Optical Design and Optimization of Adaptive Automobile Headlight with Liquid Optical Element and Freeform

[[abstract]]自1995 年光機電整合系統及數位影像系統的快速發展，使的傳統光電產業也逐漸邁向數位化、微 機電整合及人工智慧，然而針對車燈之光學設計中，現階段主要以投射式車燈和多重反射式車燈設計 居多。近幾年來，基於駕駛者安全性的考量主動式轉向車燈也漸漸成為車燈設計主流。而本研究主要 創新(1)自由曲面光學設計技術.(2)微機電元件技術.(3)人眼視光學鑑別技術.(4)人工智慧同步最佳化技 術，推出全新概念的光學同步主動轉向式車燈，該車燈不需擋光板就可以合乎法規規範。大幅提高光 效率，以改進現今機械式主動式轉向車燈的缺點，並兼顧節能、縮小體積的考慮也相對能使駕駛安全 性大幅提昇。其基礎設計概念請參閱 “Optical design of automotive headlight system incorporating digital micromirror device, ” APPLIED OPTICS, Vol. 49 No. 22(SCI), 2010,pp.4182~4187，而該文章部分被採用為 封面。 本計劃有五大預期重大成就︰ (1)整體積縮小達30%。(2)轉向式投射不需機械動作，同步無時差。(3)光無遮擋，提升率可達40%光效 率。(4)配合人眼及GPS(Global Positioning System)，安全性提昇許多;(有待夜間麋鹿測試)。(5)投影機 廠可以代工製作，成本降低約可達40%;(看量K 數/月而定)。 本計劃第一年︰先進LED 車燈光學設計及LED 檢測設計之最佳化研究 ，主要方向分別進行主動式 車燈架構之光學設計和LED 光源模擬設計測試， 1.車燈架構部份主要以自由曲面之光學設計為重心， 它是種非對稱的球面，可大幅減少光學元件的使用量，來提高整體光效率且符合法規。2. 主要整體核 心將以DMD(Digital Micro-Mirror Device)應用於車燈光形控制，且充分利用DMD 快速來回擺動的特性 設計出遠近燈轉向，針對各種特殊路況並同步光形最佳化。3.針對LED 進行光學設計及測試，而LED 之所以被看好，原因在於有以下幾個優點：1、反應時間短 2、省電節能 3、使用壽命長 4、應用範圍 廣 5、顏色可調配 6、安全環保。將會搭配光學模擬軟體來進行測試，而測試的項目則分別進行裸晶 及封裝後的LED 光通量大小、光強分佈、出光角度及色溫的範圍與分佈。且搭配著歐式車燈法規範模 擬各式的光形和亮度之最佳化，預計該研究將設計以純光學而不需機械轉動、高效率、體積小的新型 車燈。 本計劃第二年︰人眼視覺之最佳化研究，由於本實驗室多年來在人眼之光學設計研究，也有相當之研 究成果，其發表五篇SCI 國際論文。因此在本計劃中特別針對車燈對於人眼視覺這部份做進一步的研 究分析，並根據實驗分析結果和建議安全規範，使車燈達到人眼視覺之安全性最佳化。本年度預定計 劃可分為以下幾點：1. 車燈之轉向與駕駛者的視覺感官之感測及最佳化。 2. 車燈之轉向與行人和對 向的駕駛員視覺感官之感測及最佳化。3. 在各種環境和氣候車頭燈對人眼視覺之感測及最佳化。預計 該設計將會大幅增進行車之安全性。 本計劃第三年︰整合DMD(Digital Mirror Device)與紅外感測及GPS(Global Positioning System)定位 系統之最佳化研究 主要是以撰寫程式和資料庫擷取方式輔佐LED 主動式車燈之光學整合設計。依據 車燈法規的規範，並結合著第一年之車燈光學架構設計最佳化資料及第二年人眼辨識之最佳化資料， 一併整合至演算法和資料庫中。以程式擷取方式針對路況和人眼視覺不同狀態之問題做同步的校正， 本年度計劃預計也將搭配1.紅外夜視感測應用(DMD 搭配著夜視攝影機) 2. GPS 應用(DMD 搭配著GPS 定位)3.DMD 搭合著(60%GPS 定位及40%夜視攝影機)。與DMD 整合化之光學設計且針對路況不同的 狀態並快速從資料庫中對應不同之投射方式讓駕駛者於夜間駕駛安全性考量提到最高，且大幅降低夜 間行車事故之可能性。[[abstract]]This research proposed a new optical design concept of advanced Mechanical Adaptive Steering Automobile Headlight System in order to tune up light efficiency, reduce volumetric size and the most important, get rid of complicated mechanical system. All research are mainly focus on (1) Optical Design of Freefrom Surface technology.(2) Image technology of DMD . (3) Human Vision characteristic .(4) Digital Signal Processing and its application with GPS Traditionally Automotive headlight employ a plate to create the light shape, which meet the rule of road safety, According to our new design, no more plate is required. Therefore, great improvement of light efficiency will be expected up to 30%, Besides, volumetric size will be further reduced. More details, please refer to “Optical design of automotive headlight system incorporating digital micromirror device, ” APPLIED OPTICS, Vol. 49 No. 22(SCI), 2010,pp.4182~4187” . First year, we mainly study optical design of advanced LED automotive headlight design and optimization with assistance of freefrom surface. New concept of optical design with DMD might greatly reduce volumetric size of headlight system, In second year, individual human vision characteristic will be considered as a part of automotive headlight system in my research in order to improve safety of road drive. Many experimental work and simulation analysis will be studied and compared in order to achieve best performance of automotive headlight system according to human vision. In third year, GPS will be optimized with DMD and infrared image from cameras in the car in order to achieve best performance during extremely driving situation. All are based on research of first and second year, optical design and human vision characteristic. With assistance of GPS and night vision camera, all road data will be fast optimized according to human characteristic of individual driver. Then DMD will deliver the best-projected illumination for driver during extremely situation.[[note]]NSC101-2221-E327-031-MY