自適應(yīng)遠(yuǎn)光系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)與測試

鄧 亮，吳 杰，豐建芬，薛蔚平，王金磊

(1.南京大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)博士后流動(dòng)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(guān)調(diào)查顯示，一些重大事故發(fā)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(dāng)或?qū)Ρ榷忍珡?qiáng)，引起不舒適感或分辨細(xì)節(jié)或物體的能力減弱的視覺條件[2]。傳統(tǒng)汽車前照燈存在近光照明不佳和遠(yuǎn)光眩光等問題，照明效果亟待提升。近年來圖像識(shí)別技術(shù)在汽車安全領(lǐng)域被逐步推廣，相應(yīng)地自適應(yīng)遠(yuǎn)光(adaptive driving beam，ADB)[3]技術(shù)應(yīng)而生。ADB系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)、測試和評價(jià)方法等研究近年來進(jìn)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(jià)的基礎(chǔ)上[6]，研究機(jī)械式變光和矩陣反射式兩種不同原理的遠(yuǎn)光系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)的方法。

1 基本原理

ADB系統(tǒng)由夜間前視圖像識(shí)別器與智能變光前照燈組成。圖像識(shí)別器普遍安裝在車輛前風(fēng)擋，識(shí)別夜間前方開燈車輛的位置和距離，并通過車內(nèi)總線將相關(guān)信息發(fā)給前照燈智能控制器，控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)或者光源調(diào)整照明區(qū)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(tǒng)安裝車輛，B車為前方會(huì)車車輛，C車為前方同向車輛。當(dāng)A車測得前方B車、A車的距離和位置時(shí)，A車遠(yuǎn)光的照明區(qū)域?yàn)榛疑?，照明區(qū)域需要規(guī)避前車車窗以上區(qū)域，即眩光區(qū)域，并且眩光區(qū)域的寬度與高度要隨著前車實(shí)時(shí)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(biāo)車輛距離藍(lán)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(qū)域的左右兩側(cè)，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(qū)域的左右兩側(cè)，分別到A車身中心線的距離。綜上可得，對向車道會(huì)車(B車)遠(yuǎn)光眩光區(qū)域。

圖1 ADB系統(tǒng)遠(yuǎn)光照明與眩光區(qū)域(側(cè)視)

圖2 ADB系統(tǒng)遠(yuǎn)光照明與眩光區(qū)域(俯視)

圖3 ADB系統(tǒng)遠(yuǎn)光照明與眩光區(qū)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(huì)車(C車)遠(yuǎn)光眩光區(qū)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(yùn)動(dòng)，目標(biāo)車的距離和位置隨時(shí)間變化，故各邊界角度變化速度為

(3)

(4)

當(dāng)圖像識(shí)別器計(jì)算得到上述角度信息，通過總線發(fā)送給ADB遠(yuǎn)光控制器，控制遠(yuǎn)光改變光型，系統(tǒng)響應(yīng)速度需要大于邊界角度變化速度。參照ECE R123[7]，ADB系統(tǒng)應(yīng)隨道路與交通狀況自動(dòng)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(qū)域角度、限值如表1所示。

當(dāng)會(huì)車時(shí)，設(shè)雙方的車速都為70 km/h，根據(jù)式(1)～式(4)計(jì)算得到眩光區(qū)域角度和理論變化速度如表2所示。

表1 ADB眩光區(qū)域與限值

表2 會(huì)車時(shí)暗區(qū)角度和變化速度

2 ADB光學(xué)設(shè)計(jì)方法

傳統(tǒng)前照燈主要有近光和遠(yuǎn)光兩種照明功能：近光光軸下傾0.57°，能照亮75 m以內(nèi)的路面，不對前方車輛產(chǎn)生眩光；遠(yuǎn)光平直發(fā)散，能照亮150 m以內(nèi)的道路及周邊區(qū)域，會(huì)對前方車輛造成眩目。ADB在傳統(tǒng)遠(yuǎn)光的基礎(chǔ)上，動(dòng)態(tài)產(chǎn)生寬度和位置變化的暗區(qū)，在不影響周邊照明的情況下，有效地避免眩光。

