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Micro LED车灯投影光学系统设计与优化

李香兰 吕金光 郑凯丰 陈宇鹏 赵百轩 赵莹泽 秦余欣 王惟彪 梁静秋

李香兰, 吕金光, 郑凯丰, 陈宇鹏, 赵百轩, 赵莹泽, 秦余欣, 王惟彪, 梁静秋. Micro LED车灯投影光学系统设计与优化[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2023-0063
引用本文: 李香兰, 吕金光, 郑凯丰, 陈宇鹏, 赵百轩, 赵莹泽, 秦余欣, 王惟彪, 梁静秋. Micro LED车灯投影光学系统设计与优化[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2023-0063
LI Xianglan, LV Jin-guang, ZHENG Kai-feng, CHEN Yu-peng, ZHAO Bai-xuan, ZHAO Ying-ze, QIN Yu-xin, WANG Wei-biao, LIANG Jing-qiu. Design and optimization of micro LED vehicle light projection optical system[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2023-0063
Citation: LI Xianglan, LV Jin-guang, ZHENG Kai-feng, CHEN Yu-peng, ZHAO Bai-xuan, ZHAO Ying-ze, QIN Yu-xin, WANG Wei-biao, LIANG Jing-qiu. Design and optimization of micro LED vehicle light projection optical system[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2023-0063

Micro LED车灯投影光学系统设计与优化

doi: 10.37188/CO.2023-0063
基金项目: 国家重点研发计划(No. 2022YFB3604702);吉林省科技发展计划(No. 20200401056GX)
详细信息
    作者简介:

    李香兰(1997—),女,吉林长春人,2019年毕业于吉林师范大学,获理学学士学位,现为中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研究生。主要从事Micro LED芯片及光学设计方面的研究。E-mail:lixianglan20@mails.ucas.ac.cn

    郑凯丰(1993—),男,吉林长春人,博士,工程师,2021年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位,现为中国科学院长春光学精密机械与物理研究所工程师。主要从事基于Micro LED的光学系统设计、辐射温度测量等方向的研究。E-mail:zhengkaifeng@ciomp.ac.cn

    梁静秋(1962—),女,吉林长春人,博士,研究员,博士生导师,2003年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位,现为中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研究员。主要从事微/纳光机电系统及光通信、红外光谱技术及仪器、Micro LED芯片及应用等方面的研究。E-mail:liangjq@ciomp.ac.cn

  • 中图分类号: TP394.1;TH691.9

Design and optimization of micro LED vehicle light projection optical system

Funds: Supported by National Key Research and Development Program (No. 2022YFB3604702); Jilin Province Science and Technology Development Plan (No. 20200401056GX)
More Information
  • 摘要:

    智慧汽车的发展对具备投影功能的智能车灯系统提出了更高的要求。Micro LED投影显示技术因其良好的自发光特性使之与传统技术相比系统结构更为简单,光利用率更高,更有利于小型化、节能化和集成化。本文提出了一种基于Micro LED阵列的车灯投影方案,设计了以像素尺寸为80 μm×80 μm的200×150白光Micro LED阵列作为显示光源,视场角为16°×34°物像倾斜的车灯投影光学系统,对物面倾斜角度和光学系统结构进行了优化。此外,分别采用反向畸变处理方法和像素灰度调制方法解决车灯投影图像的梯形畸变和照度均匀性问题,并搭建了投影实验平台,对图像校正方法进行了验证。实验结果表明:校正后x、y方向的图像梯形畸变系数分别从0.0932和0.3680下降至0.0835和0.0373,像面照度均匀性从83.2%提高到93.2%。本文通过基于Micro LED的倾斜投影车灯光学系统优化设计及其图像校正方法,实现了高光效、低畸变的车灯投影。

     

  • 图 1  Micro LED车灯投影系统结构示意图

    Figure 1.  Structural schematic of Micro LED headlight projection system

    图 2  车灯投影示意图

    Figure 2.  Schematic diagram of headlight projection

    图 3  投影关系示意图

    Figure 3.  Schematic diagram of the projection relationships

    图 4  车灯投影系统光路图

    Figure 4.  Optical path diagram of the vehicle light projection system

    图 5  光学系统成像质量评价分析图

    Figure 5.  Analytical diagram for the evaluation of the imaging quality of the optical system

    图 6  优化后的车灯投影光学系统光路图

    Figure 6.  Optimized optical path diagram of the headlight projection optical system

    图 7  物面倾斜优化前后MTF曲线

    Figure 7.  MTF curve before and after object plane tilt optimization

    图 8  不同温度下系统各视场的MTF图

    Figure 8.  MTF diagram for each field of view of the system at different temperatures

    图 9  图像网格畸变

    Figure 9.  Image mesh distortion

    图 10  图像对应控制点

    Figure 10.  Corresponding control points in the image

    图 11  畸变校正流程图

    Figure 11.  Distortion correction flow chart

    图 12  模拟图像的照度分布

    Figure 12.  Illumination distribution of the simulated images

    图 13  校正前投影图像

    Figure 13.  Projected image before correction

    图 14  校正后投影图像

    Figure 14.  Corrected projected image

    图 15  相机标定分析

    Figure 15.  Camera calibration analysis

    图 16  原始输出图像的照度分布

    Figure 16.  Illumination distribution of the original output image

    图 17  校正输出图像的照度分布

    Figure 17.  Correction of the illumination distribution of the output image

    表  1  车灯投影系统Micro LED阵列参数

    Table  1.   Parameters for Micro LED arrays for the vehicle light projection systems

    指标参数
    像素尺寸/μm80×80
    像素数量200×150
    阵列尺寸/mm16×12
    总光通量/lm2000
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    表  2  投影物镜关键参数及设计指标

    Table  2.   Key parameters and design specifications for projection objectives

    指标参数
    工作波段400−700 nm
    F数2
    视场16°(V)×34°(H)
    焦距40 mm
    MTF≥0.5@0.0125 lp/mm(−20 °C~80 °C)
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    表  3  系统公差表

    Table  3.   Table of system tolerance parameters

    参数
    曲率半径/N3
    表面不规则度ΔN0.3
    厚度/mm0.02
    表面偏心/mm0.01
    表面倾斜/°0.02
    折射率公差0.001
    阿贝数公差1%
    装调偏心/mm0.03
    装调倾斜/°0.05
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    表  4  光学系统公差分析结果

    Table  4.   Optical system tolerance analysis results

    参数
    名义值0.720
    最佳值0.725
    最差值0.456
    平均值0.680
    标准差0.060
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    表  5  校正前后图像梯形畸变对比

    Table  5.   Comparison of image trapezoidal distortion before and after correction

    梯形畸变系数校正前校正后
    p10.09320.0835
    P2−0.3680−0.0373
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  • 网络出版日期:  2023-07-17

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