近年來，為了提高安全性和舒適性，前照燈系統得到了迅速的發展，并呈現出分辨率越來越高的的趨勢。更高的分辨率帶來了新的功能，如精確的眩光控制和道路投影。其中，道路投影是照明之外的一種功能，它為駕駛員與其他道路參與者進行交流提供了機會。這種基于照明的通信對于即將到來的更高自動駕駛水平的時代尤其重要。為了充分利用道路投影的優勢，提出了彩色投影技術。這種技術使信息不僅在夜間可見，且在白天也可見。當前車燈的彩色投影技術要么光通量過低，無法達到照明要求；要么結構復雜，實現成本高且不緊湊。本文提出了一種利用激光二極管和LCoS器件的高分辨率汽車前照燈系統的創新概念。并根據這一概念討論了具體的設計方案。本文分為上下兩部分，上半部分主要介紹前照燈相關技術的發展與應用、高分辨率前照燈的概念、技術現狀和存在的問題，下半部分主要介紹激光LCoS前照燈的概念、設計方法、仿真結果和實現。在《高分辨率前照燈：下一代的創新概念（上）》中，我們介紹了不同的調制技術。其中，采用液晶顯示LCD和硅晶顯示LCoS可以實現基于偏振調制的高分辨率光分布。由于硅晶顯示的工作機制，在許多情況下，LCoS器件與偏振分光束器（PBS）一起工作，而這種工作結構允許在不增加系統復雜性的情況下將另一個LCoS器件集成到系統中。通過使用兩個LCoS器件，可以實現所追求的概念：分辨率高、光通量大且系統緊湊。圖1展示了這個想法。
如圖1所示，偏振方向上相互獨立的入射光束（S偏振和P偏振）從同一方向進入PBS，然后從兩個不同的側面射出。兩個LCoS器件位于PBS的兩側，入射光束也從這里進入。系統中的每個LCoS器件以線性偏振調制入射光，并將其反射出來，在PBS的幫助下，兩束調制后的光束再次匯合成一個方向，進入投影系統實現照明和投影功能。以圖1中的圖示為例，該概念的典型工作場景解釋如下：入射的S偏振光恒為白色；P偏振光是順序RGB顏色。其中一個LCoS對白光進行調制，可以實現前照燈的不同功能（如ADB, AFS）；同時，另一個LCoS調制連續的RGB光，產生彩色的道路投影，并將其重疊到白光上。由于不同偏振態的入射光相互獨立，可以在不犧牲白光照明所具有的光通量的情況下實現彩色照明投影。此外，與單LCoS系統相比，系統復雜性不會顯著增加。
該概念的先決條件是獨立的S偏振和P偏振入射光束，RGB激光二極管以30：1到100：1間的偏振比發射偏振光，可以在實現先決條件的基礎上實現白光和RGB順序色光。此外，通過改變驅動策略，激光二極管發射的色光可以隨時切換到白光或RGB順序色光， 從而發揮更好的效果。例如，在某些環境中需要增強亮度時，S和P偏振的光束可以都是白色。在照明良好或積雪覆蓋的路面駕駛時，兩個光束可以都是色光，以增強顏色對比度。
綜上所述，雙LCoS激光二極管概念具有以下特點：在不降低光通量的情況下實現彩色投影，可在增強照明和增強彩色投影之間動態切換，且系統復雜性低。A．電源，為系統中的光源、照明調制器和控制單元提供電能。
B．控制單元，實現RGB激光二極管的控制策略；同時，向調制器提供信息，以適應光分布并同步激光二極管和LCoS器件的觸發信號。
C．初級光學系統，將來自RGB激光二極管的光束組合起來獲得白光，并對光進行預整形來照亮LCoS表面。
D．次級光學系統，用于投射調制光，以實現前照燈所需的光分布。