2.1 機(jī)械式變光的設(shè)計(jì)方法

傳統(tǒng)遠(yuǎn)近光一體光學(xué)模組采用橢球面反射鏡結(jié)合透鏡投影的原理，遠(yuǎn)近光切換通過旋轉(zhuǎn)刻有近光截止線遮光板實(shí)現(xiàn)。在傳統(tǒng)遠(yuǎn)近光一體模組上，研究了實(shí)現(xiàn)ADB功能的光學(xué)設(shè)計(jì)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(zhuǎn)鼓和前置非球面透鏡等光學(xué)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(bǔ)充亮度作用，擴(kuò)展遠(yuǎn)光展寬的作用。LED光源分別處于各自對應(yīng)的橢球反射鏡的第一焦點(diǎn)處，其發(fā)出的光線經(jīng)過反射匯聚在橢球反射鏡的第二焦點(diǎn)處，再經(jīng)過變光轉(zhuǎn)鼓和透鏡向前投射。

圖4 透鏡投影變光的光學(xué)原理

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

圖5 機(jī)械式雙燈配合避免眩光的原理

圖6 變光轉(zhuǎn)鼓的結(jié)構(gòu)

變光轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)結(jié)合霍爾角度反饋實(shí)現(xiàn)，步進(jìn)電機(jī)的步距角固定，經(jīng)過多級齒輪傳動(dòng)后，實(shí)現(xiàn)高精度控制轉(zhuǎn)角?；魻柦嵌葌鞲衅餮a(bǔ)償步進(jìn)電機(jī)的失步，并消除傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間隙，確保變光一致性。眩光暗區(qū)的水平和垂直角度變化，通過水平隨動(dòng)步進(jìn)電機(jī)與調(diào)高步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)。上述光學(xué)模組主要通過電機(jī)機(jī)械傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)，被稱為機(jī)械式變光模組，其實(shí)物見圖7。

圖7 機(jī)械式變光模組總成

2.2 矩陣反射的設(shè)計(jì)方法

除了遠(yuǎn)近光一體光學(xué)方式，傳統(tǒng)前照燈還有遠(yuǎn)光、近光分離方式。在單獨(dú)遠(yuǎn)光的基礎(chǔ)上，研究了采用矩陣反射原理實(shí)現(xiàn)ADB功能的方法見圖8，將遠(yuǎn)光區(qū)域-25°～25°劃分為15個(gè)區(qū)域，左側(cè)遠(yuǎn)光模組實(shí)現(xiàn)-25°～5°共9個(gè)區(qū)域，右側(cè)為左側(cè)鏡像，二者在-5°～5°疊加，增強(qiáng)高亮區(qū)域。為滿足遠(yuǎn)光配光要求和實(shí)現(xiàn)變光功能，左側(cè)模組采用了9顆LED光源，結(jié)合6片反射鏡，分為上下兩行。上部3個(gè)反射模組各有1顆LED，實(shí)現(xiàn)從-25～5°范圍內(nèi)均勻照明，下部3個(gè)反射模組各有2顆LED，實(shí)現(xiàn)從-15°～5°分區(qū)域精細(xì)照明。

雖然矩陣反射式遠(yuǎn)光原理比透鏡投影的光學(xué)效率高30%，光源利用率和成本存在優(yōu)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(fù)合反射的方案，即多顆LED反射光型疊加。如實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)光功能，左右18顆LED全亮；要實(shí)現(xiàn)中間不同角度和位置暗區(qū)，需要左右模組協(xié)調(diào)關(guān)閉4顆以上。通過不同亮滅組合，該模組可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)3塊不同位置的暗區(qū)，累計(jì)實(shí)現(xiàn)20種以上不同位置和寬度的暗區(qū)，實(shí)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(yuǎn)光模組總成

3 測試結(jié)果與對比分析

ADB系統(tǒng)測試需要考慮圖像識(shí)別效果、眩光亮度、變光平順性、周邊照明和響應(yīng)時(shí)間[6]等五個(gè)方面：

1)夜間對前方開燈車輛的識(shí)別效果直接影響了系統(tǒng)的性能，其效果由探測距離和識(shí)別準(zhǔn)確率兩個(gè)指標(biāo)判定；

2)眩光亮度是系統(tǒng)的主要性能，歐盟標(biāo)準(zhǔn)ECE R123規(guī)定了眩光暗區(qū)的位置及光強(qiáng)限值(見表1)；

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

4)ADB在傳統(tǒng)遠(yuǎn)光基礎(chǔ)上避免前車眩光，暗區(qū)周圍要接近遠(yuǎn)光效果，推薦暗區(qū)周邊2.5°以內(nèi)并高于下邊界0.2°線上的平均照度≥24 lx；

5)眩光暗區(qū)位置和寬度要隨車輛相對運(yùn)動(dòng)改變，系統(tǒng)需要在車輛交會(huì)的短期內(nèi)完成變光與復(fù)原的全過程，通過測量圖像處理時(shí)間與模組變光時(shí)間，其中模組變化速度要達(dá)到表2的限值。

