机制可在焦面 P 处获得一个矩形均匀白光光斑。

三、DMD芯片

DMD芯片是 DLP投影显示技术中的核心器件，一种利用 MEMS技术制造的微型反射镜阵列。每个芯片上集成了数十万到百万个方形的铰接微反射镜，每个微反射镜则为一个像素。在电子开关的作用下，微反射镜发生±12°偏转，如图2-3所示，不通电时，微反射镜是“Flat”态；通电时，微反射镜有两种工作状态，一种是“On”态，此时由光源发出的照明光经+12°偏转的微反射镜面反射至投影镜头中，在投影屏幕上形成一个像素；另外一种工作状态是“Off”态，此时照明光经-12°微反射镜反射至光吸收模块，此时，该像素点是暗的。一个 DMD 芯片上集成了数百万个微反射镜，即可形成相同数量像素点的画面，通过控制不同位置处像素点的亮暗实现整幅图像的输出。

其中，图2-2为三基色分立光束经单套复眼透镜匀化系统光路图；图2-3为DMD芯片调制照明光反射方向示意图

四、导光系统的仿真优化

由2.3节可知，DMD芯片工作时有两种工作状态——On态和Off态，其中On态光束进入投影镜头投射至配光屏，而 Off 态被反射至其他处被吸收，造成光能的极大浪费，如何设计导光系统对此部分的光进行充分利用尤其重要。在本系统中，是设计一种（DMD：6.5718mm×3.699mm，像元大小 0.00764mm×0.00764mm）投影镜头，由于这部分光只是补充到远光灯的主光路，只需要在配光屏上的光斑为圆形即可，所以用Light Tools软件设计即可。首先，需要一片反射镜将图2-4中处于“Off”态的微反射镜的反射光反射至“On”状态同样的光线方向。

（1）透镜的初步建立

在Light Tools软件的光学工具库中选择透镜工具，然后在已经确定的“On”态微反射镜方向建圆形透镜的初步模型。选中透镜，调出其属性界面，根据需要来更改透镜的几何尺寸、形状、厚度等参数。根据本次研究的要求，将透镜的两个表面设置非球面。在透镜的参数菜单里，输入各项初始值。完成透镜的模型的初步建立。

（2）透镜的优化

通过设置多项式系数，透镜半径为优化变量并设置评价函数，得到透镜结构如图3-2所示。在25m配光屏上得到的照度分布图如图3-2所示。

在Light Tools中，这部分光只是处于“Off”态微反射镜反射的光，所以光源光强设置为300lm。从软件中可知进入自由曲面的光线条数是1000000条，在测试屏上接收到的光线数是928459，光线利用率达92.85%，超过LED远程荧光粉技术的转换效率，且光线分布均匀，能形成良好的远光照明。照度分布满足GB 25991-2010：

五、结论

文中根据国家标准 GB25991-2010 的配光要求，结合光学基本理论和Light Tools强大的工具库、优化功能，完成了基于DMD投影式的自适应激光前照灯OFF态微反射镜发射光的利用设计。通过光线追迹仿真，仿真结果完全满足国标的配光要求。处于“Off”态微反射镜的这部分光能利用率达到92.85%，再加上已有的处于“On”态位反射镜的实验仿真光能利用率65.82%，总的光能利用率达到80%。本文的设计有效的弥补了已有的基于DMD投影式的自适应激光前照灯光能利用率低的不足之处。由图3-2和表3-1可知，该系统能够形成良好的光型，各个测试点的照度分布均能达到国家标准的要求。

参考文献

[1]朱江.基于激光光源的汽车前照灯研究[D].天津工业大学，2016.

[2]帅词凤.自适应激光前照灯光学系统设计[D].重庆大学，2016.