新的微透鏡陣列技術(shù)如何促進(jìn)汽車投影照明應(yīng)用

汽車行業(yè)重要趨勢(shì)其中之一是生產(chǎn)對(duì)車內(nèi)外人員更安全的車輛，之二是采用更智能的技術(shù)可提高舒適度和易用性，之三是實(shí)現(xiàn)更環(huán)?；蚋欣诃h(huán)境的汽車。要兼顧安全性和舒適度，汽車照明至關(guān)重要。如今，汽車照明的功能簡(jiǎn)單直觀：在照亮夜間的道路的同時(shí)，讓行人看見(jiàn)車輛，還要兼顧汽車車廂內(nèi)駕駛員和乘客在夜間對(duì)照明效果的舒適方便的要求。

隨著高功率LED的出現(xiàn)，業(yè)界對(duì)汽車照明的品牌和性能表征進(jìn)行了一些早期嘗試，例如制作指示燈（轉(zhuǎn)向燈）的動(dòng)畫，為日間行車燈創(chuàng)造獨(dú)特的輪廓。

但是，在大多數(shù)情況下，照明這一基本功能并沒(méi)有變。

如今，艾邁斯半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)的新技術(shù)正在使汽車OEM能夠?yàn)槠噭?chuàng)造具有更多功能的照明系統(tǒng)。新照明系統(tǒng)稱為微透鏡陣列（MLA）技術(shù)，該技術(shù)在照明基礎(chǔ)上添加了溝通和互動(dòng)功能。MLA技術(shù)首次使汽車制造商能夠在離汽車較遠(yuǎn)的路面上投影細(xì)節(jié)豐富的清晰圖像或圖案。與傳統(tǒng)光學(xué)投影儀相比，該陣列的占用空間和深度很小，可輕松集成到車身，不影響機(jī)械設(shè)計(jì)。

因此，在新車設(shè)計(jì)中實(shí)施MLA技術(shù)，給汽車制造商帶來(lái)改進(jìn)汽車照明安全性、便利性、外觀、個(gè)性和功能的巨大潛力。

本文將概述MLA技術(shù)的工作原理及投影照明系統(tǒng)的構(gòu)成。該技術(shù)對(duì)大燈的影響最大，因?yàn)槲⑼哥R投影帶來(lái)的波束質(zhì)量和波束控制改進(jìn)幅度明顯。投影照明在汽車中還有許多其他潛在用途可實(shí)現(xiàn)安全性和舒適度。毫無(wú)疑問(wèn)的是，有相當(dāng)大的應(yīng)用空間仍有待于具有前瞻性思維和豐富想象力的工程師。

用于光投影的創(chuàng)新微型透鏡組件

在今天的汽車照明中，波束一般是通過(guò)光學(xué)技術(shù)形成，而光學(xué)技術(shù)至少已經(jīng)擁有幾十年的歷史。例如，在大燈中，波束控制通常通過(guò)組合一個(gè)大反射鏡和一個(gè)嵌入在大燈蓋中的透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)。光投影的物理性質(zhì)要求光源和透鏡之間有一個(gè)較長(zhǎng)的最小距離。這意味著，整個(gè)大燈組件體積大，會(huì)占用車身相當(dāng)大的表面積。

圖1：低波束模式下的汽車大燈。（圖片來(lái)源：iStock.com/bizoo_n）

MLA技術(shù)的采用標(biāo)志著傳統(tǒng)汽車照明設(shè)計(jì)方法的突破：它首次通過(guò)深度和高度只有幾毫米的組件將緊密聚焦的波束甚至圖像或圖案投影到路面或人行道上。由于MLA的系統(tǒng)尺寸小，因此幾乎可將投影照明內(nèi)置在車身的任何部件中。目前，已經(jīng)有業(yè)內(nèi)著名的汽車制造商在實(shí)施和評(píng)估基于MLA的各種應(yīng)用：

·當(dāng)車輛檢測(cè)到車鑰匙靠近時(shí)，從門縫下投影的道路照明可顯示該車型或品牌獨(dú)有的圖案（參見(jiàn)圖2）。這一功能既方便又安全，照亮了用戶上車必須經(jīng)過(guò)的路面。它還可賦予汽車個(gè)性 – 車燈似乎在“歡迎”駕駛員從黑暗中返回車中。投影在地面的獨(dú)特圖像也可以成為汽車品牌的標(biāo)志。

·通過(guò)后視鏡投影在路上的轉(zhuǎn)向信號(hào)為行人、騎行者和其他路人提供了駕駛員要轉(zhuǎn)彎的高度可見(jiàn)指示，提高了道路安全性。

·嵌入在車頂內(nèi)襯或擱腳空間的車廂照明。和道路照明一樣，該功能提高了駕駛員和乘客的便利性和舒適度，還可以營(yíng)造專屬于該汽車品牌的光學(xué)環(huán)境。