表3 ADB系統(tǒng)測試項(xiàng)

上述測試項(xiàng)中，考核光學(xué)設(shè)計(jì)有眩光亮度、變光平順性、周邊照明和響應(yīng)時(shí)間4項(xiàng)，通過將模組安裝在專用檢測臺(tái)，掃描光型得到配光測試結(jié)果。測試臺(tái)架功能為固定校準(zhǔn)光學(xué)模組、處理圖像識(shí)別信號和控制光學(xué)模組變光，機(jī)械式變光測試臺(tái)如圖10所示，矩陣反射式遠(yuǎn)光測試臺(tái)如圖11所示。

3.1 由光型掃描結(jié)果分析眩光亮度與周邊照明

機(jī)械模組測試臺(tái)同步控制轉(zhuǎn)鼓步進(jìn)電機(jī)、水平隨動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和調(diào)高步進(jìn)電機(jī)，通過配光測試設(shè)備掃描光型，得到左右光學(xué)模組配合形成的照明分布。依據(jù)表1，以對向車道200 m會(huì)車為例，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定眩光區(qū)域左右邊界角度為左1.2°～左0.5°上0.15°，眩光暗區(qū)內(nèi)最大光強(qiáng)為5 450 cd。圖12為機(jī)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(wǎng)格線。圖13為屏幕實(shí)測數(shù)據(jù)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(jīng)線為照明水平角度。由測試結(jié)果可知，當(dāng)對向車道前方200 m出現(xiàn)開前燈的會(huì)車時(shí)，機(jī)械式變光模組可以產(chǎn)生眩光暗區(qū)的位置為左1.5°～左0.5°上0°，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)最大光強(qiáng)為4571 cd，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)眩光亮度的要求。

圖10 機(jī)械式變光模組測試臺(tái)

圖11 矩陣反射式遠(yuǎn)光模組測試臺(tái)

矩陣模組臺(tái)架同步控制左右兩側(cè)分別關(guān)閉多顆LED，可以在左1.5°～左0.5°，產(chǎn)生最大光強(qiáng)為673 cd的眩光暗區(qū)，可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)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(qū)周邊能接近遠(yuǎn)光照明的效果，系統(tǒng)要在暗區(qū)周邊2.5°以內(nèi)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(yīng)光強(qiáng)625 cd)。如圖12所示，機(jī)械式模組的最大照度點(diǎn)(Emax點(diǎn))位于(左4.6°，下0.4°)，照度值為111.2 lx，暗區(qū)左側(cè)左4°～左1.5°上0.35°線上，平均照度91.2 lx；暗區(qū)右側(cè)右0.5°～右2°上0.35°平均照度82.3 lx。如圖13所示，機(jī)械模組3 lx線最遠(yuǎn)照明距離為210 m，1 lx線>250 m，接近遠(yuǎn)光的效果。如圖14所示，矩陣反射式模組的最大照度點(diǎn)位于(右3.5°，上0.8°)，為60.5 lx，暗區(qū)左側(cè)左4°～左1.5°上0.35°平均照度35.2 lx，暗區(qū)右側(cè)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(yuǎn)照明距離為125 m，1 lx線對應(yīng)230 m，接近遠(yuǎn)光的效果。

圖12 機(jī)械式變光模組眩光暗區(qū)的等照度曲線

圖13 機(jī)械式變光模組的路面照度分布圖

圖14 矩陣反射遠(yuǎn)光模組眩光暗區(qū)的等照度曲線

圖15 矩陣反射遠(yuǎn)光模組的路面照度分布圖

機(jī)械模組通過電機(jī)調(diào)節(jié)暗區(qū)角度、矩陣模組通過各反射區(qū)的亮滅組合，都可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定各種距離位置的眩光暗區(qū)角度和亮度，周邊照明也接近遠(yuǎn)光的照度和效果。機(jī)械模組與矩陣模組對比，小暗區(qū)最大光強(qiáng)要高4倍，大暗區(qū)最大光強(qiáng)接近，周邊照度要高60%，周邊照明距離要遠(yuǎn)40%。

