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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

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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]. . 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]. .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 1Micro 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/μm 80×80
    像素数量 200×150
    阵列尺寸/mm 16×12
    总光通量/lm 2000
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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/N 3
    表面不规则度ΔN 0.3
    厚度/mm 0.02
    表面偏心/mm 0.01
    表面倾斜/° 0.02
    折射率公差 0.001
    阿贝数公差 1%
    装调偏心/mm 0.03
    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
    p1 0.0932 0.0835
    P2 −0.3680 −0.0373
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