在這種照明策略中，初級光學元件首先將來自調制器表面的激光二極管的光束合并均勻化。然后根據設計要求，二次光學元件將調制器發出的光均勻地投射到期望的視場。這種照明策略中，初級光學系統產生中心熱點，二次光學僅改變前照燈照明和投影的輸出視野，與均勻策略相同。由于初級光學器件的光束預整形工作原理，大量的光能集中在光調制器的中心。這種能量積累導致調制器的熱負荷很大。因此，在使用該方案時，必須采取適當的散熱措施。將來自光源的激光束進行組合，并在調制器表面形成近似均勻的形狀。隨后，一個枕形畸變的二次光學系統將大部分輸出光匯聚到前照燈FoV的中心區域。與光束預成形方法相比，利用二次光學元件產生中心熱點對調制器表面的熱管理問題要少得多。然而，由于光分布的嚴重畸變，道路投影內容會擠壓變形。為了糾正光束信息，需要根據畸變程度采用適當的圖像處理算法。雙LCoS激光二極管的PBS器件需要將兩個LCoS發射出的光進行疊加，主要分為完全疊加方案和部分疊加方案。由于不同偏振態的兩束光具有相同的光學長度、共同的光學元件以及相同尺寸的兩個LCoS調制器，這兩個投影光束具有相同的視場，即理論上它們完全重疊。完全疊加的特點是允許對照明和投影進行簡單的圖像處理，且適用于上文提到的三種照明方案。圖6 完全重疊方案下的(a)系統結構(b)駕駛員視野
部分疊加方案采用一大一小兩個LCoS器件和不同的初級光學系統對兩束光進行偏振和預整形。這種設計導致前照燈的視野部分重疊，由于兩個照明區域都有高分辨率，該方案可以實現多像素功能。該方案一般結合均勻照明方案使用，從而實現較好的投影效果。圖7 部分重疊方案下的(a)系統結構(b)駕駛員視野該光學系統包括初級光學器件和次級光學器件。
由于初級光學器件需要保證光束的偏振狀態，元件少且可以同時實現均勻分布和中央分布，光纖、集成棒、二向色反射鏡和二向色棱鏡在該系統中并不兼容，因此考慮使用衍射光學元件（DOE）、工程擴散器和透鏡陣列（LAs）來實現光分布。此外，該系統使用6個RGB激光二極管，其中3個產生S偏振光，另外3個產生P偏振光。兩種光束可以是白色或彩色的。
該系統使用的調制器是2個相同的0.37英寸LCoS器件，應用的照明策略是均勻分布。采用帶有中繼透鏡的透鏡列陣作為光束組合和預整形的主光學元件。然后利用變形透鏡作為二次光學元件，將縱橫比從16:9變為3:1，實現了±15o×±5o（水平×垂直）的視場。圖9 LCoS器件參數及簡化的仿真模型
從圖9可以看出，六個準直激光束被一次光學元件組合并均勻成形。結果，在LCoS表面的位置獲得均勻的白光。由兩個透鏡組成的二次光學元件實現目標視場。此外，關閉LCoS位置中心1×1 mm2的區域以模擬關閉的像素，并在25米距離處的探測器上顯示具有對比度傳輸性能的拉伸效果。R/G/B激光器的輸出功率比為5:3:2。模擬結果表明，在沒有LCoS和PBS的情況下，系統的光學效率為65.16%。
2. 前照燈模型
根據仿真模型，設計了激光二極管LCoS前照燈樣機，如圖10所示。激光發射模塊包括一個散熱器、一個供電的印刷電路板（PCB）、一個二極管外殼和帶有激光準直器的RGB激光二極管。原型還集成了主光學器件和LCoS器件之間的反射鏡，從而減少整個光學系統的軸向長度，使這個高分辨率模塊更緊湊。
下一步將驗證提出的前照燈模型，并對該原型及其照明功能進行進一步分析。由于LCoS的反射特性，很大一部分光能量損失發生在LCoS上。因此，該光學系統的最大光學效率為38.45%，使用更好的LCoS器件可以提高光學效率。此外，激光單色發射波長和高輸出功率強度會帶來潛在的激光散斑和激光安全問題，其中散斑現象對照明的影響還有待進一步研究，必要時，將考慮采用適當的方法來減輕激光散斑；但在下一步的設計中必須考慮到激光安全措施的系統整合。為促進智能車燈行業的發展，艾邦智能汽車俱樂部搭建有智能車燈微信群，歡迎主機廠，配套供應商，光源，半導體，材料，設備等企業加入微信群。推薦閱讀：
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原文始發于微信公眾號（智能汽車俱樂部）：技術文章 |高分辨率前照燈：下一代的創新概念（下）
