車(chē)輛超車(chē)變道輔助警告燈

[摘要]主動(dòng)安全是目前汽車(chē)駕駛安全技術(shù)的重點(diǎn)之一。盲區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是主動(dòng)安全部分中先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)ADAS的一部分。盲區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與駕駛員的人機(jī)交互是通過(guò)發(fā)光燈具來(lái)實(shí)現(xiàn)的。燈光作為最高效的交互方式，在車(chē)身有著廣泛的運(yùn)用。本文將重點(diǎn)介紹盲區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)常用燈具——超車(chē)變道輔助警告燈SWA和BSD。通過(guò)對(duì)兩種產(chǎn)品的功能布置、光學(xué)設(shè)計(jì)要求、光學(xué)設(shè)計(jì)方案等分析，能夠在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)具有良好的感官體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)更好的人機(jī)交互。通過(guò)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件和光學(xué)設(shè)計(jì)軟件對(duì)產(chǎn)品的光學(xué)設(shè)計(jì)單元，如準(zhǔn)直透鏡單元、偏折花紋單元、擴(kuò)散花紋單元、反射鏡不斷優(yōu)化，最終鎖定均勻性較好的方案，為客戶(hù)提供良好的人機(jī)交互，提升主動(dòng)安全性能。

[關(guān)鍵詞]SWA超車(chē)輔助警告燈；BSD盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)；眼點(diǎn)；光強(qiáng)；亮度；準(zhǔn)直透鏡；偏折花紋；擴(kuò)散花紋；反射鏡

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.65 " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1003-8639（2023）

[Abstract]Active safety is currently one of the key points of automotive driving safety technology. The blind spot monitoring system is part of ADAS，an advanced driver assistance system in the active safety component. The human-machine interaction between the blind spot monitoring system and the driver is achieved through illuminated lamps. As the most efficient way of interaction，lamps have a wide range application in the car. This article will focus on the widely used lamps of blind spot monitoring systems——lane change assist warning lamps SWA and BSD. Through the analysis of the function location，optical requirements，optical design of the two products，we can meet the design requirements while having a good sensory experience and achieve a better human-machine interaction.

[Keywords]SWA，BSD，Light intensity distribution，Brightness，Eye point，Collimation lens，Deflect pattern，Diffuse pattern，Reflector，Uniformity

作者簡(jiǎn)介：黃立敏（1988—），女，工程師，主要從事汽車(chē)燈具開(kāi)發(fā)管理工作；鐘原（1983—），男，技術(shù)部長(zhǎng)，主要從事后視鏡相關(guān)汽車(chē)燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和光學(xué)設(shè)計(jì)工作；何俊華（1993—），男，工程師，主要從事汽車(chē)燈具的電子電氣研發(fā)工作。

收稿日期：2022-11-22

1 "前言

隨著科技發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，汽車(chē)已經(jīng)成為日常交通出行的主要交通工具。在車(chē)輛行駛過(guò)程中，當(dāng)駕駛員進(jìn)行超車(chē)或變道時(shí)，由于視野限制，車(chē)身兩側(cè)有一部分區(qū)域處于駕駛員的視野盲區(qū)，存在安全隱患。如果在駕駛員超車(chē)或變道過(guò)程中，有其他車(chē)輛竄入，駕駛員可能因避讓不及而造成交通事故。為提醒駕駛員后方來(lái)車(chē)或視野盲區(qū)車(chē)輛情況，輔助駕駛員判斷超車(chē)或變道是否安全，就需要一種人車(chē)交互的輔助裝置——超車(chē)變道輔助警告燈。

目前汽車(chē)行業(yè)通常采用SWA和BSD兩種技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)超車(chē)變道輔助功能，結(jié)合毫米波雷達(dá)與發(fā)光燈具，輔助駕駛員判斷變道、超車(chē)等駕駛行為是否安全，起到警示作用。

