使用TI DLP技術設計高分辨率自適應前照燈

作者：德州儀器Brian Ballard

為了消除前照燈遠光系統中的眩光，設計人員現在可以采用像素級數字控制。

傳統的汽車前照燈僅照亮車輛前方的視野范圍，提高駕駛員在光線昏暗和惡劣天氣條件下的可視性。近光燈照亮車輛前方短距離的范圍，而遠光燈具有更長的照射距離和更廣的照射角度。很長時間內，前照燈系統都沿用這種設計模式，而隨著技術的進步，前照燈系統正在發生重大的變化。

20世紀50年代，美國汽車制造商開始在車輛前部安裝兩個封閉式前照燈，并最終演變成車輛的遠光和近光系統?？爝M到2018年，車輛采用的大燈系統更為復雜。發光二極管（LED）光源正在取代傳統的鹵素燈和氙氣燈泡。隨著汽車制造商從靜態白熾燈泡轉向更為靈活和時尚的LED燈，LED可能會在短期內完全取代氙氣燈，并稍后取代鹵素燈。

令人遺憾的是，盡管經歷了幾十年的發展，美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）報告稱，2015年美國發生的事故中，約有30%發生在夜間。1IHS Markit報告稱，美國50%的事故都是由于弱視造成的；隨著人口老齡化進程，這個數字必然會繼續增加。

根據德國達姆施塔特工業大學的調查3，在視覺方面，年齡較大的駕駛員往往會經歷各種類型的視力退化，包括視敏度下降，瞳孔縮小以及對黑暗的適應速度變慢等。年齡在60到65歲之間的人需要兩倍的照度和對比度以及一半的眩光負荷，才能達到25歲的人擁有的視力水平。

盡管遠光燈的眩光可能會分散注意力甚至導致暫時失明，但一直以來，防止眩光始終靠司機個人完成，而高低光束之間的切換是唯一的控制手段。因此現實中，駕駛員經常要操作前燈桿：無對向車輛時切換遠光燈，當其他車輛出現時，關閉遠光燈。

如何使駕駛員在駕駛車輛時保持開啟遠光燈以提高能見度呢？

圖1.自適應大燈（ADB）技術的示例用例。（資源：德州儀器）

自適應大燈（ADB）（圖1）將高級駕駛員輔助系統（ADAS）與外部照明系統相結合，即可實現這種功能。除ADAS技術外，德州儀器（TI）現在還提供DLP芯片組，可通過ADB技術對汽車前照燈進行更精細的控制，使汽車制造商和一級供應商能夠在每個前照燈中單獨控制超過100萬像素。通過這項技術，前照燈可以熄滅影響其他駕駛員或行人視力的區域，甚至可以通過編程繪制道路信息，例如車道線或路線引導。

微鏡

DLP芯片組的核心組件是一組鋁質微鏡，稱為數字微鏡器件（DMD）。根據具體的配置情況，DMD可包含數十萬或數百萬個獨立控制的微鏡，每個微鏡構建在底層CMOS存儲器單元之上。

每個反射鏡都裝有柔性機械支撐結構，可使鏡子懸掛在兩個尋址電極上。這些電極連接到存儲器單元，并產生互補的靜電力，將鏡子定位在兩個穩定的著陸狀態之一。

當集成到光學系統中時，DMD是對稱的雙態光學機械元件，因此每個著陸狀態的微鏡的位置確定入射光反射的方向。DMD的高工作頻率和小像素尺寸可實現高速調制和低系統延遲，進而提高前照燈控制的精確性，并增強駕駛員的視覺能見度。

支持DLP技術的系統能夠與任何光源搭配使用，包括LED、激光/熒光粉以及直接激光照明光源。與現有的ADB解決方案相比，它可以設計為功率和體積更小、外觀更時尚的照明系統。DLP技術也是高效和可擴展的，同時可提供更好的光束控制，提高在低亮度條件下的觀察距離和可見度。

