自適應遠光系統的光學設計與測試

鄧 亮，吳 杰，豐建芬，薛蔚平，王金磊

(1.南京大學電子科學與技術博士后流動站，江蘇南京 210093；2.常州星宇車燈股份有限公司，江蘇常州 213000)

引言

相關調查顯示，一些重大事故發生在照明條件惡劣的路段[1]。眩光是指由于光亮度的分布或范圍不適當或對比度太強，引起不舒適感或分辨細節或物體的能力減弱的視覺條件[2]。傳統汽車前照燈存在近光照明不佳和遠光眩光等問題，照明效果亟待提升。近年來圖像識別技術在汽車安全領域被逐步推廣，相應地自適應遠光(adaptive driving beam，ADB)[3]技術應而生。ADB系統的光學設計、測試和評價方法等研究近年來進展迅速[4,5]，但仍缺乏整體研究。本文在已有ADB理論和綜合評價的基礎上[6]，研究機械式變光和矩陣反射式兩種不同原理的遠光系統光學設計的方法。

1 基本原理

ADB系統由夜間前視圖像識別器與智能變光前照燈組成。圖像識別器普遍安裝在車輛前風擋，識別夜間前方開燈車輛的位置和距離，并通過車內總線將相關信息發給前照燈智能控制器，控制器驅動電機或者光源調整照明區域，避免前車眩目。

基本原理如圖1～圖3所示，其中A車為系統安裝車輛，B車為前方會車車輛，C車為前方同向車輛。當A車測得前方B車、A車的距離和位置時，A車遠光的照明區域為灰色，照明區域需要規避前車車窗以上區域，即眩光區域，并且眩光區域的寬度與高度要隨著前車實時改變。在圖3中，H-H線為水平線；V-V線為A車駕駛員視角的垂直線；L1和L2是目標車輛距離藍車的距離；h0是A車前照燈距離地面的高度，h1和h2是前方車輛車窗下沿距離地面的高度；w1L和w1R是對向車道B車眩光區域的左右兩側，分別到A車身中心線的距離；w2L和w2R是同向車道C車眩光區域的左右兩側，分別到A車身中心線的距離。綜上可得，對向車道會車(B車)遠光眩光區域。

圖1 ADB系統遠光照明與眩光區域(側視)

圖2 ADB系統遠光照明與眩光區域(俯視)

圖3 ADB系統遠光照明與眩光區域(駕駛員視角)

下邊界角度：θ1D=tan-1[(h1-h0)/L1]；

左邊界角度：θ1L=tan-1(w1L/L1)；

(1)

右邊界角度：θ1R=tan-1(w1R/L1)。

同向車道會車(C車)遠光眩光區域：

下邊界角度：θ2D=tan-1[(h2-h0)/L2]；

左邊界角度：θ2L=tan-1(w2L/L2)；

(2)

右邊界角度：θ2R=tan-1(w2R/L12)。

考慮到車輛都在運動，目標車的距離和位置隨時間變化，故各邊界角度變化速度為

(3)

(4)

當圖像識別器計算得到上述角度信息，通過總線發送給ADB遠光控制器，控制遠光改變光型，系統響應速度需要大于邊界角度變化速度。參照ECE R123[7]，ADB系統應隨道路與交通狀況自動改變，在不妨礙其他道路使用者的情況下提供良好的照明。左駕的眩光區域角度、限值如表1所示。

當會車時，設雙方的車速都為70 km/h，根據式(1)～式(4)計算得到眩光區域角度和理論變化速度如表2所示。

表1 ADB眩光區域與限值

表2 會車時暗區角度和變化速度

2 ADB光學設計方法

傳統前照燈主要有近光和遠光兩種照明功能：近光光軸下傾0.57°，能照亮75 m以內的路面，不對前方車輛產生眩光；遠光平直發散，能照亮150 m以內的道路及周邊區域，會對前方車輛造成眩目。ADB在傳統遠光的基礎上，動態產生寬度和位置變化的暗區，在不影響周邊照明的情況下，有效地避免眩光。

2.1 機械式變光的設計方法

傳統遠近光一體光學模組采用橢球面反射鏡結合透鏡投影的原理，遠近光切換通過旋轉刻有近光截止線遮光板實現。在傳統遠近光一體模組上，研究了實現ADB功能的光學設計方法參見圖4，該原理包含上下LED光源和橢球面反射鏡、變光轉鼓和前置非球面透鏡等光學部件。上部LED和反射鏡投射出光型的主體部分，而下部的LED和反射鏡主要起補充亮度作用，擴展遠光展寬的作用。LED光源分別處于各自對應的橢球反射鏡的第一焦點處，其發出的光線經過反射匯聚在橢球反射鏡的第二焦點處，再經過變光轉鼓和透鏡向前投射。

