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DMD数字矩阵大灯介绍

DMD技术的数字矩阵式LED前照灯(以下简称DMD数字矩阵大灯),最大的亮点便是DMD技术的引入。它是英文digital micromirror device(数字微镜元件)的首字母缩写,特点便是内置的130万个微镜组成的芯片。它可以将整个前照灯划分出130万个发光区域,在1秒内完成5000次的明暗控制。简答来说,DMD数字矩阵大灯就是一个高精度的投影仪。

随着汽车互联,自动驾驶的兴起,汽车照明也在走向智能化,,车前大灯实现高清路面投影,在不久的将来会成为主流,甚至可能成为未来汽车的标配。正如常规投影仪能在屏幕上显示图片一样,DMD系统可以通过数百万的微镜面将光以符号的形式投影到路面,有助于提供开拓性的驾驶辅助以及与驾驶员的沟通,并能在各种驾驶情况下创造理想的光照条件。将道路使用者在夜间的驾车风险降至最低。作为整体智能驾驶策略的一个组成部分,DMD车灯将为改善道路交通安全做出重要贡献。

Section 1 已经量产的DMD车型

我们首先来看看已经量产的DMD车型。
2018 Maybach(全球第一款DMD车型)
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2020 奥迪 e-tron Sportback
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长城VV6+VV7 2019
(遗憾的是至今还没有见到实物)
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华人运通 HiPhi X
(2020.9月北京车展上市,2021年上半年交付)
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2020 奔驰 S-Class
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虽然现阶段全球才只有以上这5款装配有DMD的车型上市,但是DMD技术代表了汽车互联,自动驾驶的未来趋势,据市场准确消息披露,未来三年会有更多主机厂,更多全球的车型跟进,很显然这次国内的灯厂明显已经站在了DMD技术的前沿和制高点。

Section 2 DMD 可以实现的功能

对很多读者来说,可能很多人都是第一次听说DMD大灯,也比较纳闷DMD到底能实现什么功能,为什么DMD就能代表未来的趋势。要理解这个,我们必须先来看看DMD的一些显示示例。
(示例1:系统通过摄像头或者主机电脑BCM获取了道路情况后,输入给DMD,能够在前方投射出相应的转向标识。)   图片
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(示例2:当前方有行人出现时,车辆通过摄像头采集到了图像信息并识别出行人后,可以对行人进行防眩目照明,还能够投射出斑马线图标,提示行人通行。同样的,对于对向车辆,它也能够加以识别并且实现防眩目的功能。)
图片(示例3:当夜间行驶到比较狭窄的道路时,它能够在车前投射出车辆通过的宽度线,让驾驶员通过更安全便利。)
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图片(示例4:当系统探测到车速过快或者跟车距离太近时,可以将仪表盘内容或者警示符号投射到前方路面,从而完全替代HUD的效果。)    图片
图片(示例5:对于道路上的限速标志等交通信号,它也可以通过摄像头进行采集识别,然后投射到道路前方。)
以上只是例举了几个应用实例,实际上还可以有更多的应用,因此不能小看这种投影技术,它实现了驾驶员和道路信息的交互,从而能够将夜间和恶劣天气下的行车安全提升一大截,显著提高夜间开车的安全性。对道路交通安全会有着非常大的作用。
当然,新技术的应用首先必须符合所在国的法规框架,相应的,新技术也将带来法规上的更新和变化。DMD的图案必须经过法规部门的批准,过于复杂的图像是否会引起本车及路上其他车辆的驾驶员分心,从而产生安全隐患,也是目前业内在广泛讨论的一个话题。各国的法规订制部门将来也会对此出台相应的标准。

