后视镜投影灯缺陷分析及改善方案的研究

王香娟，刘 松，张 丽

（1.上汽大众汽车有限公司，上海 202112；2.览茵汽车设计咨询有限公司，上海 202112；3.宁波福尔达智能科技股份有限公司，浙江 宁波 315321）

中国汽车保有量已经跃至世界第一，汽车消费市场广大，并且汽车消费群体有年轻化的趋势。投影灯在夜间时投射出来的图案，不仅可以起到寻车的功能，其与众不同的LOGO或图案还能彰显车辆身份，提升夜间迎宾效果。这种个性化的彰显方式使其越来越受到汽车市场的青睐，具有巨大的市场空间。目前越来越多的车型开始配备投影灯，但是投影的效果具有明显差异，因此提升投影灯品质的研究具有重要意义。本文将从投影灯的3个常见问题出发，分析其形成原因及影响因素，并最终改善其投影效果。

1 后视镜投影灯原理

后视镜投影灯是一款安装在后视镜部位、灯光投射到主副驾车门外侧地面的氛围灯，起到了寻车、示警、迎宾及彰显车辆身份的作用。其表现效果如图1所示。

图1 后视镜投影灯效果

投影灯主要由3个部分组成，分别为聚光系统、菲林片和成像系统，如图2所示。

图2 投影灯组成

其中，菲林片由菲林支架固定。同时，菲林支架连接固定聚光系统和成像系统。以上整个镜头组装配在带有透明灯罩的黑色壳体内。首先，带有发散角度的LED面光源经过聚光系统变成近似均匀分布的平行光，经过有特定光阑形状的菲林片形成带有图案的像。之后，图像光线经过成像系统适当放大，纠正像差及色散，形成一个有固定大小的LOGO。

2 缺陷分析与改进方案

缺陷主要来源于在SPEOS模拟时及样件调试过程中发现的问题，在相似结构的投影灯中较为常见。

2.1 杂光

杂光是除投影预期获得的灯光效果以外的其他光线的总称，主要有3种表现形式：光环、重影及环境光。

1）光环。即杂散光在投影边缘形成一圈具有明显边界的光环，在亮度较低的环境下尤为明显。这样大大降低投影图案对比度，影响用户体验。

在SPEOS中进行模拟，扩大接受传感器面积，发现投影图案边缘确实有一圈较微弱的光圈，进行光线追迹发现，绝大部分光圈光线来自透镜边缘。通过对比光学模拟和样件测试结果发现，样件光圈亮度更大，分析由于工艺未达到预期效果产生。

优化方案：在透镜组成像部分增加挡光圈，并在出光孔侧壁添加皮纹。杂光优化前后对比如图3所示。

图3 杂光优化前后对比

2）重影。是在正常投影范围内，出现与投影图案一致的倒像，这并非设计意图的图像。

通过在软件中进行光线追迹，如图4所示。发现重影是初次射出的图案光线，经过壳体上灯罩的内表面反射，再次进入透镜组后，由菲林片反射后射出的像。

图4 对重影的光线追迹

优化方案：降低菲林片表面反射率，对灯罩进行双面镀膜。重影优化前后对比如图5所示。

图5 重影优化前后对比

3）环境光。在图案附近有零散的光线，光线来源于透镜表面、壳体内表面等多个面的反射，在这种小型结构的投影灯中几乎不可能完全去除。

优化方案：对透镜镀膜，减少杂散光。

2.2 清晰度不良

图案的清晰程度是投影灯的重要评价参考，直接影响用户的观感。

排除其他因素影响，清晰度不良的主要原因为透镜组结构问题。

在多次的样件调试与测量过程中，总结出以下会较大程度地影响图案清晰度的3点。

1）菲林支架的高度和平面度。一般情况下，成像透镜部分高度差距十分微小，且对成像效果影响极其有限。因此，菲林支架高度将直接影响成像焦距。菲林支架过高，会导致清晰成像的距离变近。实装到车辆上就会导致地面成像模糊，反之亦然。支架平面度不佳会导致图案一侧模糊，差距过大甚至会导致图像变暗及偏移。

