【技术文章】汽车内饰的先进光学特性实现高质量视觉效果

原文：《Advanced Optical Characterization of Automotive Interior Materials for Premium Visual Quality》[1]

作者：S.Reichel, K.Blankenbacha, K.Koopa, F.Najibaa, M.Ulricha, F.Hertlein

简介：未来拥有（半）自动驾驶的汽车能够更多地使用具有特殊视觉效果的内部照明。这也涉及到由RGB LED照明或背光的内部材料，如塑料、木材、金属。本研究从亮度成像仪上进行了3D BRDF测量，并将其与传统的测角仪进行了比较。对37名受试者进行的透反材料感知测试表明，对于“令人愉快”（不令人烦恼）的强度，背光强度的宽度很窄。这种基本的光学检查能够为未来的车辆提供特殊的视觉效果。

关键词：luminance imager, goniophotometer, scattering, BDSF, BRDF, visual effects, LED, automotive

编译：复旦大学林燕丹课题组 曹君勤

指导：林燕丹

未来拥有（半）自动驾驶的汽车能够更多地使用车载显示器和具有特殊视觉效果的内部照明。这也涉及到内部材料，这些材料由RGB LED照明或背光（见图1）。针对高级室内照明的高级视觉人体工程学，需要对当今和未来的室内材料有更多的了解。尤其是半透明材料具有挑战性。例如，仪表板上的日光可读警告。这些评估需要新的光学测量方法，这带来了新的挑战。

图1 具有直接照明光导和“像素光”的内部照明愿景

介绍的工作将检查不同的车内材料，如皮革、棉质塑料、木材和金属。所有这些材料由于其材料特性而对光的反射不同。此外，所有材料都有不同的表面结构，这将影响表面光散射，从而影响视觉感知。此外，当组合日光和背光以获得一定的透明度（透射、小孔等）时，它们的特性取决于许多参数。因此，有必要用适当的测量方法来表征这些内部材料的光学性质。

成功评估不同的方法：反射率为BRDF（或更通用的BSDF），透射/反射为带光源和亮度成像器的装置。将亮度成像仪的3D BRDF结果与传统的测角仪进行比较：该成像仪精度较低，但只需几分钟而不是几小时即可得出结果。

汽车内部照明的一个重要步骤是通过1000个RGB LED，为自动驾驶和机器人汽车提供精心安排的效果和客厅感觉。从少数单色LED到今天的汽车是一个巨大的进步。图l显示了未来汽车高端内部照明的示例愿景[2]。在[2]中，使用测试装置来评估日光条件下的室内照明感知，如图2所示。在三个不同的水平（1000 lx、2700 lx和6000 lx）调节照度。

图2 背光表面（此处为蓝光）和可变日光条件的评估实体模型

图2中试验表面在亮度、颜色、感知和照度等不同条件下对结构化背光表面进行了测试。在我们的论文中，研究了不同结构或粗糙的表面。

图3 通过天花板光源对具有可变背光和照度的结构化表面进行测试

使用图3所示的测试方法，一项有37名参与者的用户研究显示，白光的结果如下（还评估了其他颜色）：

1. 照明（E，通过照度计）越亮，被感知为令人愉快的亮（L_Backlight）就越高。

2. 对于所有照明水平（E），白光的感知几乎线性地从令人愉快变为令人讨厌（令人不安、烦恼）。

3. 白光照明（E）越亮，测试人员判断为愉快感知的亮度水平（L）就越宽。因此，应通过HMI系统中的“照明设置”单独调整一系列车的背光照度。

目标测量并比较不同结构表面的反射特性，作为未来测试的基础，如[2]所述。测试的表面采用了非常不同的汽车内饰材料，表现出不同的粗糙度和结构，因此散射光的方式也不同。

1、BSDF描述的表面光散射

完美光滑的表面可以反射和折射光线。在图4中，光以一定角度入射，然后以一定角度反射，表面非常光滑。

图4 光入射在一个完全光滑（镜像）的表面上（左）

如图4所示，光以φ_in=φ_R的角度反射，这是反射定律。这意味着，绘制反射光与角度的关系图只会在角度φ_R处产生测量的光功率。这种行为被称为镜面反射。如果表面粗糙，情况会发生变化。图5显示了这样一个粗糙的表面（不规则表面）。在粗糙表面的情况下，光会散射。光被漫反射，即在宽角度范围内散射。因此，绘制散射光功率与角度的关系会得到更宽的曲线。

图5 入射在粗糙表面（左）上的光，将光散射到所有方向

表面光散射引起的光分布通常用双向散射分布函数（简称BSDF[3]）来描述。术语“双向”表示该量取决于入射光方向和散射光方向。BSDF由“散射表面辐射Lscat”与“入射表面辐射Ein”之比定义。通过测量散射功率与角度的关系和测量入射功率（仅一次）来确定BSDF。还必须计算测量散射功率的探测器的立体角。

图6 光散射的几何和术语

2、BSDF测量的测量方法

BSDF可以通过各种方法进行测量。这里我们使用两种方法：亮度成像仪和传统的角度光度计。亮度成像仪通过“单次拍摄”测量漫射屏幕上的光分布，因此测量BSDF的速度非常快。测角仪速度慢得多，但更准确。