Section 3 DMD芯片的核心原理 

DMD技术的核心是DMD芯片,一个DMD可被简单描述成为一个半导体光开关,这个只有火柴盒大小的芯片上竟密密麻麻地排列了超过100万面小镜子,而且每个小镜子都可以独立向正负方向翻转一定角度,并可以每秒钟翻转50000次。光源通过这些小镜子反射到屏幕上直接形成图像。所以DLP投影技术抛弃了传统意义上的光学会聚,可以随意改变焦点,调整起来十分方便,而且其光学路径相当简单,体积更小。
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在过去的七年中,汽车行业一直执着于DMD技术的是戴姆勒公司。戴姆勒的汽车照明部门和德州仪器的开发部门共同研发了DMD的高分辨率大灯技术。在2018年CES上,德州仪器TI最新推出了专门针对汽车前照灯应用的DLP-5531Q1芯片组,能够控制130万像素的微光学镜,每个微光学镜都可以在+/-12°或+/-17°处硬停止。配备 +/-17°状态的最新款 TRP 微光学镜架构是一款更创新的扩展产品,因为它实现了以更小的 DMD来照亮更大的路面面积。
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在DMD芯片内,微光学镜是其最小的工作单位,也是影响其性能的关键。微光学镜的体积非常小,但是依然拥有不同于液晶的复杂机械结构——每块微光学镜都有独立的支撑架,并围绕铰接斜轴进行+/-12°或者+/-17°进行的偏转。对于微光学镜这种微型机械,传统的机械或是液压控制已无法使用(即使能够使用,也会由于机械磨损而迅速损坏),因此在微光学镜的两角布置了两个电极,通过电压控制控制偏转,获得了高精度的控制能力和无限的偏振寿命。
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只有DMD的芯片还不够,还必须匹配德州仪器的数字光处理控制器芯片(DLPC),这款DLPC芯片集成了一个带错误代码校正的嵌入式处理器,支持主机控制和实时反馈、片上诊断和系统监控功能。还包含SRAM和DRAM,以支持5000:1以上的高动态范围调光。
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除了DMD芯片和DLPC,整套系统还需要功率微控制器芯片(PMIC),PMIC芯片主要是用来系统管理和照明控制,PMIC芯片里包括DMD显示控制器,芯片组提供了支持并超过典型的5000:1显示器所需的所有功能。图片
整个DMD+DLPC+PMIC芯片组都由德州仪器独家提供,这三个芯片被设计为在DLP芯片组内协同工作。没有其它另外两个芯片,任何一个芯片都无法正常工作,TI限制了关于它们接口的信息,因此它们被视为一个不可分割的整体芯片组。这些芯片组可以适用恶劣的汽车环境,热循环,湿度和振动试验。
由此可见如果将来DMD得到大批量的应用,这项技术也有可能成为一个和华为手机芯片一样被美国随时掐脖子的高精尖技术。完整的DMD介绍视频请看:
DMD大灯的光学成像原理,可简单理解为仅使用白光的商用投影仪,其基本原理与投影仪并无本质区别。
DMD的光学反射镜有两种工作状态。反射到镜头时的打开状态和反射到光吸收器的关闭状态。在打开状态下,此时光能最大;关闭状态时,光能最低,理论上等于0。每个微镜下的存贮单元决定了微镜将要移动到的下一个状态。由DLPC芯片自动提供信号,并对微镜施加静电力,使其物理上移动到存贮单元指定的空间位置。每个微镜在每个视频帧中都会高速更新位置状态,以显示不同的灰度值。尽管DMD在任何给定的时间处于打开或者关闭状态,但人眼会把所有的帧整合成一幅完成的图像。
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当然,为了符合车规认证,特别是大灯中严苛的使用环境,从 DMD 器件到与之配合的光学系统均需要作设计优化。另外,大灯投影面为水平路面,投射距离越远,其投影图像的梯形畸变效应越明显,因此还需要作相应的图像算法校正。        图片

Section 4 DMD大灯应用实例

我们来看一下最新发布的奔驰 新S-class的大灯内部结构,可以清晰的看到大灯内部包含有3个led模块,广角近光模块+84像素模组+DMD模组。
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最内侧的DMD模组使用的是由马瑞利开发h-Digi模组,h-Digi是市场上第一个能够将光用作通讯工具的车灯模块。道路图像投影包括车辆指南、天气预警、限速变化、施工区域警告、行人的选择性照明以及人行横道符号。DMD技术不仅提高驾驶汽车时的安全性和舒适性,还将在半自动和自动驾驶汽车的开发中发挥不可或缺的作用。 在采用车辆与基础设施交互的技术时(V2I),h-Digi可以实现更强大的图像投影,同时增加传递的讯息类型。
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中间的为84像素远近光一体模块,顾名思义其内部一共有84颗LED,每颗可以独立点亮以控制照明分区。
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在DMD模组的配合下,84像素模组可以更加智能、更加精准地实现ADB的功能。当摄像头探测到照明区间里有其它车辆时,它会关闭前方车辆所在区域的光束形成阴影,并能随着距离的变化,将“阴影”不断调整,以确保不会对前方车辆产生眩目,实现智能防眩目功能。

