利用 DLP 前照燈提高能見度

汽車制造商正在尋找提高夜間駕駛能見度的方法。適用于前照燈的 DLP^?汽車技術(shù)可以提高能見度并為其他應(yīng)用提供支持。

前照燈用于照亮前方的道路并使駕駛員發(fā)現(xiàn)任何潛在的危險(xiǎn)?；厩罢諢敉ǔ２捎脙蓚€(gè)模塊：近光基礎(chǔ)燈和手動開/關(guān)遠(yuǎn)光燈。不過，駕駛員很少遇到需要使用遠(yuǎn)光前照燈的情況，因此很少使用該選項(xiàng)。

最近，在汽車照明行業(yè)中已經(jīng)大力推動改善車輛前照燈功能和駕駛員能見度，從而使自適應(yīng)遠(yuǎn)光燈 (ADB) 前照燈得到發(fā)展。ADB 系統(tǒng)自動控制包括遠(yuǎn)光燈在內(nèi)的整個(gè)前照燈，使駕駛員能夠?qū)Ｗ⒂诘缆罚鵁o需再根據(jù)光照條件和對面是否駛來車輛來打開或關(guān)閉遠(yuǎn)光燈。

ADB的優(yōu)勢和分辨率

ADB 汽車外部照明系統(tǒng)的目標(biāo)是在不影響迎面駛來的汽車駕駛員的情況下，更大程度地增大投射到道路上的光量，從而提高道路安全性。對于沒有遠(yuǎn)光視野 (FOV) 分 區(qū)（ 也稱為像素遠(yuǎn)光燈）功能的車輛，ADB 系統(tǒng)功能包括自動打開和關(guān)閉遠(yuǎn)光燈。包括用于汽車應(yīng)用的 DLP 技術(shù)在內(nèi)的新技術(shù)使遠(yuǎn)光前照燈 FOV 能夠分 區(qū)，換句話說，可以分別打開或關(guān)閉遠(yuǎn)光前照燈的各個(gè)區(qū)域。

例如，如果遠(yuǎn)光前照燈有 12 個(gè)區(qū)域，則僅需關(guān)閉這些區(qū)中的幾個(gè)，即可防止對迎面駛來的車輛駕駛員產(chǎn)生眩光。其他區(qū)仍然可以照亮道路，而且與未配備 ADB 系統(tǒng)的車輛相比，此類車輛所產(chǎn)生的光照更多。圖 1 顯示了夜間駕駛情況的示例，其中駕駛員逐漸接近迎面駛來的車輛、交通標(biāo)志和道路上的坑洼。駕駛員的車輛未配備 ADB 系統(tǒng)，因此僅車輛的基礎(chǔ)照明照亮道路。圖 2 顯示的駕駛場景與圖 1 相同，不過此時(shí)駕駛員的車輛配備了 12 像素分區(qū) ADB 系統(tǒng)。分區(qū) ADB 系統(tǒng)用多個(gè)紅色框表示，可突出顯示遠(yuǎn)光 FOV 中每個(gè)像素的照明區(qū)域。

圖1 僅具有基礎(chǔ)照明模塊的前照燈FOV

圖2 具有12像素矩陣的前照燈FOV。在遠(yuǎn)光FOV中，每個(gè)像素用紅色區(qū)域表示

從圖1和圖2可以看到，ADB 系統(tǒng)中的分區(qū)越多，遠(yuǎn)光 FOV就可以發(fā)出更多的光來照亮道路。在恒定的 FOV 中，區(qū)域的數(shù)量按數(shù)量級增加時(shí)，這種關(guān)系也是成立的 - 因?yàn)殡S著分區(qū)變得越來越小，ADB 系統(tǒng)可以點(diǎn)亮更多的區(qū)域，而不會照射其他車輛，也不會對其他駕駛員產(chǎn)生眩光。

除了使照射到道路上的光線更多之外，增加分區(qū)的另一個(gè)好處是，遮蔽區(qū)域的移動更加順暢，這可以減小大面積遠(yuǎn)光 FOV快速開關(guān)對駕駛員產(chǎn)生的干擾。ADB 系統(tǒng)中的遮蔽區(qū)域是未被遠(yuǎn)光模塊照亮的 FOV 區(qū)域，可以防止對迎面駛來的車輛駕駛員和車輛的 ADAS 系統(tǒng)產(chǎn)生眩光。在圖 2 中，遮蔽區(qū)域是遠(yuǎn)光 FOV 中缺少 LED 的區(qū)域，用紅色框表示，這些區(qū)域是迎面駛來的車輛周圍的區(qū)域（可防止對迎面駛來的車輛駕駛員產(chǎn)生眩光）和交通標(biāo)志（可防止反射光在 ADAS 系統(tǒng)的前置攝像頭上產(chǎn)生眩光）。

