基于MicroLED的高像素前照灯模组的开发

祁高进，张海升，熊衍建

常州星宇车灯股份有限公司，江苏常州 213022

0 引言

LED作为第4代车用光源，具有寿命长、能耗低、体积小、响应快、单色性好等优点，符合未来汽车的安全、节能、紧凑、时尚的发展趋势[1]，像素级LED光源可以根据来车高度、速度、加速度及自身姿态，通过控制单颗及多颗LED亮灭，对灯光照射区域进行自适应调节，最大限度防止对象来车、同向前车眩目，可以为夜间驾驶提供更加安全的驾驶体验[2]。为了进一步提高与道路交通参与者的交互性，提升行车与自动驾驶的安全性，像素级别的照明模式应运而生。目前，主要有两个技术方面：高像素的LED光源和能实现像素照明的光调制器件[3]，如基于数字微镜器件(digtial micromirror devices，DMD)的数字光处理(digtial light processing，DLP)技术、液晶显示(liquid crystal display，LCD)技术、激光扫描振镜技术等。

本文基于高像素的LED光源开发了万级像素的MicroLED前照灯模组，实现了照射区域的动态调节，并从光学设计理论、光学系统设计、样机试制详情和相关测试等方面对基于MicroLED的高像素前照灯模组开发进行了详细介绍。

1 光学设计理论

有一定的基于MicroLED的高像素前照灯模组主要由高像素MicroLED芯片和投影光学系统组成，对光源的能量和投影光学系统要求，在投影系统中，投影像照度与投影物镜的相对孔径有关，与被投物体的亮度有关[4]，即：

(1)

(2)

设计投影镜头时，可以将其视为一个倒置的照相镜头，即将投影像作为物，被投影物(MicroLED芯片)作为像进行逆向设计。为保证足够的光通量，投影镜头应具有较大的相对孔径，也就是较小的镜头通光能力；同时具有较大的视场，需要很小的色差和畸变，以满足人的观感，主要的技术指标见表1。

表1 基于MicroLED的高像素前照灯模组技术指标

考虑到大口径、大视场、低色差和畸变的特点，宜采用正负分离式透镜来实现像差校正，通过合理的光焦度分配，使各透镜的相对孔径尽可能小，以便于单块透镜像差的校正，使投影镜头的各组成部分像差保持较小，才能避免产生很大的高级像差；控制零视场与最大视场在内的所有视场像差尽量保持一个数量级，才不至于在轴向离焦时像质下滑得厉害[5]；合理利用透镜位置对像差的特殊影响，比如处于光阑位置附近的透镜对球差以及慧差的贡献较大，相对而言，优化远离光阑位置的透镜或透镜组则对像散、畸变和倍率色差的矫正效果更为明显[6]；在远离光阑的像面附近设置一个场镜，可有效校正场曲[7]；最后考虑整体小型化，可利用非球面提供更多的自由变量来校正像差，考虑工作状态系统会产生高温，镜头的设计、使用的材料均需具备良好的高温特性。

作为汽车夜间主动探测前方路况的装置，远近光的光通量一直是各大主机厂追求的重要指标之一，结合2017 年以后的日系和德系的技术要求，LED 近光和LED远光的光通量要求达到600 lm以上[8]，投射到25 m远的配光屏上最大照度需达到48～240 lx[9]。在本模组中使用了像素为320×80分辨率的MicroLED芯片，单像素LED最高可以产生0.4 lm的光通量，其光谱辐射特性如图1所示。

图1 MicroLED光谱辐射特性

2 投影光学系统

本设计采用了四片式的光学架构，采用经典库克式基础结构与场镜结合，投影镜头二维图如图2所示。四片透镜的光焦度分配依次为：正光焦度的第一透镜，负光焦度的第二透镜，正光焦度的第三透镜，正光焦度的第四透镜。其中第一、第二透镜使用非球面塑胶透镜，第三、第四透镜采用球面玻璃透镜，通过引入新的光学架构，使用非球面镜片以及玻塑材料组合，有效提高了设计自由度，极大提升了像差矫正能力，压缩了系统总长，同时满足耐热性要求。

图2 投影镜头二维图

对于投影镜头，评价设计结果的优劣可以从调制传递函数(modulation transfer function，MTF)来直观显示。如图3所示，在特征频率12.50 lp/mm处，MTF最小值高于0.5，说明本设计具备优秀的光学性能。

图3 传递函数

3 MicroLED前照灯模块样机

MicroLED前照灯模块样机基于像素为320×80分辨率的MicroLED芯片开发而成，如图4所示。已将MicroLED芯片、投影镜头、电路和结构进行集成，并进行了功能和性能测试。

MTF测试示意如图5所示。使用的测试图片为每线对6个像素(3黑3白)，测试距离为8 m，在投影像的各个区域，MTF均不低于55%，样机从设计到装配生产均达到优良水平。

图5 MTF测试示意

将一张白图投影至D=8 m远的墙面，如图6所示，测量投影图像中V1、V2、H1、H2的长度，并通过下式计算视场：

(3)

(4)

测试表明样机具有24.0°×6.1°的照明视场。随后测量投影图像各区域的照度与光通量，经过测试和计算，样机输出的光通量可达650 lm以上，25 m远的墙壁表面最大照度高于110 lx。

4 功能测试

万级像素的前照灯模组为更多创意性的照明模式提供了可能，通过投影符号提供与其他道路参与者的交互功能，这也许是未来自动驾驶或无人驾驶时代车灯演化的一种可能[10]。在汽车行驶过程中，前照灯投影出各类符号，可以辅助驾驶员在夜间更好地驾驶，这些符号可以是限速标识、人行横道等交通标识，表示行驶中需要注意的信息；也可以是转弯、直行等导航符号，方便驾驶员在观察路面的同时获取行驶方向的信息；或者是正在右转、左转的闪烁符号，表示本车正在进行的操作，加强与其他交通参与者的交互；等等。在样机中已经加入巡航光毯、礼让行人、跟车警示等图片，如图7所示。

图7 图片投影示意

根据需要，高像素前照灯模组还能定制更加复杂的图案或动画，样机在汽车启动阶段，可以显示出迎宾动画，如图8所示。通过定制个性化的签名、logo，满足车主个性化的需求，也有利于汽车品牌的提升。

图8 迎宾动画示意

5 结束语

基于像素为320×80分辨率的MicroLED芯片，成功研制了一种高像素前照灯模组，实现了自适应灯光照明、高亮提示和投影交互的功能。随着LED光源和智能技术的进一步发展，MicroLED前照灯可以实现的功能也将更加丰富，投影图案也会更加细腻，LED光源高寿命、高亮度、高光效的优点将更加凸显，基于MicroLED的高像素汽车大灯必将成为汽车灯光系统的主流。