基于逆反射空中成像与菲涅尔透镜的长距离户外空中LED显示屏技术研究

《iEnergy》：Long-Distance Aerial LED Signage for Outdoor Use With AIRR Optics Utilizing a Fresnel Lens

　　本文针对户外数字标牌在交通信息显示中亮度不足的难题，研究了一种基于逆反射空中成像（AIRR）结合菲涅尔透镜的长距离空中显示系统。通过开发具有优化配光角度（θ=25°）的子弹型LED光源，成功实现了亮度超过1600 cd/m2的空中图像，户外实验证实其可在100米距离内裸眼可视。该技术为交通基础设施提供了无物理接触、高可见度的新型信息显示方案，显著提升了驾驶安全性和信息传递效率。

　　

在智慧交通和增强现实技术快速发展的背景下，传统交通信息显示方式面临严峻挑战。常规的可变信息标志通常安装在道路上方或路侧，存在容易被遮挡、维护风险高（如坠落事故）等问题。更关键的是，户外环境下的强光照条件对显示设备的亮度提出了极高要求——日本道路标准规定红色标识需达到1600 cd/m2以上，而现有空中显示技术难以满足这一标准。为此，研究团队将目光投向了一种能够实现在空气中形成真实图像的技术：逆反射空中成像（Aerial Imaging by Retro-reflection, AIRR）。这种技术通过光束分离器、逆反射镜等光学元件，使光线在空气中汇聚成像，无需物理屏幕即可实现"悬浮"显示效果，特别适合需要高警示性的交通场景（如防止逆行警告）。

为了突破亮度瓶颈，研究团队创新性地将菲涅尔透镜引入AIRR光学系统。菲涅尔透镜具有大孔径、薄厚度的特点，能够有效缩小光学系统体积。如图2所示，新系统将LED光源置于菲涅尔透镜焦距内，首先形成放大的虚像，再以此虚像作为AIRR系统的光源，最终在距离光束分离器3.7米处形成空中实像。理论计算表明，当光源距透镜800mm（a=800mm），透镜焦距1200mm（f=1200mm）时，虚像距透镜2400mm（b=2400mm），放大倍率达3倍（β=3）。

关键技术方法包括：1）基于菲涅尔透镜的虚像放大光学设计，通过透镜方程（1/a-1/b=1/f）精确控制成像位置；2）开发专用子弹型LED光源（直径5mm），优化光分布角（半值角θ从15°至25°进行对比测试）；3）采用光学透过式AIRR配置，实现长距离（最远100米）空中成像；4）使用成像亮度计（Prometric Y-29）进行亮度量化评估；5）通过人工太阳光源（色温5500K）模拟西晒环境，评估环境对比度（ACR）。

光学系统构建与亮度优化

通过理论模型分析光线经菲涅尔透镜传输后的角度变化（公式：φ=φ_L+φ_R），发现空中图像的光分布角比光源更窄。实验比较不同光分布角（15°、20°、25°）LED的成像效果，结果显示θ=25°时光源可实现均匀显示（图9），而较窄角度（15°）会导致亮度不均。通过增大LED芯片尺寸（500μm×500μm）并提高驱动电流（最高100mA），最终使空中图像平均亮度达到2860 cd/m2，远超户外使用标准。

户外可视性验证

在晴天条件下（水平照度约50000 lx）进行户外实验，设置不同驱动电流（0.78A、1.95A、3.90A）对应空中图像亮度分别为700 cd/m2、1480 cd/m2、2860 cd/m2。如图13所示，所有亮度水平的空中图像在100米距离内均清晰可见，且亮度越高对比度越好。值得注意的是，户外环境比室内更容易产生"悬浮感"，这可能与背景可见度增强有关。

西晒环境影响评估

通过人工太阳光源模拟西晒环境（入射角约5°，垂直照度600 lx），测试不同背景（黑/白屏幕）下的显示效果。如图16所示，即使在西晒条件下空中图像仍保持可视。环境对比度（ACR）测量结果显示，黑色背景下的对比度是白色背景的约3倍（图17），证实背景选择对可视性有显著影响。

研究证实，通过优化LED光源配光角度（θ=25°）和提高驱动电流，可成功实现符合户外亮度标准（≥1600 cd/m2）的空中显示。户外实验证明该系统在100米距离内具有良好可视性，且西晒环境下的显示性能优于传统物理显示屏。未来研究需重点解决组件耐候性（如抗风防雨涂层）、全彩显示实现方案以及光学系统效率提升等问题。该技术为交通信息显示提供了新的解决方案，特别是针对错误方向驾驶预警等安全应用场景具有重要价值。