2）灯罩平面气泡问题。如果灯罩选择与壳体一体双色注塑，较小的透明材料区域将会导致注塑产生气泡或者收缩问题，影响出光区域的纯净度及平面度。

3）透镜组与壳体结构紧密程度。透镜组结构过紧会导致个别透镜受力变形，使光线传播路径发生改变，致使清晰度变化或图案变形。结构过松则会在运动过程中透镜组产生松动、错位，同样无法保证成像的清晰度。

优化方案总结：优化透镜组和壳体的结构数据；选择技术能力可靠的供应商提供零件。

2.3 光色

本文所论述的投影灯颜色主要受3个因素影响：LED颜色、菲林片颜色及菲林片图案与LED的相对位置。

1）LED颜色。是决定投影灯光颜色的最主要因素。经过样件检测发现，不同color rank的LED在同一组投影灯中的表现区别相当明显。

以NICHIA的NJSW170DT这款LED为例，选取多颗两个相邻color rank的LED进行测量，并对其色坐标记录对比，数据如图6所示。

图6 色坐标对比

两种LED在色坐标数据上有明显差异，这种差异在人眼视觉下表现为使用Rank 1的LED的投影灯图案颜色偏蓝偏冷；使用Rank 2的LED的投影灯图案颜色偏黄偏暖。

优化方案：选择同一款LED的相同color rank保持颜色稳定，使用同一批次的LED减少误差。

2）菲林片颜色。在样件装配调试的过程中发现，菲林片镀层颜色同样会对投影图案颜色产生一定的影响，结合光线追迹分析是由菲林片表面反射导致。

如图7所示，本文对4种上下表面分别为黑/紫、银/黄、银/黑、银/紫的菲林片进行测试对比。

图7 4种颜色菲林片

测试结果如图8所示。

图8 LED标准color rank与透过不同菲林片光线色坐标对比

总体上来说，无论什么颜色的菲林片都会或多或少地使投影图案色坐标偏移。①对比3组上表面为银色的菲林片，发现菲林片下表面颜色会对图案颜色产生直接影响；②对比银/紫、黑/紫两组菲林片，发现两者色坐标相近，分布区域几乎重合，后续又增加对比数据，仍没有较大偏差，因此认为菲林片上表面对图案颜色几乎没有影响。

优化方案：降低菲林片下表面反射率可以降低其对颜色的影响。

注：菲林片下表面颜色会对投影灯图案颜色产生小幅影响。在LED确定，又与预期效果有较小偏差时，可通过改变菲林片颜色来达成目标。

3）菲林片图案与LED的相对位置。LED与菲林片图案的相对位置不会影响投影图案的整体颜色，但当菲林片图案靠近LED出光范围边缘时，图案边缘也会出现变色现象。

在SPEOS模拟中，投影灯光范围边缘出现变色现象，若图案靠近边缘，则易导致边缘发黄现象。

分析其原因，是因为灯光边缘光线数量变少，使边缘发暗发黄。

优化方案：移动菲林片上的图案位置，使其相对居中。图案移动前后对比如图9所示。

图9 图案移动前后对比

结合图9可见，移动图案位置可以规避投影边缘发黄部分，使图案光色均匀。

2.4 其他缺陷

主要问题在上文已经进行分析。其他常见缺陷还有黑点、图案暗区等，会对用户视觉感受产生一定影响。黑点、暗区等问题成因主要在装配阶段。若在透镜组聚光系统部分处进入了灰尘等杂质，会在投影图案上出现暗区。拉近图案后会发现有杂质清晰的阴影轮廓呈现在像上。如果在菲林片上出现杂质（或菲林片图案缺碎），那么在正常投影位置，投影图案会出现杂质的阴影（或缺损）。

优化方案：改善装配环境，优化装配环节，减少杂质进入透镜组。

3 结论与展望

本文分析了后视镜投影灯设计与后续装配过程中出现的常见缺陷，并进行详细分析，再针对其缺陷的形成原因，结合实验设计了可行的优化方案。

随着后视镜投影灯在汽车灯具领域越来越广泛的应用，其成像品质将会越来越受到客户关注，文中对投影灯缺陷的分析和优化方案，将在以后的设计和装配中提供有效的帮助。

本文提供的分析和方案尚只针对如后视镜投影灯类似的结构，有一定的局限性。在今后的研究中，会继续深入分析，推出对大多数投影灯适用，更具普遍性的技术优化总结。