圖2：微透鏡陣列組件將燈光投影在汽車旁邊的小路上。（圖片來(lái)源：iStock.com/photostio）

最重要的是，MLA技術(shù)的采用引發(fā)了對(duì)大燈設(shè)計(jì)的重新思考。微型化就是一個(gè)優(yōu)勢(shì)：由艾邁斯半導(dǎo)體支持的大燈制造商開(kāi)發(fā)項(xiàng)目已經(jīng)證明，打造具有窄縫特性曲線的標(biāo)準(zhǔn)大燈具有可實(shí)施性（參見(jiàn)圖3）。該技術(shù)還顯著改進(jìn)了傳統(tǒng)大燈和新型LED矩陣大燈的波束質(zhì)量、均勻度以及可控性。將投影照明應(yīng)用于大燈的優(yōu)勢(shì)包括一些重要安全主題，如：

·幾乎消除迎面車輛燈光刺眼的風(fēng)險(xiǎn) ·雨霧天氣的出色性能，大大減少了影響駕駛員視力的水滴反射光線 ·動(dòng)態(tài)自適應(yīng)波束，準(zhǔn)確地指示路面需要的光線，為駕駛員提供最有用的照明 ·可將環(huán)境相關(guān)信息（如警告標(biāo)志）投影到駕駛員前方道路

圖3：基于MLA技術(shù)的狹縫大燈概念設(shè)計(jì)。（照片來(lái)源：iStock.com/NiseriN/AD-Ventures）

MLA技術(shù)帶來(lái)了重新思考汽車照明設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)?；贛LA的投影照明系統(tǒng)尺寸小，光學(xué)性能出色，且MLA模塊中的光程具有特殊構(gòu)造。

投影照明系統(tǒng)的構(gòu)成

基于MLA的投影照明組件由LED光源、準(zhǔn)直透鏡和微透鏡陣列組成。該陣列為定制設(shè)計(jì)的模塊；典型MLA的尺寸為11.4mm x 10.7mm x 3.0mm（參見(jiàn)圖4）。

該陣列是一組精密制造的微型透鏡或“微透鏡”。由于透鏡陣列是通過(guò)與半導(dǎo)體行業(yè)共享的工藝制造的，因此MLA技術(shù)具有與硅芯片相同的成本和質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)。納米級(jí)制造也意味著，微透鏡可精確成型并定位，從而將單個(gè)銳聚焦圖像投射到離投影儀一定距離的表面。該表面可以是平坦、彎曲或任意形狀的表面，既可垂直于投影儀，也可傾斜。

圖4：艾邁斯半導(dǎo)體制造的典型10mm x 10mm微透鏡陣列。（圖片來(lái)源：艾邁斯半導(dǎo)體）

通過(guò)微透鏡陣列投影圖像，可顯著減小光源和透鏡之間的焦距。這種投影儀的尺寸遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)單透鏡投影儀（參見(jiàn)圖5）。

圖5：微透鏡陣列的焦距比同等單透鏡投影儀短得多。（圖片來(lái)源：艾邁斯半導(dǎo)體）

微透鏡陣列的工作原理

MLA的工作原理是將多個(gè)版本的圖像投影在“屏幕”（用于查看圖像的表面）的同一位置。例如，在由64個(gè)微透鏡組成的MLA中，所查看的圖像實(shí)際上是64個(gè)重疊在一起的投影圖像。

此工作原理的實(shí)施帶來(lái)了相當(dāng)大的技術(shù)困難。即使是投影到平坦垂直的屏幕上，陣列內(nèi)每個(gè)微透鏡從單個(gè)光源的折射角度都會(huì)略有不同。因此，微透鏡需要彼此微微偏置（參見(jiàn)圖6、7）。艾邁斯半導(dǎo)體使用專業(yè)軟件工具來(lái)計(jì)算每個(gè)微透鏡的光參數(shù)。但是，請(qǐng)記住，典型MLA的透鏡直徑約為0.8mm，焦距約為2mm，透鏡凹陷約為80μm，很明顯，在創(chuàng)建陣列特性時(shí)需要極高的精度。

圖6：在沒(méi)有偏置的情況下，通過(guò)透鏡陣列投影的圖像很模糊。（圖片來(lái)源：艾邁斯半導(dǎo)體）

圖7：偏置圖像“幻燈片”在目標(biāo)平面上精確重疊銳聚焦圖像。（圖片來(lái)源：艾邁斯半導(dǎo)體）

這項(xiàng)生產(chǎn)技術(shù)是艾邁斯半導(dǎo)體的專有技術(shù)。利用該技術(shù)，可使用傳統(tǒng)半導(dǎo)體制造設(shè)備對(duì)光學(xué)陣列進(jìn)行晶圓上制造。這反過(guò)來(lái)又允許大批量、經(jīng)濟(jì)地制造光學(xué)組件。

微透鏡陣列需要精確設(shè)計(jì)并制造。但實(shí)施高效投影儀還需要仔細(xì)制定整個(gè)組件的規(guī)范。例如，來(lái)自LED光源的光就需要小心控制：艾邁斯半導(dǎo)體提供的專家指導(dǎo)可幫助客戶正確指定引導(dǎo)光線進(jìn)入陣列的準(zhǔn)直透鏡。正確的準(zhǔn)直能抑制透鏡中的光串?dāng)_，由此防止中央圖像周圍的重像投影。

