DLP大灯设计与应用研究

王琛 徐胜亮 周猛 李扬剑

摘  要：车灯是汽车核心零部件，集驾驶安全、场景应用、信息交互功能于一身，正朝智能化和功能化方向發展。数字投影技术的应用为汽车大灯带来革命级别的技术创新，诞生更加智能和更多功能的数字投影大灯。由于数字投影大灯具有亮度高、分辨率高、应用场景多及安全性强等诸多优势，正成为汽车大灯的未来趋势。基于很高的基础研究价值和应用前景，该文系统地研究基于数字微镜的数字投影大灯的设计原理以及应用场景。

关键词：车灯；数字光处理；高像素；数字投影大灯；设计方案

中图分类号：U463.65      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）10-0122-04

Abstract： Headlights are the core components of the automobile， which integrates driving safety， scene application and information interaction， and is developing in the direction of intelligence and functionalization. The application of digital projection technology has brought revolutionary technological innovation to automobile headlamps， giving birth to more intelligent and more functional digital projection headlamps. Because digital projection headlamps have many advantages， such as high brightness， high resolution， many application scenes， strong security and so on， they are becoming the future trend of automobile headlamps. Based on the high basic research value and application prospect， this paper systematically studies the design principle and application scene of digital projection headlamp based on digital micromirror.

Keywords： headlight; digital light processing; high pixel; digital projection headlights; design scheme

随着技术不断创新发展，汽车行业正在发生百年一遇的产业变革。在2025年中国智能制造的政策规划下，汽车正在走向新四化（电动化、网联化、智能化和共享化）。在新四化的大背景下，汽车前大灯正朝着传统照明—AFS（Adaptive Front-lighting System，自适应前大灯系统）—ADB（Adaptive Driving Beam，自适应远光灯系统）—数字投影大灯（像素大灯）的智能化方向发展[1]。

数字投影大灯的原理是将数字投影技术应用到汽车前大灯上，核心是光信号的数字化处理[2]。和ADB大灯相比，数字投影大灯在亮度、分辨率、信息交互及安全性等方面更具优势。目前，常见的数字投影大灯方案有DMD（Digital Micro-mirror Device，数字微镜晶片[3]）方案和Micro-LED方案[4]。马瑞利、华域视觉、曼德光电等多家国内外车灯厂都掌握了基于DMD方案的DLP（Digital Light Processing）大灯技术，并成功在奔驰S、奥迪E-tron Sportbcak、高合HiPhi X和智己等车型上实现搭载。而Micro-LED大灯还未实现量产，具有Micro-LED大灯技术的车灯厂有海拉、马瑞利等国外厂家，国内关于Micro-LED大灯的研究还处于技术预研阶段。基于美国德州仪器TI公司DMD芯片的DLP大灯已经能够实现高质量的成像效果，像素数量达到130万[5]。而Micro-LED（80*320的矩阵排列）大灯的像素数量仅为2.56万[6]。拥有更高像素和技术成熟度的DLP大灯是当前的研究热点，具有重要的理论意义和应用价值。

本文的主要内容是系统地介绍DLP大灯的设计原理和应用场景。设计原理部分详细介绍了DLP大灯的设计过程。应用场景则是根据DLP大灯的核心优势（更好的驾驶体验和更好的交互体验）介绍。最后，本文根据汽车的发展趋势，总结DLP大灯的未来发展的方向。

1  DLP大灯的设计

DLP的光学设计是基于Zemax软件开展的。基于奥迪DLP大灯的结构，设计了DLP大灯，如图1所示。所设计的DLP大灯需要满足的指标是：输出光通量大于650 lm，25 m屏幕上最大照度大于110 lx，水平方向和竖直方向的视场角分别达到24°和6°，MTF值在特征频率处的最小值大于0.5，光学畸变小于3%。DLP大灯在结构上主要由3部分组成，分别是聚光系统、DMD芯片和投影系统。