最外侧的为广角远光模组,其作用可以简单理解为补偿DMD和84像素模组照不到的区域,主要是远离道路中心的道路两侧区域。

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3个模组合起来的光路图如下,广角近光模组(base light)覆盖近车距离的宽度部分,84 h-Digi 模组覆盖的是车正前方的远光区域,包含截止线附加的近光范围。DMD模组处于2个模组覆盖范围内的区域,协助84像素模组一起实现ADB的功能。
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有细心的读者肯定会问,既然DMD技术这么牛,为什么车灯里面不能只配一个DMD模块,其它2个led模组不是就可以省去了吗?其想法从技术上是可行的,但是现阶段要实现只配一个DMD模块显然有几个制约条件。
  • 第一个制约条件是光源。

与目前的商用投影仪类似,LED 和激光(Laser)均可作为DMD大灯的光源。
激光+DMD 的优势在于激光的强方向性,即便使用荧光粉转换白光,其出光孔仍可以做得非常小,可以减少系统体积。效率方面,激光能达到每瓦200流明,几乎是led的两倍。
从成本上,由于车用激光光源需要解决车用激光寿命,高温光衰,及直射人眼的安全隐患等所有问题。所以激光光源的成本很高(参考上一篇激光大灯的介绍),再加上DMD的成本,整个系统的价格可以说就是天价了。
因此主流DMD的配置还是以LED+DMD的方案为主, LED+DMD的优势在于技术比较成熟,亮度、效率等各主要参数也比较好。但是由于整个DMD光学系统的效率并不高,经过多次光学镜的折射反射,效率远远小于常规的透镜光学方案。如果要实现完整的近光+远光功能,Led光源的总功率最少需要大于150瓦,显然对现有整个DMD模块的尺寸和散热是个巨大的挑战。
  • 第二个局限为DMD大灯的照射面积。

目前的车规级 DMD 芯片投射角度有限,即便最新的DMD芯片微镜转动角度为+/-17°, 也仅为+/-10°X+/-5°的投影范围,适合近场小范围投射。除非将来有为大灯特殊定制的广角度 DMD 器件。目前要大幅拓宽 DMD 系统的图像范围(例如用投影的方式直接实现随动转向)可能只有增加额外的 DMD 器件或重新加入机械转动结构。前者会导致成本的大幅上升,后者则有违智能大灯数字化的发展趋势,重新增加了系统的复杂度和降低了可靠性。

  • 第三个局限为远近光的使用环境。

简单来说,近光的作用是为了实现车前道路近距离路面的照明,中间亮两侧稍暗,照明区域内不能有明显的暗区,截止线以上不能有使人眼眩目的杂光。远光的作用是为了实现高速情况下远距离的照明,同样中心亮,两侧暗,照射距离尽可能远。但是DMD的原理决定了出来的光基本上是均匀的,显然用一个DMD模块来实现远近光的全覆盖,对远离道路中央的区域是种浪费,既不符合道路使用者的需求,也不是一个具有性价比的选择。

“其实最大的局限为DMD的成本”
DMD芯片内有130万个芯片需要独立控制和调节,同时需要和外部环境进行实时的信息交互,系统成本很高。所以现阶段DMD的目的主要还是为了提高驾驶员安全性和舒适性,用来信息交互,同时协助实现驾驶辅助ADB的功能。要100%的实现远近光从技术上讲还有待时日,从成本上看也不具性价比。但是随着应用的广泛,DMD能够实现的功能也会越来越多。
总的说来,DMD技术是将光输出分开的减法系统,比保留光输出的矩阵像素技术系统效率低,而且与矩阵大灯和像素大灯相比,DMD产品的成本非常高,可以说是迄今最贵的车灯方案,另外DMD的核心芯片组还是德州仪器的IP,技术上受制于他人。因此各个车灯厂也在想尽一切办法来研究DMD的高性价比替代方案,现在替代方案已经有了初步的成果,样品已经在车厂测试过程中,预计2年内可以装配到新车上市。

——The End——

文章来源车灯研究院公众号

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