實(shí)施MLA投影儀的設(shè)計(jì)考慮因素

為基于MLA的投影儀開(kāi)發(fā)汽車照片解決方案更完善，最好了解物理定律如何控制任何給定陣列都能投影的圖像的大小、分辨率和亮度。例如，通量和可分辨點(diǎn)的數(shù)量要平衡：增加焦距會(huì)減小通量，但會(huì)增加最大像素計(jì)數(shù)，反之亦然。在汽車設(shè)計(jì)中，空間有限，而增加投影儀的焦距會(huì)使整個(gè)組件更深，更難集成。

這就是為什么汽車應(yīng)用中MLA技術(shù)的分辨率通常限制為300像素x300像素（QVGA） – 例如，可投影公司標(biāo)志（參見(jiàn)圖8）。

圖8：基于MLA的投影儀在擱腳空間呈現(xiàn)的標(biāo)志。（圖像來(lái)源：iStock.com/kenneth-cheung/ams AG）

任何給定MLA組件和圖像的照明區(qū)大小也有限制。照明區(qū)可通過(guò)并行安裝多個(gè)基于MLA的投影儀來(lái)擴(kuò)展，即一個(gè)投影圖像的邊緣與另一個(gè)投影圖像相交。在這種情況下，必須為各投影儀的透鏡陣列創(chuàng)建單獨(dú)的滑動(dòng)掩模，增加了投影儀系統(tǒng)的總成本。

這種多掩模投影儀系統(tǒng)可用于創(chuàng)建3D效果，其中不同部分的投影圖案在不同的觀察距離聚焦。

對(duì)MLA技術(shù)應(yīng)用潛力的創(chuàng)造性探索

如今，艾邁斯半導(dǎo)體的MLA技術(shù)正批量投入道路照明應(yīng)用，主要面向高檔汽車。與此同時(shí)，汽車制造商目前正在探索微型投影儀系統(tǒng)的各種其他潛在用例。

最吸引人的是安全照明：通過(guò)后視鏡投影的轉(zhuǎn)向信號(hào)或指導(dǎo)線，幫助駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)向。

如上所述，MLA技術(shù)為小型化大燈帶來(lái)了可能性，同時(shí)顯著改進(jìn)了波束控制和質(zhì)量。艾邁斯半導(dǎo)體的投影照明路線圖也預(yù)測(cè)了新的功能，將大燈轉(zhuǎn)變成智能、動(dòng)態(tài)自適應(yīng)的照明源。例如，這可能意味著改變波束的形狀和范圍以響應(yīng)車速和路況的變化。

在舒適度、便利性和品牌塑造方面，投影照明也將改變今天傳統(tǒng)的道路照明。圖8顯示了車廂內(nèi)部照明的可能性，還可看到微型投影儀嵌入在車頂內(nèi)襯。在外部，光投影可能在行李箱底部的道路上顯示虛擬“按鈕”，使用戶能夠用腳“踩下”光按鈕來(lái)打開(kāi)行李箱。

未來(lái)，汽車制造商期望在全新應(yīng)用中實(shí)施投影照明技術(shù)，例如為自動(dòng)駕駛汽車的外部提供照明。自動(dòng)級(jí)別達(dá)到5級(jí)的車輛無(wú)需外部照明，但必須被其他道路使用者和行人看到。這為獨(dú)特照明設(shè)計(jì)提供了空間，不僅可實(shí)現(xiàn)安全目標(biāo)（清晰可見(jiàn)），而且可形成獨(dú)特光學(xué)輪廓和圖案，增強(qiáng)汽車個(gè)性和獨(dú)特性。

MLA技術(shù)可能還可通過(guò)投影圖標(biāo)，實(shí)現(xiàn)車輛到駕駛員、車輛到車輛以及車輛到行人的通信。例如，支持MLA技術(shù)的大燈可在道路上投影斑馬線符號(hào)，表示駕駛員給行人讓路。大燈被車輛的交通安全信息系統(tǒng)觸發(fā)時(shí)，也可在駕駛員前方的道路上顯示警告信號(hào)。

經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的批量生產(chǎn)技術(shù)

MLA技術(shù)在車輛中的這些實(shí)際用例提供了新的照明應(yīng)用，不僅用作照明，還用于通信、品牌塑造和個(gè)性化。盡管應(yīng)用還不為人所熟知，但光學(xué)技術(shù)本身已經(jīng)得到了驗(yàn)證。艾邁斯半導(dǎo)體批量生產(chǎn)晶圓級(jí)光學(xué)器件和提供全封裝組件的能力在消費(fèi)者設(shè)備上得到了證明，在汽車行業(yè)的微透鏡陣列中得到了證明。

汽車設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以自信地為微型光投影儀開(kāi)發(fā)已知應(yīng)用和新應(yīng)用，借助這項(xiàng)技術(shù)施展抱負(fù)。

通過(guò)感知道路、車輛和駕駛員，艾邁斯半導(dǎo)體的傳感器解決方案可以實(shí)現(xiàn)更高水平的電氣化、舒適度和自動(dòng)駕駛，從而獲得更安全、更智能、更環(huán)保的駕駛體驗(yàn)。