图1  DLP大灯的设计方案示意图

聚光系统包括高功率LED、方棒和自由曲面反射镜。由于LED光源发出的光是非均匀分布的，而DMD芯片中的微反射镜是方形的，为了提高光能的利用率以及照射到DMD芯片上光源的均匀性，必须要将光斑转化为均匀分布并且与DMD芯片尺寸一致的矩形光斑，需要进行匀光和聚光处理。目前，匀光处理最常用的方法是方棒方案和复眼透镜方案。设计的DLP大灯采用的是方棒方案[7]。方棒是一种长方体状的导光管，类似于光纤，其既可以是空心的也可以是实心的。其中，空心方棒的工作原理是光的反射，其在内侧镀上高反膜，光在方棒内侧发生多次反射向前传输。实心方棒同样是使光束在方棒内侧发生反射并向前传输，不过其在中心填充了具有较高折射率的材料，利用的是光的全反射原理。当光源发出的光进入方棒后，不同角度入射的光纤会在方棒内侧发生多次反射，不断向前传播。在这一过程中，产生由多个虚拟光源形成的二维阵列，对方棒后端进行照明，能产生更加均匀的光斑。由于光斑的形状与方棒的端面形状一致，通过特定设计使得方棒端面的长宽比与DMD芯片的长宽比保持一致可以使光斑形状与芯片形状保持一致。

DMD芯片是由德州仪器TI公司设计的基于MEMS （Micro-Electro-Mechanical System）技术的微反射镜阵列。每个DMD芯片包含了十万至百万个微米级的微反射镜，其堆积在CMOS硅基片上[8]。当光束照射到微反射镜阵列上时会发生反射，产生相当于微反射镜数目的小光源，因此每个微镜作为一个像素。也正因为如此，利用DLP技术可以产生百万级的像素。在电信号的作用下，DMD芯片上的每个微反射镜可以发生+12°或-12°的偏转。照明光束经过+12°偏转的微反射镜反射后可以进入到投影系统并照射到屏幕上。光束照射在-12°偏转的微反射镜上时则会被反射到吸收模块。通过单独控制DMD芯片上每个微反射镜的角度可以控制对应像素点的亮暗，从而实现高达百万级像素的高分辨率投影成像。因此，将DLP技术运用到汽车前照灯上可以极大提高前照灯的像素，实现高分辨率照明。

DLP大灯的投影系统，是将DMD出来的光投影到远方路面上，需要呈现大视场、高亮度、高分辨率的特点。投影系统的设计步骤包括初始结构的确定和系统的优化2部分。设计的投影系统结构如图2所示，使用的2个透镜分别是负焦距非球面镜和正焦距非球面镜。采用这种正负焦距组合的透镜，可以很好地消除色差。选定初始结构后，需要设定變量和约束条件。这里主要是根据设计系统的尺寸需求、指标需求。一般设定的变量有曲率半径、厚度、空气间隔、玻璃属性（折射率或阿贝系数）和非球面系数等，约束的条件有光学系统长度、半径、系统F数、有效焦距、透镜边缘厚度、光线入射角和像差控制等。

图2  投影系统的结构示意图

像质分析评价的内容包括系统结构、光路图、几何像差曲线图、点列图、RMS（Root Mean Square）曲线、畸变、像散、场曲、赛德尔（Seidel）像差系数、调制函数（modulation transfer function，MTF）和能量集中度。在系统优化过程中，对设计结果进行评价。若不满足设计要求，分析问题的所在，修改优化目标函数、权重，局部地修改系统，甚至重新选取初始结构，再进行优化计算；若满足设计要求，则通过公差分析可以进一步考虑系统的工艺性、经济性等相关指标，对系统进行进一步的优化设计。图3是我们设计的投影系统的畸变曲线图。畸变曲线图由多条不同颜色的曲线组成，显示了不同波长光线的畸变随视场的变化。由于波长对畸变的影响较小，因此不同颜色的曲线几乎重合在一起。从图中可以看到，所设计的投影系统的最大畸变为1.1397%，小于我们设置的3%的目标，满足设计的需求。

