微透鏡陣列技術安全又美觀 　汽車投影照明功能大增

隨著高功率LED的出現，業界對汽車照明的品牌和效能表徵進行了一些早期嘗試，例如製作方向燈的動畫，為日間行車燈創造獨特的輪廓。但是，在大多數情況下，照明這一基本功能並沒有變。

如今，半導體廠商為使汽車OEM能夠為汽車創造具有更多功能的照明系統，正致力開發相關技術，如艾邁斯半導體(ams)開發的新照明系統，稱為微透鏡陣列(MLA)技術，該技術在照明基礎上添加了溝通和互動功能。MLA技術首次使汽車製造商能夠在離汽車較遠的路面上投影細節豐富的清晰圖像或圖案。與傳統光學投影儀相比，該陣列的占用空間和深度很小，可輕鬆整合到車身，不影響機械設計。

因此，在新車設計中實施MLA技術，給汽車製造商帶來改進汽車照明安全性、便利性、外觀、個性和功能的巨大潛力。

本文將概述MLA技術的工作原理及投影照明系統的構成。該技術對大燈的影響最大，因為微透鏡投影帶來的波束品質和波束控制改進幅度明顯。投影照明在汽車中還有許多其他潛在用途可實現安全性和舒適度。毫無疑問的是，有相當大的應用空間仍有待於具有前瞻性思維和豐富想像力的工程師。

MLA元件應用光投影技術

在今天的汽車照明中，波束一般是透過光學技術形成，而光學技術至少已經擁有幾十年的歷史。例如，在大燈中(圖1)，波束控制通常透過組合一個大反射鏡和一個嵌入在大燈蓋中的透鏡來實現。光投影的物理性質要求光源和透鏡之間有一個較長的最小距離。這意味著，整個大燈元件體積大，會占用車身相當大的表面積。

MLA技術的採用標誌著傳統汽車照明設計方法的突破其首次透過深度和高度只有幾毫米的元件將緊密聚焦的波束甚至圖像或圖案投影到路面或人行道上。由於MLA的系統尺寸小，因此幾乎可將投影照明內置在車身的任何部件中。目前，已經有業內著名的汽車製造商在實施和評估基於MLA的各種應用。

當車輛檢測到車鑰匙靠近時，從門縫下投影的迎賓照明可顯示該車型或品牌獨有的圖案(圖2)。這一功能既方便又安全，照亮了用戶上車必須經過的路面。它還可賦予汽車個性，車燈似乎在「歡迎」駕駛員從黑暗中返回車中。投影在地面的獨特圖像也可以成為汽車品牌的標誌。

透過後視鏡投影在路上的轉向訊號為行人、騎士和其他路人提供了駕駛員要轉彎的高度可見指示，提高了道路安全性。

嵌入在車頂內襯或擱腳空間的車廂照明。和道路照明一樣，該功能提高了駕駛和乘客的便利性和舒適度，還可以營造專屬於該汽車品牌的光學環境。

最重要的是，MLA技術的採用引發了對大燈設計的重新思考。微型化就是一個優勢：目前已有大燈製造商開發專案可以證明，打造具有窄縫特性曲線的標準大燈具有可實施性(圖3)。該技術還顯著改進了傳統大燈和新型LED矩陣大燈的波束品質、均勻度以及可控性。將投影照明應用於大燈的優勢包括一些重要安全主題，如：

．幾乎消除迎面車輛燈光刺眼的風險。

．雨霧天氣的出色性能，大幅減少了影響駕駛視線的水滴反射光線。

．動態自我調整波束，準確地指示路面需要的光線，為駕駛提供最有用的照明。

．可將環境相關資訊(如警告標誌)投影到駕駛前方道路。

MLA技術帶來了重新思考汽車照明設計的機會。基於MLA的投影照明系統尺寸小，光學性能出色，且MLA模組中的光程具有特殊構造。

MLA元件由LED光源/準直透鏡/微透鏡陣列組成

基於MLA的投影照明元件由LED光源、準直透鏡和微透鏡陣列組成。該陣列為定制設計的模組；典型MLA的尺寸為11.4mm×10.7mm×3.0mm(圖4)。

該陣列是一組精密製造的微型透鏡或微透鏡。由於透鏡陣列是透過與半導體產業共用的製程製造的，因此MLA技術具有與矽晶片相同的成本和品質優勢。奈米級製造也意味著，微透鏡可精確成型並定位，而將單個銳聚焦圖像投射到離投影儀一定距離的表面。該表面可以是平坦、彎曲或任意形狀的表面，既可垂直於投影儀，也可傾斜。