SWA全稱(chēng)為Spur WechselAnzeige（德語(yǔ)），超車(chē)輔助警告燈，通常安裝在后視鏡殼體位置，是變道輔助系統(tǒng)的人機(jī)交互界面。BSD全稱(chēng)為Blind Spot Detection，盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)，通常布置在后視鏡外圍邊緣。功能布置如圖1所示。

SWA功能布置 BSD功能布置

圖1 "功能布置

從功能的布置上，SWA是朝向駕駛員的，設(shè)計(jì)目標(biāo)是在駕駛員所有眼點(diǎn)范圍內(nèi)可見(jiàn)，亮度滿(mǎn)足要求。在駕駛員眼點(diǎn)范圍以外不可見(jiàn)，道路其他使用者不會(huì)注意到超車(chē)警告輔助燈。BSD布置在后視鏡外圍，對(duì)駕駛員和道路其他使用者都可見(jiàn)。

通過(guò)車(chē)輛后部毫米波雷達(dá)對(duì)側(cè)后方的探測(cè)，SWA和BSD具有盲區(qū)監(jiān)測(cè)和變道輔助兩個(gè)功能，并有“提示等級(jí)”和“警告等級(jí)”兩個(gè)顯示等級(jí)。當(dāng)相鄰車(chē)道存在變道操作威脅的車(chē)輛時(shí)，同側(cè)的SWA或BSD會(huì)輸出穩(wěn)定亮度的光信號(hào)，系統(tǒng)處于“提示等級(jí)”。當(dāng)駕駛員操作了轉(zhuǎn)向燈，表明了改變車(chē)道的意圖，這時(shí)SWA或BSD將進(jìn)行短時(shí)間的高亮閃爍，系統(tǒng)處于“警告等級(jí)”，目的是讓駕駛員將視線(xiàn)轉(zhuǎn)移到后視鏡上。

SWA和BSD名字不同，但實(shí)現(xiàn)的功能是一樣的。本文僅介紹該系統(tǒng)功能的發(fā)光燈具，統(tǒng)稱(chēng)為超車(chē)變道輔助警告燈。接下來(lái)我們著重介紹SWA和BSD兩種超車(chē)變道輔助警告燈的光學(xué)要求和光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)。

2 "光學(xué)要求

2.1 "國(guó)標(biāo)

目前GB/ECE/SAE等法規(guī)并沒(méi)有SWA和BSD的定義和要求，也不是強(qiáng)制安裝燈具。韓國(guó)法規(guī)MLTM Notice-802中定義BSD外側(cè)發(fā)光強(qiáng)度不得超過(guò)0.5cd?？紤]BSD警告燈通常安裝在后視鏡外邊緣，非?？拷鼈?cè)轉(zhuǎn)向燈，為了避免側(cè)后方車(chē)輛誤以為前方車(chē)輛將變道，所以設(shè)定該法規(guī)要求。

2.2 "企標(biāo)

2.2.1 "SWA的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

SWA的設(shè)計(jì)要求是從駕駛員眼點(diǎn)位置出發(fā)，眼點(diǎn)位置和SWA相對(duì)關(guān)系如圖2左圖所示，駕駛員眼點(diǎn)縱向平面上，內(nèi)環(huán)為眼橢圓，外環(huán)為在眼橢圓4個(gè)方向一定公差范圍外延形成的測(cè)量橢圓。主機(jī)廠通常會(huì)提供眼點(diǎn)或眼橢圓，如圖2右圖所示，可覆蓋不同身高的駕駛?cè)巳骸WA輻射表面在M50眼點(diǎn)和其出光面中心連線(xiàn)的投影面積必須具有至少300mm2的可見(jiàn)區(qū)域。整個(gè)照明區(qū)域必須對(duì)整個(gè)眼橢圓區(qū)域可見(jiàn)，不得因鏡面三角形、窗槽條、A柱或其他模塊而使發(fā)光區(qū)域遮擋或變暗。