图3  投影系统的畸变

图4是投影系统的MTF曲线，其中不同颜色的曲线代表不同视场光线的MTF曲线，实线和虚线则分别表示子午和弧矢。MTF是用来描述光学系统成像质量的重要指标。通过对光学系统像空间进行傅里叶变换，可以得到一张分析图表，来描述像面上对比度和空间频率之间的对应关系。一般说MTF越高，系统的像越清晰。当MTF=1时，表示像包含了物的全部信息，没有失真。但由于光波在光学系统孔径上发生的衍射以及像差，信息在传递过程中不可避免要出现失真。一般来说，空间频率越高，传递性能越差。在空间频率为0的时候，MTF的值等于1。在其他空间频率处，MTF的值恒小于1，并且随频率的增加而逐渐下降。从图4中可以看到，除了2.68 mm子午视场外，MTF值都大于0.5。对于所有视场来说，MTF值也是都大于0.4，基本达到预期的指标要求。因此，本文设计的投影系统具有较高的成像质量。

图4  投影系统的MTF

在投影系统设计后，还需要进行DLP大灯的结构建模，如图5所示。值得注意的是，由于DLP大灯使用高功率的LED光源，发热情况比较严重，在设计过程中散热问题需要重点考虑。此外，DLP大灯还包括驱动模块等部分。DLP大灯设计完成后，还需要进行仿真测试来评估设计效果。仿真测试的内容包括人眼视觉仿真、动态场景仿真、照度测试、亮度测试和整车搭载测试。

图5  DLP大灯的设计结构示意图

2  DLP大灯的应用

夜间的车流量是白天的车流量的1/4，但夜间交通事故的次数和严重程度却远高于白天，主要原因是夜间灯光昏暗、驾驶员视线不够清晰及驾驶员易疲劳。DLP大灯可以很好地改善夜间行车安全问题，为驾驶者提供更好、更安全的驾驶体验。其工作过程为：汽车上的摄像头和传感器对汽车周边的环境进行实时监测，再通过功能强大的ECU在极短时间内对数据进行处理，将命令传输给DLP大灯，这时，DLP大灯会投影出一些指示符号来提醒驾驶员。ECU是电子控制单元，一辆车中可以有多个ECU，包括车身控制模块、发动机控制模块、防抱死制动系统、电池管理系统和与车辆中的特定子系统相关的其他ECU等。同时，DLP大灯也会合理分布投影出去的灯光，不会直射到对向驾驶员和行人的眼睛，防止对向车辆发生眩目的情况。防眩目功能的实现是基于对每个像素独立的精准控制。在满足传统照明的基础上，DLP大灯能提供传统汽车前照灯无法实现的其他功能。其功能可以概括为2大方面。一方面是DLP大灯可以通过精准控制照明区域，防止马路上的行人和对向来车被眩目，从而降低交通事故发生的风险。

DLP大灯在防眩目方面表现很突出，能够精准控制照射区域的光线分布。如图6所示，可以看到DLP大灯在行人、对向车辆驾驶员的眼睛处光线是暗的。具体原理是：在夜间行车的过程中，DLP大灯会根据探测器反馈的实时路况实现动态调节：对行人的区域进行照明并且控制照明高度，防止照射到行人的眼睛使行人产生眩目。周围存在其他车辆时，DLP大灯会调节远光光型，避免远光灯照射到车辆的前车窗和后车窗上，避免对向驾驶者产生眩目，降低交通事故发生的概率。

另一方面，由于DLP大灯具有很高的亮度和分辨率，可以看成是一台高清投影仪，根据汽车周围不同的环境适时地向路面投影出高清的符号，既能给驾驶者提供各种警示信息，指导驾驶者安全驾驶，也能与行人以及其他车辆进行更好的交互，使车灯有了“说话”的能力。