圖4 透鏡投影變光的光學原理

變光轉鼓為核心部件，區別于傳統遠近光遮光板，可以形成平光、45°截止線的近光、遠光和L型，其中平光是一種在配光屏幕上明暗截止線呈現V-V線左右兩側等高且水平的光型，而L型是可產生暗區的光型。如圖5所示，左右雙燈分別產生的L型，通過組合形成矩形暗區，避免眩光。為了緩解光型突變引發的不適，變光轉鼓橫截面近似于一個半圓，四種光型平滑過渡，確保變光過程中各點照度變化相對平緩，轉鼓的結構見圖6。

圖5 機械式雙燈配合避免眩光的原理

圖6 變光轉鼓的結構

變光轉鼓的轉動機構采用步進電機結合霍爾角度反饋實現，步進電機的步距角固定，經過多級齒輪傳動后，實現高精度控制轉角。霍爾角度傳感器補償步進電機的失步，并消除傳動機構間隙，確保變光一致性。眩光暗區的水平和垂直角度變化，通過水平隨動步進電機與調高步進電機實現。上述光學模組主要通過電機機械傳動實現，被稱為機械式變光模組，其實物見圖7。

圖7 機械式變光模組總成

2.2 矩陣反射的設計方法

除了遠近光一體光學方式，傳統前照燈還有遠光、近光分離方式。在單獨遠光的基礎上，研究了采用矩陣反射原理實現ADB功能的方法見圖8，將遠光區域-25°～25°劃分為15個區域，左側遠光模組實現-25°～5°共9個區域，右側為左側鏡像，二者在-5°～5°疊加，增強高亮區域。為滿足遠光配光要求和實現變光功能，左側模組采用了9顆LED光源，結合6片反射鏡，分為上下兩行。上部3個反射模組各有1顆LED，實現從-25～5°范圍內均勻照明，下部3個反射模組各有2顆LED，實現從-15°～5°分區域精細照明。

雖然矩陣反射式遠光原理比透鏡投影的光學效率高30%，光源利用率和成本存在優勢，但是由于反射面加工及LED裝配存在誤差，高精度配光分布(<0.5°)采用單一反射鏡，一致性難以保證。為了提高精度、消除明暗條紋、勻化配光效果，采用復合反射的方案，即多顆LED反射光型疊加。如實現遠光功能，左右18顆LED全亮；要實現中間不同角度和位置暗區，需要左右模組協調關閉4顆以上。通過不同亮滅組合，該模組可以同時實現3塊不同位置的暗區，累計實現20種以上不同位置和寬度的暗區，實物見圖9。

圖8 矩陣式雙燈配合避免眩光的原理

圖9 矩陣反射式遠光模組總成

3 測試結果與對比分析

ADB系統測試需要考慮圖像識別效果、眩光亮度、變光平順性、周邊照明和響應時間[6]等五個方面：

1)夜間對前方開燈車輛的識別效果直接影響了系統的性能，其效果由探測距離和識別準確率兩個指標判定；

2)眩光亮度是系統的主要性能，歐盟標準ECE R123規定了眩光暗區的位置及光強限值(見表1)；

3)前照燈快速頻繁變光，容易引發本車駕駛員和乘員不舒適，變光平順指光強平緩變化避免出現突變，通過光強變化速度判定；

4)ADB在傳統遠光基礎上避免前車眩光，暗區周圍要接近遠光效果，推薦暗區周邊2.5°以內并高于下邊界0.2°線上的平均照度≥24 lx；

5)眩光暗區位置和寬度要隨車輛相對運動改變，系統需要在車輛交會的短期內完成變光與復原的全過程，通過測量圖像處理時間與模組變光時間，其中模組變化速度要達到表2的限值。

表3 ADB系統測試項

上述測試項中，考核光學設計有眩光亮度、變光平順性、周邊照明和響應時間4項，通過將模組安裝在專用檢測臺，掃描光型得到配光測試結果。測試臺架功能為固定校準光學模組、處理圖像識別信號和控制光學模組變光，機械式變光測試臺如圖10所示，矩陣反射式遠光測試臺如圖11所示。

3.1 由光型掃描結果分析眩光亮度與周邊照明

機械模組測試臺同步控制轉鼓步進電機、水平隨動步進電機和調高步進電機，通過配光測試設備掃描光型，得到左右光學模組配合形成的照明分布。依據表1，以對向車道200 m會車為例，標準規定眩光區域左右邊界角度為左1.2°～左0.5°上0.15°，眩光暗區內最大光強為5 450 cd。圖12為機械式變光模組在25 m處掃描所得光型，其中H-H是水平線，V-V是垂直線，虛線為5°網格線。圖13為屏幕實測數據在lucidshape軟件生成的路面照度分布，圖中橫軸為水平距離，縱軸為垂直距離，距離單位m；經線為照明水平角度。由測試結果可知，當對向車道前方200 m出現開前燈的會車時，機械式變光模組可以產生眩光暗區的位置為左1.5°～左0.5°上0°，在標準規定的范圍內最大光強為4571 cd，達到標準眩光亮度的要求。

圖10 機械式變光模組測試臺

圖11 矩陣反射式遠光模組測試臺

矩陣模組臺架同步控制左右兩側分別關閉多顆LED，可以在左1.5°～左0.5°，產生最大光強為673 cd的眩光暗區，可以達到標準的要求。圖14為矩陣反射變光模組在25 m處掃描所得光型，圖15為其路面照度分布。