車輛原始設(shè)備制造商 (OEM) 和一級前照燈供應(yīng)商一直在討論提高 ADB 分辨率以照亮道路上的更多細(xì)節(jié)并減小遮蔽區(qū)域移動對駕駛員的干擾的需求。DLP5533A-Q1 高分辨率前照燈數(shù)字微鏡器件 (DMD) 具有 130 萬個(gè)可單獨(dú)尋址的微鏡，可提供極高的 ADB 分辨率。DLP5533A-Q1 上的每個(gè)微鏡都可以對應(yīng)于遠(yuǎn)光 FOV 中的一個(gè)區(qū)域，從而使ADB系統(tǒng)能夠以最高的效率運(yùn)行并產(chǎn)生非常精確的遮蔽區(qū)域。

適用于汽車應(yīng)用的 DLP 技術(shù)的另一項(xiàng)優(yōu)勢是能夠在遠(yuǎn)光FOV 中離散移動遮蔽區(qū)域。隨著更高分辨率的ADB系統(tǒng)以及遮蔽區(qū)域在遠(yuǎn)光FOV中更加平滑的過渡，駕駛員會發(fā)現(xiàn)這些ADB 系統(tǒng)比遠(yuǎn)光區(qū)域更少的 ADB 系統(tǒng)更加自然并且產(chǎn)生的干擾更小。OEM 和一級前照燈供應(yīng)商對在前照燈 FOV 中移動DMD 的投影區(qū)域進(jìn)行了探索，可支持高分辨率 ADB 前照燈以外的應(yīng)用。

前照燈FOV矩陣和DMD

在未配備 ADB 系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)車輛中，通過兩個(gè)模塊來分離近光區(qū)域和遠(yuǎn)光區(qū)域。標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)光模塊的 FOV 是每個(gè)前照燈 40 度乘 10 度。這些模塊經(jīng)過對齊，總共可覆蓋 80 度乘 10 度的車輛遠(yuǎn)光 FOV。基本的 ADB 系統(tǒng)使用有限數(shù)量的像素（通常每個(gè)前照燈 12 個(gè)像素，總共 24 個(gè)像素）來控制整個(gè) 80 度乘 10度的遠(yuǎn)光空間。通常，這些 ADB 系統(tǒng)在垂直區(qū)域沒有控制功能，這意味著一個(gè)分區(qū)在垂直方向上覆蓋全部 10 度的范圍。隨著分辨率的提高，ADB 系統(tǒng)利用 2D 像素矩陣來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)光分區(qū)，從而能夠提供垂直方向控制，并更大程度地增大投射到道路上的光量。圖 2 展示了一個(gè)示例 ADB 系統(tǒng)，每個(gè)前照燈只有 12 個(gè) 區(qū)域，無遠(yuǎn)光段垂直控制功能，因?yàn)閮H顯示了一個(gè)1D 矩陣。迎面駛來的車輛上方和下方的區(qū)域以及交通標(biāo)志周圍的區(qū)域其實(shí)可以被更高分辨率的光照亮，從而駕駛員可以看見物體或迎面而來的障礙物。

OEM和一級前照燈供應(yīng)商已在尋求為 ADB 系統(tǒng)提供更高分辨率的方法，尤其是在遠(yuǎn)光 FOV 的中心。由于道路危險(xiǎn)通常直接位于車輛前方，因此遠(yuǎn)光 FOV 的中心對于更大程度地提高光量而言至關(guān)重要。當(dāng)前的汽車前照燈遠(yuǎn)光模塊照度分布通常在中心附近具有一個(gè)較小的峰值亮度區(qū)域。

圖 3 顯示了標(biāo)準(zhǔn)的遠(yuǎn)光照度分布，其理念是只有在遠(yuǎn)光 FOV的中心才需要高分辨率。在遠(yuǎn)光 FOV 邊緣附近實(shí)現(xiàn)高分辨率會以指數(shù)方式增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，而不會提供相應(yīng)的功能增益。因此，一級前照燈供應(yīng)商設(shè)計(jì)了具有第三個(gè)模塊的新型前照燈，該模塊僅在車輛 FOV 的中心提供高分辨率。DLP汽車技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有高性價(jià)比的高分辨率區(qū)域，從而直接解決該新型前照燈架構(gòu)問題，同時(shí)使一級前照燈供應(yīng)商能夠輕松創(chuàng)建模塊化設(shè)計(jì)并支持多種車輛飾件。

