發(fā)布時(shí)間:2021-12-10
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原文:《Color Analysis on the Edges of MLA Projected Pattern》
作者:Yiyu CAO and OSRAM Group
編譯:趙晨堯 郭雨欣
指導(dǎo):林燕丹
汽車光毯可以給用戶一種前所未有的現(xiàn)代體驗(yàn),通過在地面上創(chuàng)造奇特的照度圖案是當(dāng)今的新趨勢(shì)。用于投影的MLA投影芯片極小,薄到可以安裝在汽車底盤下,其通常不需要特殊的消色差方法,仍然能產(chǎn)生沒有可見色邊的圖像。本文介紹了一種MLA投影邊緣的顏色分析方法、顏色問題的診斷和該方法的推廣應(yīng)用,便于讀者更好地了解MLA投影。
一、MLA投影
想象一下,當(dāng)你走向你的車時(shí),它逐漸展開它的“翅膀”來迎接你。在你走進(jìn)車?yán)镏?,一塊純光幕地毯鋪在你面前,就好像你即將在銀河上漫步。這是一個(gè)古老而遙遠(yuǎn)的童話幻想,或者是一種前所未有的現(xiàn)代體驗(yàn)。事實(shí)上,產(chǎn)生光毯的MLA投影芯片只有1平方厘米大小,薄到可以安裝在汽車底盤下。在實(shí)際應(yīng)用中,光源是完全不可見的。似乎光幕完全是憑空出現(xiàn)的。
MlA是微透鏡陣列的縮寫。這是一種汽車投影應(yīng)用的新技術(shù)。與傳統(tǒng)的投影單元相比,MLA技術(shù)具有小型化、明亮化、照度銳利化、穩(wěn)定性好等特點(diǎn),尤其適用于淺角度和大面積的投影。
(1)小型化
投影系統(tǒng)通常由以下部分組成: 光源、準(zhǔn)直器、聚光器、掩模層和投影透鏡。MLA鏡頭只使用了一塊3毫米厚的組件,組成集中器,掩膜層和投影鏡頭。即使使用較厚的準(zhǔn)直器和LED光源,總厚度也可控制在20毫米以下。
(2)明亮的
MLA投影芯片采用了WLO(晶圓級(jí)光學(xué))技術(shù)。對(duì)于WLO來說,與傳統(tǒng)的相似尺寸技術(shù)相比,由于其多通道陣列設(shè)計(jì),它很容易使亮度水平增加幾倍。
(3)銳照度
與傳統(tǒng)方法不同的是,MLA由于每個(gè)微透鏡的瞳孔較小,所以它具有超長焦深和銳投影的特點(diǎn)。與傳統(tǒng)的大尺寸聚焦鏡頭相比,具有相同光學(xué)結(jié)構(gòu)的MLA可以成比例地減小光行差。對(duì)于同樣的圖像清晰度要求,焦深也可以很長。由于這種大深度的聚焦特性,MLA可以在大范圍的聚焦距離中投射出清晰的圖案。特別適合于淺角度和大面積的投影。
二、白色MLA投影的應(yīng)用
由于上述優(yōu)點(diǎn),安裝在汽車上的MLA投影具有多種可能的應(yīng)用方向: 如前后轉(zhuǎn)換燈投影、標(biāo)志燈投影、大氣燈投影、吸頂燈投影等,甚至頭燈的投影也是可能的。
當(dāng)然,在目前的車用場景中,極為成熟和寬泛使用的,是迎賓輕地毯的應(yīng)用,特別是白光迎賓輕地毯的使用。
這就引出了一個(gè)需要詳細(xì)闡述的問題,即在白地毯燈投影的應(yīng)用中如何消除色差。
三、白色投影邊緣的顏色分析
(1)白色投影的一般模式
由于白光不是單色光,而是光譜范圍很廣,所以當(dāng)白光穿過玻璃或塑料時(shí),通常會(huì)有相當(dāng)大的色散。例如,當(dāng)一束白光準(zhǔn)直到棱鏡上時(shí),就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)類似彩虹的光譜。對(duì)于波長較短、頻率較高的光,折射角較大,對(duì)于長波長和低頻率的光,折射角會(huì)變小。
對(duì)于傳統(tǒng)的光學(xué)成像鏡頭,為了消除這種色差,通常需要采用消色差設(shè)計(jì),將高色散和低色散的玻璃材料結(jié)合在一起,以補(bǔ)償折射差。
白色汽車地毯燈的著色問題一般是關(guān)于明亮區(qū)域如何轉(zhuǎn)移到暗區(qū)域,而中間沒有可見的色暈。
(2)白色邊緣的顏色分析
將光源的光譜設(shè)置為普通的白光LED(發(fā)光二極管)光譜,光譜通常由一個(gè)藍(lán)色泵浦部分和一個(gè)黃色熒光粉部分組成(圖1)。對(duì)于大多數(shù)塑料或玻璃來說,較短波長的光線會(huì)被折射到較大的角度,而較長波長的光線會(huì)被折射到較小的角度(圖2)。
圖1 典型白光LED的光譜
圖2 典型塑性指數(shù)曲線
設(shè)波長的折射率為n(λ),n為折射率,λ為波長,折射角為θi,出射角為θo,當(dāng)很小時(shí),θ≈sin(θ),因此Snell定律sin(θo)= n(λ),sin(θi)可以被定義為:
當(dāng)光線穿過塑料到空氣時(shí),方向?qū)?huì)變?yōu)椋?