相比同類的防眩目遠光燈解決方案，或將燈中的單個LED調暗，或將光束向下或向相對車道的一側移動。有些解決方案是在遠光燈和近光燈之間切換，而其他解決方案則是在車輛轉彎時旋轉光束。實際上，這些系統所做的是關閉或阻擋前照燈的光線，遮擋迎面而來的車輛或前面的車輛，以避免眩光。通常，LED矩陣型解決方案通過關閉一些LED燈，減少對對向車輛造成的眩光。

雖然自動開/關采用預定義的離散光束是一個正確的思路，但是這種功能無法實現開發具有實時適應性的光束所需的控制水平。這種分辨率和適應性有助于實現ADAS功能，例如，可識別交通標志的交通標志照明?？紤]到汽車行業的半自動和自動駕駛的發展方向，這種功能是十分必要的。

2.ADB技術可用于提高道路標志的能見度。（資源：德州儀器）

DLP技術在高分辨率前照燈系統中的優勢包括減少照在物體上產生的眩光，例如行人（圖2）和迎面而來的車輛的駕駛員。最小化從傳感器發送信息到前照燈響應的時間（系統延遲），通過在每個視角范圍內提供更高的像素，實現高精度。反過來，在系統中它可以實現更多的光通量，即增加可控制光線和照射在路面上的光線量。憑借低延遲，便不再需要基于人工智能的復雜預測算法去確定對象下一步的移動位置。

基于DLP技術的系統使用額外的傳感器輸入，關閉投射到對向車輛擋風玻璃上的前照燈部分，以免眩光對駕駛員造成不適或引起分心。前照燈系統中使用DLP技術后，可以對像素化的前照燈光束進行精細化控制，從而實現自適應遠光功能，有助于提高夜間駕駛時的視野和舒適度。圖3顯示了在前照燈系統中采用DLP芯片組的系統框圖的示例。

3.采用DLP芯片組的系統框圖。（資源：德州儀器）

用于高分辨率前照燈系統的DLP5531-Q1芯片組（圖4）為工程師提供了一種小體積的可定制照明光斑的系統設計，從而更精確地控制道路上光線分布。該系統還可以部分或全部調暗單個像素，實現遠光的長時間使用，同時不對其他駕駛員造成影響。

4.由德州儀器開發的DLP5531-Q1芯片組，可用于高分辨率前照燈系統。（資源：德州儀器）

前照燈技術的未來用途

許多汽車制造商和一級供應商都非常關注提高可視性所帶來的諸多優勢，與此同時，DLP技術也是可編程的。因此，它可以配置為半自動和自動駕駛車輛所需的新功能。

用于前照燈系統的DLP技術可與ADAS配合使用，在特定位置（如交通標志）上投射適量的光線，幫助駕駛員清楚地識別標志。它能夠將圖像和標志投射到前方道路上，例如車道標記或導航方向，從而加強駕駛員、行人和其他車輛之間的溝通。隨著汽車行業的發展，這一功能將變得越來越重要。

使用該技術的前照燈系統可以通過編程為向行人提供信號或標志，并向車輛發出后續動作指示，從而增強車與行人之間的通信。另外，專用車道標記和車對駕駛員的增強功能，如符號投影和駕駛員相關信息的顯示（例如：導航支持、車輛軌跡）是未來車輛的重要考慮因素。

附加規格

DLP5531-Q1芯片組可使每一前照燈實現超過100萬個可尋址像素。它可以在任何光源（包括LED和激光）下工作，工作溫度在-40°C至105°C之間，無論溫度或極化如何，都能實現清晰的圖像可視性。

參考文獻

1.美國運輸部：國家公路交通安全管理局“2015交通安全報告”。

2. 2017年2月IHS Markit SupplierInsight網絡研討會：全新汽車照明概念 - 市場回顧。

3. 2018年2月， 達姆施塔特工業大學， “人口發展”。