為了確保暗區周邊能接近遠光照明的效果，系統要在暗區周邊2.5°以內并高于下邊界0.2°線上的平均照度≥24 lx(在25 m測試屏上照度1 lx對應光強625 cd)。如圖12所示，機械式模組的最大照度點(Emax點)位于(左4.6°，下0.4°)，照度值為111.2 lx，暗區左側左4°～左1.5°上0.35°線上，平均照度91.2 lx；暗區右側右0.5°～右2°上0.35°平均照度82.3 lx。如圖13所示，機械模組3 lx線最遠照明距離為210 m，1 lx線>250 m，接近遠光的效果。如圖14所示，矩陣反射式模組的最大照度點位于(右3.5°，上0.8°)，為60.5 lx，暗區左側左4°～左1.5°上0.35°平均照度35.2 lx，暗區右側左0.5°～右2°上0.35°平均照度40.3 lx。如圖15所示，矩陣模組3 lx線最遠照明距離為125 m，1 lx線對應230 m，接近遠光的效果。

圖12 機械式變光模組眩光暗區的等照度曲線

圖13 機械式變光模組的路面照度分布圖

圖14 矩陣反射遠光模組眩光暗區的等照度曲線

圖15 矩陣反射遠光模組的路面照度分布圖

機械模組通過電機調節暗區角度、矩陣模組通過各反射區的亮滅組合，都可以達到標準規定各種距離位置的眩光暗區角度和亮度，周邊照明也接近遠光的照度和效果。機械模組與矩陣模組對比，小暗區最大光強要高4倍，大暗區最大光強接近，周邊照度要高60%，周邊照明距離要遠40%。

3.2 由動態測試結果分析變光平順性與響應時間

視覺對亮暗變化的適應程度，因為個體差異而沒有明確標準，在設計中需要放緩變化趨勢，避免出現突變。對ADB功能而言，因為車輛相對運動速度快，期望系統能快速響應，變光平順性與響應時間二者相互制約。如在兩車相會時，即要確保系統快速響應滿足表2的角度及變化速度，又要控制光通量反復劇烈變化。

本研究應用成像式光度計結合配光數據標定，動態測試變光模組的性能，類似方法應用于道路照明眩光效果的動態測試[8]：測試臺復現兩車各以70 km/h的車速會車，從250 m開始的燈光變化，成像式光度計高速拍攝測試屏上的照明變化(曝光時間50 ms)。預先收集的各變化階段配光數據，再按照像素點的灰度比對的方法，標定消除系統誤差后，生成暗區角度、光通量損失對應時間的變化曲線。

圖16為機械模組變光的全過程：前0.9 s變光轉鼓由遠光旋轉至L型光，并控制暗區水平轉動滿足動態變化的要求；在后1 s當需要暗區左側轉角>10°，超出水平隨動電機的行程，左側模組的變光轉鼓由L型旋轉至平光并保持至會車完畢。機械式模組在200～50 m處暗區分別為(左1.5°～左0.5°)、(左2.0°～左0.6°)、(左2.8°～左0.8°)、(左5.5°～左1.8°)，直至左側轉平光實現(左25.0°～左8.0°)。最快角度變化速度≥4.5°/s，轉鼓變光時間0.5 s，水平角度變化平均響應時間0.3 s。遠光光通量損失前期與后期變化大，中期保持平穩，最大在0.5 s內改變30%。

圖16 機械模組眩光暗區角度和光通量變化的時間曲線

圖17為矩陣模組變光的全過程，通過各反射區組合亮滅實現，在200～50 m內，關閉左右中間4塊實現暗區(左1.5°～左0.5°)，關閉左右中間8塊實現(左2.6°～左1.3°)，關閉左右中間7塊實現(左5.1°～左1.8°)，關閉左側中間4塊實現(左7.8°～左3.7°)，直至關閉左側邊緣4塊實現(左23.2°～左7.2°)。變化平均響應時間0.2 s。光通量損失前后期變化大，中間出現亮暗跳變，最大在0.2 s內改變28%。

圖17 矩陣模組眩光暗區角度和光通量變化的時間曲線

機械式與矩陣式都可以滿足表2的角度及變化要求，響應時間≤1 s。前者遠光光通量變化平穩，后者多次出現亮暗跳變，最大改變幅度是前者的2.3倍。

4 結論

智能前照燈的光學設計除了要考慮傳統遠光的配光要求，還要滿足歐盟標準的眩光暗區、響應時間等，如變光平順性等光健康指標也需要考核。矩陣式遠光具有細分精度高的優勢(能夠同時實現3個以上的暗區)，將成為智能遠光的主流設計，但是相比機械式遠光，其中心光強、周邊照射距離、特別是變光平順仍有較大的差距。建議今后研究矩陣模組時，重點考慮根據路況變化，合理搭配照明細分區域，實時控制各區域亮度變化，避免出現“亮暗跳變”現象，有效地減少對駕駛員造成不適，降低疲勞感，提升夜間行車安全性。