用于测量BSDF的亮度成像仪是德国INSTRUMENT SYSTEMS的LumiCam 1300，具有很高的灵活性，因此适用于不同的测量任务。光圈和焦点可以针对不同的测量距离和不同的图像大小（视场）进行调整。一些规格和特性如下：相机分辨率1370×1020（像素，水平×垂直）；可以测量辐射、对比度和辐射强度；颜色测量，如颜色坐标、颜色饱和度或主波长。

测量设置如图7所示，其中来自光源的光照射到安装在45°下的被测器件（DUT-将是散射表面），并且来自DUT表面的散射光散射在观察屏幕（散射屏幕）上。相机测量漫反射屏幕相对位置的光分布。

图7 亮度成像仪（LumiCam）的设置

被测器件（DUT）安装在45度以下，并将光源发出的光重新引导至散射屏，散射屏用作观察屏（左）。右图：几何图形的详细视图：与45°的中心光线相比，角度为γL/R的光线与屏幕的距离更长。

评估的材料是白纸（仅用于测试目的）和白色皮革。两种材料的图片如图8所示。

图8 这项工作中检查的材料：白纸（左）和白皮（右）

1、使用亮度成像仪的测量结果

使用亮度成像仪的测量速度很快，包括软件调整只需几分钟。它自动测量3D BSDF与散射角α的关系，见图9。请注意，亮度与BSDF成正比，因此它是BSDF（或BRDF）的度量。

图9 使用亮度成像仪的白皮的3D BSDF测量结果

在图9中，全宽半最大宽度为135°其接近具有120°的全宽半最大宽度的朗伯散射表面的理想cos形状。这样的结果自动为白纸和白皮生成亮度成像器。为了进行更舒适的比较，我们显示了角度α=0°的结果。白色皮革[cosγ_L/R]²校正后的结果如图10所示。

图10 使用亮度成像仪和我们的测量设置对α=0的白色皮革的2D BSDF测量结果。对测量值进行[cosγ_L/R]²校正。

在图10中可以看出，与白纸相比，皮革具有更多的定向散射行为（峰值在10°处）。这是由于白色皮革的表面结构。皮革也具有更高的反射率，因此亮度值与白纸一样高。原因是我们的白色皮革表面光滑。在我们的测量中，白色皮革的半高宽为Δφ_FWHM=45°，表明了定向光散射行为。

2、使用角度光度计的测量结果

如上所述，角度光度计通过平面内测量来测量相同的两种材料。结果如图11所示，测量散射功率与BSDF成正比，带有跨阻抗放大器的光电二极管测量散射功率并将结果显示为电压。

图11 使用测角仪对白纸和白皮进行的平面内BSDF测量结果

参见图11，现在可以更清楚地看到，与白纸相比，皮革在+10°到+30°左右具有更定向的散射行为。白皮具有余弦形状，因为它的行为类似于朗伯源。在我们的测量中，白纸的全宽半最大宽度为Δφ_FWHM=127°，与理论的120°非常吻合。相比之下，白皮的全宽半最大宽度为Δφ_FWHM=76°，显示了定向光散射行为。皮革也具有更高的反射率，因此电压值与白纸一样高，原因是我们的白色皮革表面光滑。测量结果仍然存在一些噪声，这些噪声源于跨阻抗放大器和低信号，因为测角仪的臂长为500毫米。更高的功率源可以克服这一点，但更高功率的激光源对应于更高的激光安全等级，这是不可取的。因此，基于这些结果的低噪声跨阻抗放大器正在开发中。

这里提出了两种不同的测量方法来测量BSDF（或BRDF）。本文测量并比较了不同结构表面的反射特性，作为未来测试的基础，如[1]中的汽车内部照明应用。第一种测量方法使用快速的亮度成像器，并测量3D BDSF功能。为了进行比较，检查了白皮的平面内结果。第二种测量方法使用角度计。白皮的测量结果显示出定向光散射行为，亮度成像仪显示出相同的特性，白皮全宽-半高宽比白纸窄，两种测量方法都获得了这样的结果。Δφ_FWHM的值不同，但使用亮度成像仪改进几何设置后，可以缩小这一差距。本文中测量的BSDF使光学设计软件能够模拟和设计室内照明，并在和夜晚白天为不同的室内材料（半透明和/或反射）提供特殊的视觉效果。

文献来源：

[1]S.Reichel, K.Blankenbacha, K.Koopa, F.Najibaa, M.Ulricha, F.Hertlein, Advanced Optical Characterization of Automotive Interior Materials for Premium Visual Quality, Proceedings of SPIE, 113021V (2020).

[2] Blankenbach, K., Hertlein, F., Hoffmann, S., Advances in Automotive Interior Lighting, SID Int. Symp. 2019, Digest Tech. Papers, ISSN 2154-6738, 176-179 (2019).

[3] Stover, J., Optical Scattering Measurement and Analysis, 3rd edition, SPIE Press, Bellingham (2012).

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