图6  DLP大灯在防眩目方面的应用场景

如图7所示，DLP大灯能够在前方路面上投影符号以及斑马线等图案。此外，驾驶过程中遇到下雪天气，DLP大燈可以向路面上投影雪花的图案，提醒驾驶者安全驾驶。DLP大灯还能在路面上显示汽车与其他车辆的距离，并且根据当前车速计算出安全车距。车距过近时，DLP大灯会在路面上投影警示符号，提醒驾驶者保持好安全驾驶距离。当车辆行驶过程中，视野盲区内出现其他车辆，DLP大灯会在路面上投影盲区警示符号，防止交通事故的发生。DLP大灯的投影应用还包括车宽显示：汽车经过施工区域等狭窄路段时，其会在地面上投影出与车辆宽度相当的光束，帮助驾驶者对驾驶路线及通过能力进行评价。部分DLP大灯甚至能够提供多种迎宾模式，在实现照明功能的基础上兼顾用户的体验。

图7  DLP大灯在交互、信息提示方面的应用场景

3  结束语

DLP大灯的研发设计需要兼顾安全、用户体验、造型等方面。在安全方面，DLP大灯具有高亮度、防眩目、投影警示符号等特性，能显著降低交通事故的风险。在用户体验方面，DLP大灯能提供各种迎宾模式，富有时尚感、科技感，给驾驶者提供良好的驾驶体验。在造型方面，DLP大灯需要减少体积，控制成本，适配不同的汽车造型。DLP大灯在安全性、应用场景、智能化程度等方面有很大的突破，具有非常广阔的应用场景，未来还会不断技术创新。要想广泛搭载到量产车型，要提升的地方包括以下几个方面。

第一，DLP大灯技术比较成熟，但搭载率不高，主要原因是价格太贵和核心DMD芯片是美国德州仪器IT公司的IP。随着技术的不断进步、更多厂家的加入和量产情况的推进，未来DLP大灯的价格会越来越亲民。

第二，DLP大灯达到百万级像素，远远超过Micro-LED大灯、LCD大灯的万级像素。但DLP大灯的价格也很难降低下来，无法匹配更多价位的车型。未来DLP大灯会朝着像素数量差异化的产品路线发展，呈现不同像素级别（从万级到百万级）的产品，全面覆盖不同价位的车型。

第三，相比于Micro-LED大灯，DLP大灯所需的零部件更多，结构上更加复杂，体积也更大。未来DLP大灯会在结构上不断进行优化：简化结构，减少光学元件的数量。这不仅能降低DLP大灯的成本，而且使得DLP大灯的体积更小，符合更多汽车造型的需求。

参考文献：

[1] 罗德智，牛萍娟，郭云雷，等.汽车前照大灯智能化的现状与发展[J].照明工程学报，2017，28（5）：72-78.

[2] HORNBECK L J. Digital light processing and MEMS： timely convergence for a bright future[J]. Proc Spie，1995（2783）：2-13.

[3] 赵松岭，雷永富，刘晓喻，等.汽车前照灯发展趋势与研究[J].汽车电器，2020（8）：35-39.

[4] 祁高进，张海升，熊衍建.基于MicroLED的高像素前照灯模组的开发[J].汽车零部件，2023（4）：8-11.

[5] ROSENHAHN E O， SEIBOLD H， GEYWITZ-SENN J， et al. Digital light millions of pixels on the road[J].ATZ worldwide， 2018，120（11）：42-45.

[6] ROSENHAHN E O， SCHL？魻DER U， RUTKIEWICZ I. HD light functions in headlights for more traffic safety[J].ATZ worldwide， 2021，123（11）：46-51.

[7] 张鹏飞.车载激光像素大灯光学系统的研究与设计[D].苏州：苏州大学，2023.

[8] 王金磊，徐健，吴杰，等.基于DLP的投影式自适应前照灯控制系统[J].汽车零部件，2018（8）：18-20.