假設(shè)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)單波長 λc = 555nm 時(shí)是理想系統(tǒng),投影機(jī)垂直投射光到屏幕(θg (λc) = 0) ,投影機(jī)到地面的距離設(shè)置為L,遠(yuǎn)大于d。當(dāng)掩模中的一個(gè)點(diǎn)在軸上投影到地面時(shí),λc在地面上的位置也在軸上(圖3)。在一定的孔徑位置d,存在一定的孔徑角 θa (d) = d/f。利用λc條件得到下列方程: (注意θa和θi不隨λ變化):
圖3當(dāng)λc = 555nm時(shí),光從原點(diǎn)出發(fā)在原點(diǎn)結(jié)束
讓我們仔細(xì)看看地面上的黑白邊緣特征。對(duì)于地面上的位置向量 p,可以分為與邊緣平行的分量 h 和垂直于邊緣 t 的分量 t,因?yàn)檫吘壧卣餮刂?h 擴(kuò)展,所以邊緣(t)是邊緣渡越區(qū)域的關(guān)鍵。
從(3)和(4),我們可以得到θa和θi的關(guān)系:
從(5)和(2),我們有:
對(duì)于波長 λ,在某個(gè)光圈位置d,到原點(diǎn)的投影距離是:
對(duì)于某一波長 λ ≠ λc,其投影圖案穿過整個(gè)孔徑,在地面上呈均分布的圓形。形狀R的半徑是 θa(d)取比較大abs值θa max (d) :
圖4 位置向量P在地面上,與邊緣H平行,垂直于邊緣T
讓我們仔細(xì)看看地面上的黑白邊緣特征。對(duì)于地面上的位置向量 P,可以分為與邊緣平行的分量 H和垂直于邊緣的分量T,因?yàn)檫吘壧卣餮刂鳫擴(kuò)展,所以邊緣T是邊緣渡越區(qū)域的關(guān)鍵。
對(duì)于假定的理想光學(xué)系統(tǒng),掩模上的中心點(diǎn),通過光圈,E (λ)在距邊緣距離為T的所有位置上的貢獻(xiàn)部分是:
Spec(λ)是LED光源光譜(圖1)
以上是單個(gè)波長 λ 的光分布。另一方面,對(duì)于單個(gè)距離T,我們可以發(fā)現(xiàn)許多 λ 的影響,它們對(duì)這個(gè)距離T形成一個(gè)譜。例如:當(dāng)L = 1000mm,θa max = 9,T = 1mm,它的光譜如下:
圖5 T=1mm時(shí)的光譜
讓我們計(jì)算地面上這些點(diǎn)的光譜分布,t = [-4,-3.5,-3,-2.5,-2,-1,5,-1,-0.5,0,0.5,1,1.5,2,2.5,3,3.5,4]。用它們的光譜乘以 Vλ (人類光學(xué)靈敏度的明視曲線) ,得到它們的照度水平,看看在距離T處的亮度水平,它們是如下圖所示:
圖6 掩模側(cè)原點(diǎn)的照度亮度高于T
與遮罩上的黑白邊緣一樣,地面上的圖案將是上述位置光譜與黑白過渡輪廓(沿T方向)的卷積:
圖7 黑白輪廓及上述輪廓的卷積
圖8 過渡邊緣T上方的正常亮度
如果取20% ー80% 的亮度范圍,渡越長度小于0.5 mm,即使在10% ー90% 的亮度范圍內(nèi),渡越長度也小于1 mm。對(duì)于這樣一個(gè)長度的特征變化,假設(shè)觀察者的眼睛處于1.5米的高度和向下45度的傾斜角度,那么1毫米的長度就是 < 0.03度,要確定這么小的長度是非常困難的。
當(dāng)所有的 x,y,z 色通道都被計(jì)算出來的時(shí)候,沿著正常線的顏色分布是:
圖9 在過渡邊緣T上的 yxy 色坐標(biāo)
圖10是計(jì)算和繪制的可視化RGB顏色。從理論上講,在這個(gè)特征的極邊緣會(huì)出現(xiàn)一次從綠色到紫色的過渡。綠色面積是如此狹窄,它將很容易消除的畸變和公差,因此它將很難看起來在實(shí)際應(yīng)用。
圖10 可視化RGB顏色
從邊緣到左邊明亮的一面,它將是一點(diǎn)點(diǎn)黃色的趨勢(shì),然后成為完全白色的顏色的LED源。從邊緣到右邊的黑暗面,應(yīng)該是紫色和深藍(lán)色,但很快就會(huì)變得太黑,看不到任何顏色。
四、結(jié)論
MLA作為新型投影照明解決方案的一部,分生產(chǎn)的車用地毯燈投影具有小型化、高亮度、高清晰度和高可靠性等顯赫優(yōu)點(diǎn)。通過理論計(jì)算,一般使用時(shí),特征邊緣的顏色變化不明顯。