透過微透鏡陣列投影圖像，可顯著減小光源和透鏡之間的焦距。這種投影儀的尺寸遠小於傳統單透鏡投影儀(圖5)。

MLA的工作原理是將多個版本的圖像投影在螢幕(查看圖像的表面)的同一位置。例如在由64個微透鏡組成的MLA中，所查看的圖像實際上是64個重疊的投影圖像。

此工作原理帶來了相當大的技術挑戰。即使是投影到平坦垂直的螢幕上，陣列內每個微透鏡從單個光源的折射角度都會略有不同。因此，微透鏡需要彼此微微偏置(圖6、7)。艾邁斯半導體使用專業軟體工具來計算每個微透鏡的光參數。但是，很重要的是，典型MLA的透鏡直徑約為0.8mm，焦距約為2mm，透鏡凹陷約為80µm，很明顯，在創建陣列特性時需要極高的精度。

利用該技術，可使用傳統半導體製造設備對光學陣列進行晶圓上製造。這反過來又允許大批量、經濟地製造光學元件。

微透鏡陣列需要精確設計並製造。但實施高效投影儀還需要仔細制訂整個元件的規範。例如，來自LED光源的光就需要小心控制，而由感測元件供應商所提供的專家指導可說明客戶正確指定引導光線進入陣列的準直透鏡。正確的準直能抑制透鏡中的光串擾，由此防止中央圖像周圍的重像投影。

為使基於MLA的投影儀開發汽車照片解決方案更完善，最好瞭解物理定律如何控制任何給定陣列都能投影的圖像的大小、解析度和亮度。例如，通量和可分辨點的數量要平衡；增加焦距會減小通量，但會增加最大圖元計數，反之亦然。在汽車設計中，空間有限，而增加投影儀的焦距會使整個組件更深，更難整合。

這就是為什麼汽車應用中MLA技術的解析度通常限制為300圖元×300圖元(QVGA)，例如，可投影公司標誌(圖8)。

任何給定MLA元件和圖像的照明區大小也有限制。照明區可透過並行安裝多個基於MLA的投影儀來擴展，即一個投影圖像的邊緣與另一個投影圖像相交。在這種情況下，必須為各投影儀的透鏡陣列創建單獨的滑動掩模，增加了投影儀系統的總成本。

這種多掩模投影儀系統可用於創建3D效果，其中不同部分的投影圖案在不同的觀察距離聚焦。

MLA技術應用潛力大

如今，此項MLA技術正批量投入道路照明應用，主要針對高級汽車。與此同時，汽車製造商目前正在探索微型投影儀系統的各種其他潛在應用。

此項MLA技術最吸引人的應用就是安全照明功能：透過後視鏡投影的轉向訊號或指導線，向人員說明駕駛即將進行轉向。

如上所述，MLA技術為小型化大燈帶來了可能性，同時顯著改進了波束控制和品質。艾邁斯半導體的投影照明路線圖也預測了新的功能，將大燈轉變成智慧、動態自我調整的照明源。例如，這可能意味著改變波束的形狀和範圍以回應車速和路況的變化。 在舒適度、便利性和品牌塑造方面，投影照明也將改變今天傳統的道路照明。圖8顯示了車廂內部照明的可能性，還可以看到微型投影儀嵌入在車頂內襯。在外部，光投影可能在行李箱底部的道路上顯示虛擬「按鈕」，使使用者能夠用腳「踩下」光按鈕來打開行李箱。

未來，汽車製造商期望在全新應用中實施投影照明技術，例如為自動駕駛汽車的外部提供照明。自動級別達到5級的車輛雖無需外部照明，但必須能夠被其他道路使用者和行人看到。這為獨特照明設計提供了發展空間，不僅可實現安全目標(清晰可見)，而且可形成獨特光學輪廓和圖案，增強汽車個性和獨特性。

MLA技術可能還可透過投影圖示，實現車輛到駕駛員、車輛到車輛以及車輛到行人的通訊。例如，支援MLA技術的大燈可在道路上投影斑馬線符號，表示駕駛給行人讓路。大燈被車輛的交通安全資訊系統觸發時，也可在駕駛前方的道路上顯示警告訊號。

MLA技術在車輛中的這些實際用例提供了新的照明應用，不僅用作照明，還用於通信、品牌塑造和個性化。儘管應用還不為人所熟知，但光學技術本身已經得到了驗證。艾邁斯半導體批量生產晶圓級光學元件和提供全封裝元件的能力在消費者設備上得到了證明，在汽車產業的微透鏡陣列中得到了證明。

汽車設計人員現在可以自信地為微型光投影儀開發已知應用和新應用，借助這項技術施展抱負。

透過感知道路、車輛和駕駛，這一些半導體廠商的感測器解決方案可以實現更高水準的電氣化、舒適度和自動駕駛，以獲得更安全、更智慧、更環保的駕駛體驗。

(本文作者為ams汽車部門PLS產品經理)