圖3 具有高中心峰值的典型遠(yuǎn)光照度分布

DLP5533A-Q1 DMD 經(jīng)過優(yōu)化，支持覆蓋 14 度乘 7 度FOV 的模塊；每個(gè)前燈通常使用這些模塊之一。但兩個(gè)DLP5533A-Q1 模塊（每個(gè)前照燈一個(gè)）可以為車輛的 FOV 生成 28 度乘 7 度的高分辨率區(qū)域。

圖 4 顯示了圖 2 中具有高分辨率區(qū)域的示例前照燈 FOV 細(xì)分，

圖4 DLP前照燈FOV細(xì)分

在圖 4 中，放置了 28 度乘 7 度的高分辨率區(qū)域以覆蓋近光和遠(yuǎn)光 FOV 中的空間。除了提供 ADB 支持（遠(yuǎn)光 FOV 中的高分辨率區(qū)域）之外，這種跨界功能還使 DLP 前照燈模塊能夠在近光 FOV 的“HR 圖形區(qū)域”中的負(fù)載上投射高分辨率符號。由于 DLP5533A-Q1 能夠提供創(chuàng)建可理解符號（例如指示駕駛員需要右轉(zhuǎn)的右轉(zhuǎn)箭頭）所需的分辨率，因此該器件非常適合進(jìn)行符號投影。由于車輛前照燈的 原因 方向，與標(biāo)準(zhǔn)投影顯示相比，分辨率與前照燈投射的符號清晰度之間的關(guān)系更加明顯。由于前照燈未在垂直于投影源的表面上進(jìn)行投影，因此投射的符號很容易被拉長，從而在沒有足夠的角分辨率的情況下使駕駛員無法理解這些符號。

圖 5 顯示了每像素 0.05 度角分辨率（可以通過專用于符號投影的 20,000 像素矩陣實(shí)現(xiàn)）與每像素 0.01 度角分辨率（可以通過 DLP5533A-Q1 高分辨率前照燈模塊的近光區(qū)域?qū)崿F(xiàn)）之間的投影符號差異。當(dāng)從 10m 遠(yuǎn)的位置投影 2m 高的圖像時(shí)，這些角分辨率分別對應(yīng)于大約 12 條線和 49 條線。

圖5 在10m遠(yuǎn)的位置投射具有不同垂直分辨率的右轉(zhuǎn)符號

符號投影區(qū)域（在圖 4 中以 HR 圖形區(qū)域突出顯示）可以幫助駕駛員導(dǎo)航到目的地，警告駕駛員存在潛在危險(xiǎn)路況或投射車輛的預(yù)定線路。符號投影不僅提供了另一種車輛通信方法，而且可以成為車輛功能和駕駛體驗(yàn)的差異化因素。符號投影展示了適用于高分辨率前照燈的 DLP 技術(shù)的多功能性，以及它如何擴(kuò)展車輛照明系統(tǒng)的價(jià)值定位。

面向未來的前照燈應(yīng)用

盡管 DLP 技術(shù)憑借其高分辨率極大地改進(jìn)了 ADB 系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)了符號投影，但基于 DLP 技術(shù)的前照燈還有其他方法，通過擴(kuò)展應(yīng)用來改進(jìn)高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 功能，從而為車輛增加價(jià)值。這些面向未來的應(yīng)用可能包括結(jié)構(gòu)光（可幫助下一代 ADAS 更好地檢測和識別道路上的物體和障礙物）、交通標(biāo)志調(diào)光（用于防止前置攝像頭眩光）和天氣探測（用于提醒駕駛員潛在的危險(xiǎn)路況）。