3.2 由動(dòng)態(tài)測試結(jié)果分析變光平順性與響應(yīng)時(shí)間

視覺對亮暗變化的適應(yīng)程度，因?yàn)閭€(gè)體差異而沒有明確標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)中需要放緩變化趨勢，避免出現(xiàn)突變。對ADB功能而言，因?yàn)檐囕v相對運(yùn)動(dòng)速度快，期望系統(tǒng)能快速響應(yīng)，變光平順性與響應(yīng)時(shí)間二者相互制約。如在兩車相會(huì)時(shí)，即要確保系統(tǒng)快速響應(yīng)滿足表2的角度及變化速度，又要控制光通量反復(fù)劇烈變化。

本研究應(yīng)用成像式光度計(jì)結(jié)合配光數(shù)據(jù)標(biāo)定，動(dòng)態(tài)測試變光模組的性能，類似方法應(yīng)用于道路照明眩光效果的動(dòng)態(tài)測試[8]：測試臺(tái)復(fù)現(xiàn)兩車各以70 km/h的車速會(huì)車，從250 m開始的燈光變化，成像式光度計(jì)高速拍攝測試屏上的照明變化(曝光時(shí)間50 ms)。預(yù)先收集的各變化階段配光數(shù)據(jù)，再按照像素點(diǎn)的灰度比對的方法，標(biāo)定消除系統(tǒng)誤差后，生成暗區(qū)角度、光通量損失對應(yīng)時(shí)間的變化曲線。

圖16為機(jī)械模組變光的全過程：前0.9 s變光轉(zhuǎn)鼓由遠(yuǎn)光旋轉(zhuǎn)至L型光，并控制暗區(qū)水平轉(zhuǎn)動(dòng)滿足動(dòng)態(tài)變化的要求；在后1 s當(dāng)需要暗區(qū)左側(cè)轉(zhuǎn)角>10°，超出水平隨動(dòng)電機(jī)的行程，左側(cè)模組的變光轉(zhuǎn)鼓由L型旋轉(zhuǎn)至平光并保持至?xí)囃戤?。機(jī)械式模組在200～50 m處暗區(qū)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(cè)轉(zhuǎn)平光實(shí)現(xiàn)(左25.0°～左8.0°)。最快角度變化速度≥4.5°/s，轉(zhuǎn)鼓變光時(shí)間0.5 s，水平角度變化平均響應(yīng)時(shí)間0.3 s。遠(yuǎn)光光通量損失前期與后期變化大，中期保持平穩(wěn)，最大在0.5 s內(nèi)改變30%。

圖16 機(jī)械模組眩光暗區(qū)角度和光通量變化的時(shí)間曲線

圖17為矩陣模組變光的全過程，通過各反射區(qū)組合亮滅實(shí)現(xiàn)，在200～50 m內(nèi)，關(guān)閉左右中間4塊實(shí)現(xiàn)暗區(qū)(左1.5°～左0.5°)，關(guān)閉左右中間8塊實(shí)現(xiàn)(左2.6°～左1.3°)，關(guān)閉左右中間7塊實(shí)現(xiàn)(左5.1°～左1.8°)，關(guān)閉左側(cè)中間4塊實(shí)現(xiàn)(左7.8°～左3.7°)，直至關(guān)閉左側(cè)邊緣4塊實(shí)現(xiàn)(左23.2°～左7.2°)。變化平均響應(yīng)時(shí)間0.2 s。光通量損失前后期變化大，中間出現(xiàn)亮暗跳變，最大在0.2 s內(nèi)改變28%。

圖17 矩陣模組眩光暗區(qū)角度和光通量變化的時(shí)間曲線

機(jī)械式與矩陣式都可以滿足表2的角度及變化要求，響應(yīng)時(shí)間≤1 s。前者遠(yuǎn)光光通量變化平穩(wěn)，后者多次出現(xiàn)亮暗跳變，最大改變幅度是前者的2.3倍。

4 結(jié)論

智能前照燈的光學(xué)設(shè)計(jì)除了要考慮傳統(tǒng)遠(yuǎn)光的配光要求，還要滿足歐盟標(biāo)準(zhǔn)的眩光暗區(qū)、響應(yīng)時(shí)間等，如變光平順性等光健康指標(biāo)也需要考核。矩陣式遠(yuǎn)光具有細(xì)分精度高的優(yōu)勢(能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)3個(gè)以上的暗區(qū))，將成為智能遠(yuǎn)光的主流設(shè)計(jì)，但是相比機(jī)械式遠(yuǎn)光，其中心光強(qiáng)、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(shí)，重點(diǎn)考慮根據(jù)路況變化，合理搭配照明細(xì)分區(qū)域，實(shí)時(shí)控制各區(qū)域亮度變化，避免出現(xiàn)“亮暗跳變”現(xiàn)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。