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使用TI DLP®技术设计高分辨率自适应前照灯

2018-11-02
Brian Ballard

  为了消除前照灯远光系统中的眩光,设计人员现在可以采用像素级数字控制。

  传统的汽车前照灯仅照亮车辆前方的视野范围,提高驾驶员在光线昏暗和恶劣天气条件下的可视性。近光灯照亮车辆前方短距离的范围,而远光灯具有更长的照射距离和更广的照射角度。很长时间内,前照灯系统都沿用这种设计模式,而随着技术的进步,前照灯系统正在发生重大的变化。

  20世纪50年代,美国汽车制造商开始在车辆前部安装两个封闭式前照灯,并最终演变成车辆的远光和近光系统。快进到2018年,车辆采用的大灯系统更为复杂。发光二极管(LED)光源正在取代传统的卤素灯和氙气灯泡。随着汽车制造商从静态白炽灯泡转向更为灵活和时尚的LED灯,LED可能会在短期内完全取代氙气灯,并稍后取代卤素灯。

  令人遗憾的是,尽管经历了几十年的发展,美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)报告称,2015年美国发生的事故中,约有30%发生在夜间。1IHS Markit报告称,美国50%的事故都是由于弱视造成的;随着人口老龄化进程,这个数字必然会继续增加。

  根据德国达姆施塔特工业大学的调查3,在视觉方面,年龄较大的驾驶员往往会经历各种类型的视力退化,包括视敏度下降,瞳孔缩小以及对黑暗的适应速度变慢等。年龄在60到65岁之间的人需要两倍的照度和对比度以及一半的眩光负荷,才能达到25岁的人拥有的视力水平。

  尽管远光灯的眩光可能会分散注意力甚至导致暂时失明,但一直以来,防止眩光始终靠司机个人完成,而高低光束之间的切换是唯一的控制手段。因此现实中,驾驶员经常要操作前灯杆:无对向车辆时切换远光灯,当其他车辆出现时,关闭远光灯。

  如何使驾驶员在驾驶车辆时保持开启远光灯以提高能见度呢?

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  图1.自适应大灯(ADB)技术的示例用例。(资源:德州仪器)

  自适应大灯(ADB)(图1)将高级驾驶员辅助系统(ADAS)与外部照明系统相结合,即可实现这种功能。除ADAS技术外,德州仪器(TI)现在还提供DLP芯片组,可通过ADB技术对汽车前照灯进行更精细的控制,使汽车制造商和一级供应商能够在每个前照灯中单独控制超过100万像素。通过这项技术,前照灯可以熄灭影响其他驾驶员或行人视力的区域,甚至可以通过编程绘制道路信息,例如车道线或路线引导。

微镜

  DLP芯片组的核心组件是一组铝质微镜,称为数字微镜器件(DMD)。根据具体的配置情况,DMD可包含数十万或数百万个独立控制的微镜,每个微镜构建在底层CMOS存储器单元之上。

  每个反射镜都装有柔性机械支撑结构,可使镜子悬挂在两个寻址电极上。这些电极连接到存储器单元,并产生互补的静电力,将镜子定位在两个稳定的着陆状态之一。

  当集成到光学系统中时,DMD是对称的双态光学机械元件,因此每个着陆状态的微镜的位置确定入射光反射的方向。DMD的高工作频率和小像素尺寸可实现高速调制和低系统延迟,进而提高前照灯控制的精确性,并增强驾驶员的视觉能见度。

  支持DLP技术的系统能够与任何光源搭配使用,包括LED、激光/荧光粉以及直接激光照明光源。与现有的ADB解决方案相比,它可以设计为功率和体积更小、外观更时尚的照明系统。DLP技术也是高效和可扩展的,同时可提供更好的光束控制,提高在低亮度条件下的观察距离和可见度。

  相比同类的防眩目远光灯解决方案,或将灯中的单个LED调暗,或将光束向下或向相对车道的一侧移动。有些解决方案是在远光灯和近光灯之间切换,而其他解决方案则是在车辆转弯时旋转光束。实际上,这些系统所做的是关闭或阻挡前照灯的光线,遮挡迎面而来的车辆或前面的车辆,以避免眩光。通常,LED矩阵型解决方案通过关闭一些LED灯,减少对对向车辆造成的眩光。

  虽然自动开/关采用预定义的离散光束是一个正确的思路,但是这种功能无法实现开发具有实时适应性的光束所需的控制水平。这种分辨率和适应性有助于实现ADAS功能,例如,可识别交通标志的交通标志照明。考虑到汽车行业的半自动和自动驾驶的发展方向,这种功能是十分必要的。

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  2.ADB技术可用于提高道路标志的能见度。(资源:德州仪器)

  DLP技术在高分辨率前照灯系统中的优势包括减少照在物体上产生的眩光,例如行人(图2)和迎面而来的车辆的驾驶员。最小化从传感器发送信息到前照灯响应的时间(系统延迟),通过在每个视角范围内提供更高的像素,实现高精度。反过来,在系统中它可以实现更多的光通量,即增加可控制光线和照射在路面上的光线量。凭借低延迟,便不再需要基于人工智能的复杂预测算法去确定对象下一步的移动位置。

  基于DLP技术的系统使用额外的传感器输入,关闭投射到对向车辆挡风玻璃上的前照灯部分,以免眩光对驾驶员造成不适或引起分心。前照灯系统中使用DLP技术后,可以对像素化的前照灯光束进行精细化控制,从而实现自适应远光功能,有助于提高夜间驾驶时的视野和舒适度。图3显示了在前照灯系统中采用DLP芯片组的系统框图的示例。

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  3.采用DLP芯片组的系统框图。(资源:德州仪器)

  用于高分辨率前照灯系统的DLP5531-Q1芯片组(图4)为工程师提供了一种小体积的可定制照明光斑的系统设计,从而更精确地控制道路上光线分布。该系统还可以部分或全部调暗单个像素,实现远光的长时间使用,同时不对其他驾驶员造成影响。

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  4.由德州仪器开发的DLP5531-Q1芯片组,可用于高分辨率前照灯系统。(资源:德州仪器)

前照灯技术的未来用途

  许多汽车制造商和一级供应商都非常关注提高可视性所带来的诸多优势,与此同时, DLP技术也是可编程的。因此,它可以配置为半自动和自动驾驶车辆所需的新功能。

  用于前照灯系统的DLP技术可与ADAS配合使用,在特定位置(如交通标志)上投射适量的光线,帮助驾驶员清楚地识别标志。它能够将图像和标志投射到前方道路上,例如车道标记或导航方向,从而加强驾驶员、行人和其他车辆之间的沟通。随着汽车行业的发展,这一功能将变得越来越重要。

  使用该技术的前照灯系统可以通过编程为向行人提供信号或标志,并向车辆发出后续动作指示,从而增强车与行人之间的通信。另外,专用车道标记和车对驾驶员的增强功能,如符号投影和驾驶员相关信息的显示(例如:导航支持、车辆轨迹)是未来车辆的重要考虑因素。

附加规格

  DLP5531-Q1芯片组可使每一前照灯实现超过100万个可寻址像素。它可以在任何光源(包括LED和激光)下工作,工作温度在-40°C至105°C之间,无论温度或极化如何,都能实现清晰的图像可视性。

参考文献

  1.美国运输部:国家公路交通安全管理局“2015交通安全报告”。

  2. 2017年2月IHS Markit SupplierInsight网络研讨会:全新汽车照明概念 - 市场回顾。

  3. 2018年2月, 达姆施塔特工业大学, “人口发展”。