結(jié)構(gòu)光。DMD 能夠以微秒的量級極其快速地切換狀態(tài) - 使DLP前照燈模塊能夠在很短的時(shí)間內(nèi)顯示 single-bit 圖案。當(dāng)這些 single-bit 圖案與車輛的前置攝像頭刷新率同步時(shí)，DLP前照燈模塊可以投射旨在用作深度傳感的圖案，而不會引起駕駛員的注意。該應(yīng)用稱為結(jié)構(gòu)光。ADAS 處理器使用前置攝像頭來捕獲對圖案的響應(yīng)，并確定車輛行駛路徑中是否有任何物體。如果 ADAS 系統(tǒng)檢測到任何碎屑或坑洼，它可以通過符號投影功能警告駕駛員存在危險(xiǎn)。圖 4 和圖 6 對此進(jìn)行了描述，圖 4 顯示了原始駕駛場景，在圖 6 中 DLP 前照燈和前置攝像頭系統(tǒng)識別坑洼并向駕駛員發(fā)出警告。

圖6 DLP前照燈與ADAS攝像頭系統(tǒng)配合工作，可檢測到道路上的物體并向駕駛員發(fā)出警告

除了坑洼和碎屑檢測之外，結(jié)構(gòu)光還可以改善主動懸架系統(tǒng)在夜間的性能。由于系統(tǒng)能見度很差，因此許多主動懸架系統(tǒng)的夜間性能不佳，但 DLP 前照燈可以極大地提高主動懸架系統(tǒng)的性能。

交通標(biāo)志調(diào)光。OEM和一級供應(yīng)商希望將ADAS前置攝像頭傳感器移至前照燈附近或內(nèi)部。該新位置的一個(gè)缺點(diǎn)是ADAS攝像頭系統(tǒng)的性能在夜間交通標(biāo)志附近可能會降低。如果自適應(yīng)前照燈將光直接反射回至光源，則交通標(biāo)志會在夜間干擾ADAS前置攝像頭的性能和精度。當(dāng)有光線直接照射在攝像頭的鏡頭上時(shí)，攝像頭傳感器會“泛光”或過飽和，從而完全洗掉圖像。這會阻止任何現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)據(jù)到達(dá)ADAS系統(tǒng)，因此無法警告駕駛員存在潛在的危險(xiǎn)。利用 DLP 前照燈模塊的高分辨率，ADAS系統(tǒng)可以創(chuàng)建高效的 遮蔽并熄滅照向交通標(biāo)志的光線。這使車輛前端攝像頭 ADAS 系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，從而使駕駛員可以更好地理解交通標(biāo)志。在城市街道和高速公路上使用時(shí)，交通標(biāo)志調(diào)光是 ADB 的必備功能，因?yàn)榻煌?biāo)志在這些類型的道路上頻繁出現(xiàn)。圖 7 描繪了一個(gè)DLP前照燈，該前照燈使交通標(biāo)志變暗，但照亮了試圖橫穿馬路的兒童。

圖7 DLP前照燈醒目地照亮了一個(gè)試圖橫穿馬路的兒童，同時(shí)使人行橫道標(biāo)志變暗以減少眩光

●   天氣探測。高分辨率前照燈可用于幫助在夜間駕駛時(shí)探測天氣情況。有些車輛白天僅用攝像頭即可探測天氣，但在夜間這是一個(gè)問題，因?yàn)橐归g光線不足。借助高分辨率前照燈，車輛可以增大照射到特定區(qū)域的光的強(qiáng)度，從而幫助提高攝像頭的能見度。通過使車輛的 ADAS 前置攝像頭系統(tǒng)能夠在夜間探測天氣情況，車輛可以自動啟用安全功能或配置，從而更好地處理包括霧天和路面結(jié)冰在內(nèi)的危險(xiǎn)情況。

結(jié)論

雖然 DLP5533A-Q1 DMD 旨在提高 ADB 分辨率，并幫助車輛更大程度地提高道路上的光量，但該器件的 130 萬個(gè)微鏡可實(shí)現(xiàn)新的應(yīng)用。符號投影可以通過將導(dǎo)航符號投射到汽車前方來幫助駕駛員將視線停留在道路上，并可以通過投射預(yù)定線路來幫助車輛與周圍的車輛進(jìn)行“通信”。結(jié)構(gòu)光能夠啟用車輛中可警告駕駛員即將發(fā)生危險(xiǎn)（例如道路上的坑洼和物體）的功能。交通標(biāo)志調(diào)光可以幫助減少前置攝像頭眩光并支持適當(dāng)?shù)?ADAS 功能。天氣探測可以在最關(guān)鍵的時(shí)刻幫助駕駛員將視線停留在道路上。DLP 高分辨率前照燈將繼續(xù)滿足OEM和一級前照燈供應(yīng)商的需求，同時(shí)為設(shè)計(jì)人員提供創(chuàng)新和開發(fā)新功能的平臺。