光场成像与三维光刻技术是MLA成像组件关键技术。一种单层微结构让成像照明部件超薄化，设计更灵活、用途更广泛。
在新一轮汽车、通讯、新型显示、光学安全和新材料等领域，微纳光学设计发挥着越来越重要的作用。宝马BMW公司在美国刚发布BMW-G45 X3全球款，应用了微透镜（MLA）成像技术[1]，参见下图，后视镜在地面上投影明亮图形，提升了汽车的“安全护栏”，彰显了品牌个性化。
后视镜MLA灯光投影
（来源：重磅！全新一代宝马X3正式来袭！）
汽车行业最重要的是让车内外人员更安全，在兼顾安全性和舒适度方面，汽车照明至关重要，在充份发挥“光”优势后，设计上要体现直观，在照亮夜间道路同时，车辆后视镜底部，投影出光毯（图形、纹理和logo），可增加行人安全，当打开车门，车门在地面投影出车辆logo标志，体现个性化[2]。美国新思Synopsys公司也宣传MLA成像的设计软件[3]。
投影在汽车旁边路面的图形
（来源：iStock.com/photostio）
在车用光学设计中，微透镜阵列（Microlens array，MLA）成像技术应用于logo投影照明，正逐渐渗透，无论Logo灯、方向灯或是其他造型灯具中，皆可看到MLA成像技术的身影。利用MLA的光场成像（Light-field imaging，LFI）技术，MLA成像组件可创造出多功能的图形照明系统，将聚焦后的纹理（图案）投影到路面或人行道上，使在离汽车较远的路面上投影出明亮图案。
典型MLA成像原理图如下。图中左边MLA层（浅黄色），将LED照明光线聚焦到微图文（MicroPattern Array，MPA）上（图中红色箭头）以提升光利用率，右边MLA层（浅蓝色）对中间MPA层形成远场成像，MPA处于右边MLA焦距外附近，其物距与微透镜的焦距决定了远场投影距离与放大率。
传统微透镜阵列MLA成像照明组件，由LED 光源、准直透镜、玻璃基板与两侧面的微透镜阵列MLA和含微图文阵列MPA光掩模组成，含有MPA光掩模处于MLA焦距外附近，MPA与MLA精确层叠对准，在远场形成明亮的放大图形。
MLA成像组件的结构与投影成像
在光学设计阶段，SVG-Metas设计软件能对MLA特性进行精细设计，生成矩形或蜂窝MLA，设计者可调整微透镜口径、矢高、周期和排列方式，为MLA投影成像器件提供更多便利[4-6]。通过设计MLA中微透镜形状和占空比等，可提高投影系统的集成度，实现聚焦、成像和光束变换功能。
不同形貌参数的MLA
数十微米~数毫米口径MLA模具，尤其是矩形微透镜阵列，可通过三维光刻工艺制备，占空比接近100%；典型 MLA参数：微透镜层厚为0.01mm~0.2mm，口径50微米~1mm，部件尺寸(10mmx10mm~15mmx300mm)x(0.1mm~3mm)薄膜/玻璃厚度。数百微米以上口径的MLA模具，也可用金刚石车床加工获得。通过套准纳米压印工艺，将微透镜阵列层精确复制到薄膜或玻璃表面，再切割成单个部件。
利用SVG-Metas光场成像（light-field imaging，LFI）算法软件，根据投影距离与图形大小，垂直或倾斜投影，定义微透镜阵列焦距、薄膜或玻璃厚度，可高效地设计MPA分布参数[4-5]。将生成图形CAD文档导入软件中，计算在掩模板上微图形MPA分布，通过光线追迹与逆向成像功能，追踪到掩模平面光线数据，最终获得微图文阵列（MPA）数据，导出数据到三维光刻系统，制成光掩模，典型MPA线宽>1微米。软件支持复杂投影图形、logo的精密设计，参见下图。
光掩模 MPA计算
MLA和MPA三维光刻制备
新方案
无对准、无微透镜的超薄成像照明
上述传统方法必须确保MLA与MPA高精度对准，这对投影图形成像品质至关重要。新方案利用光场成像LFI“共轭算法”（自定义光场属性，构建光场重构新范式），以拟投影图形做为“目标光场”，逆向计算光波前的相位分布，通过数字化三维光刻技术，将相位分布数据转变成“单层微纳结构形貌”，在远场投影出所需要图形。参见下图，单层微纳结构形貌SEM。
LED照明下，单层微结构形成投影成像视频，表明了新方案不用微透镜和光掩模板，也无需对准，可实现远场投影照明，除LED光源外，厚度降低到数百微米。
单层微结构的远场投影成像
SVG-LFI算法软件，根据所需的照明目标，支持在任意投影面上的空间图形成像的设计，逆向计算单层微结构分布，最终制造出超薄、远距离、多图像的投影照明组件。新方案降低了制造和使用成本，为投影成像组件的设计和运用，提供更多灵活性。由于投影照明器件超薄化，可内置在车身或需要图形化照明的任何部件中。
无论被投影表面是垂直或倾斜于照明光线，设计上都可通过光场计算，都可让超薄成像组件将聚焦图形清晰地投射到表面上，为更轻巧照明部件，提供了更灵活的解决方案。
与MLA成像技术相比，超薄成像照明方案，将在汽车投影照明和应用中扮演着重要的角色。如标志投影或光毯灯、投影灯条等，通过单层结构投影图标，制造成本更低、设计更灵活，实现车辆到驾驶员、车辆到车辆以及车辆到行人的通信，让照明有更多应用范围和光影艺术性。
路面投影光毯(来源：Driving Vision News 2022）
当车辆检测到车钥匙靠近时，从门缝下投影道路照明可显示该车型或品牌图案。这一功能既方便又安全，照亮了用户上车必须经过的路面。
通过后视镜投影在路上的转向信号为行人、骑行者和其他路人提供了驾驶员要转弯的高度可见指示，提高了道路安全性。
嵌入在车顶内衬、搁脚空间车厢和汽车尾部图形照明，提高了驾驶员、乘客与行使中的安全性与便利性，营造专属于该汽车品牌的安全环境。
新一代全球款BMW-X3交互光带
（来源：重磅！全新一代宝马X3正式来袭！）
超薄成像照明技术，为设计者创造出丰富的动态艺术光毯图形提供了选择性，让道路以及车内照明的应用，更具灵活性和艺术性。
随着microOLED分辨率提高，超薄成像照明技术，可以实现环境自适应的汽车光影照明。
超薄成像技术与智能手表结合，形成“悬空成像智能手表”，也可用于文博、展示、立体透明显示。
参考文献
1.重磅！全新一代宝马X3正式来袭，海量官图+视频一次看个够！
2. 玩出花！汽车投影照明新玩法背后的MLA微透镜阵列技术 - 智能汽车资源网 (smartautoclub.com)
3. 不仅仅是照明：微透镜阵列如何让汽车照明成为道路光影艺术？(qq.com)
4. More than metasurface｜改变算法策略，叩开光子器件研究的新窗口
5. 让万物表面皆呈3D效果？应用展望
6. 软件定义|数字化光刻：迈向多维化与智能化（三） (qq.com)
原文始发于微信公众号（苏大维格）：超薄成像技术，让汽车照明成为“光影艺术”
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