F05—5%的小個(gè)子女性M50—50%的男性M95—95%的大個(gè)子男性

圖2 "眼點(diǎn)眼橢圓示意圖

SWA的光學(xué)特性1是以SWA發(fā)光面為中心的發(fā)光強(qiáng)度分布，并在光強(qiáng)分布中繪制眼點(diǎn)、眼橢圓，最大發(fā)光強(qiáng)度必須在眼橢圓內(nèi)，并且光分布均勻地照亮眼橢圓。如圖3所示。

圖3 "發(fā)光強(qiáng)度分布的示意圖

SWA光學(xué)特性2是亮度數(shù)值要求，從圖3右圖所示的所有眼點(diǎn)觀察SWA出光面，并進(jìn)行亮度模擬和測(cè)量。在亮度數(shù)值上，主機(jī)廠會(huì)要求主駕側(cè)亮度gt;2000cd/m2，副駕側(cè)亮度gt;6000cd/m2，或兩側(cè)的亮度均gt;9000cd/m2。

在圖4中，我們把2個(gè)主機(jī)廠的眼點(diǎn)范圍在M50重合的情況下做了對(duì)比，可以看出不同主機(jī)廠眼點(diǎn)區(qū)域大小有差異。區(qū)域小的眼點(diǎn)位置，亮度可以做得更高，各有側(cè)重。

圖4 "不同主機(jī)廠眼點(diǎn)位置比較

2.2.2 "BSD的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

BSD常用圖標(biāo)如圖5所示，各個(gè)主機(jī)廠都有自己選擇的圖形。

圖5 "BSD圖標(biāo)案例

BSD的光學(xué)特性是以字符出光面為中心的亮度分布要求，如圖6所示，以后視鏡平面朝車(chē)輛中心方向?yàn)?°，BSD的亮度要求主要集中在內(nèi)側(cè)，如主駕側(cè)BSD在內(nèi)側(cè)50～75°或60～75°角度范圍內(nèi)，要求亮度大于3000或3500。副駕側(cè)BSD同樣在內(nèi)側(cè)40～60°或50～65°范圍內(nèi)有亮度要求。對(duì)車(chē)輛外側(cè)則會(huì)限定亮度值以減少對(duì)道路其他使用者的干擾，如在外側(cè)110～160°甚至更大范圍內(nèi)，主駕側(cè)和副駕側(cè)亮度不能超過(guò)內(nèi)側(cè)亮度的30%或某一固定值。

圖6 "BSD亮度的要求示意圖

對(duì)于BSD的設(shè)計(jì)要求，沿用性很強(qiáng)，一款BSD燈具可以在很多其他車(chē)身上沿用。如果BSD亮度對(duì)內(nèi)側(cè)的角度范圍要求可以結(jié)合駕駛員眼點(diǎn)位置設(shè)定，則同樣能夠體現(xiàn)人機(jī)的交互。

關(guān)于SWA和BSD超車(chē)變道輔助警告燈功能，大部分主機(jī)廠采用黃色，也有主機(jī)廠使用紅色，并對(duì)紅色的警告燈下調(diào)了亮度值要求。

3 "光學(xué)設(shè)計(jì)

除了光強(qiáng)和亮度，超車(chē)變道輔助警告燈點(diǎn)亮均勻性是提升感官體驗(yàn)的重點(diǎn)。SWA和BSD的點(diǎn)亮均勻性需要從整個(gè)駕駛員眼點(diǎn)區(qū)域來(lái)進(jìn)行評(píng)估。燈具功能出光面邊界必須清晰，亮度必須均勻過(guò)渡，不能出現(xiàn)亮斑、亮條、暗區(qū)、發(fā)光邊緣等問(wèn)題。目前點(diǎn)亮均勻性主要是通過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)來(lái)優(yōu)化的，接下來(lái)我們將重點(diǎn)介紹SWA和BSD的光學(xué)設(shè)計(jì)內(nèi)容。

3.1 "SWA光學(xué)設(shè)計(jì)

SWA光學(xué)設(shè)計(jì)主要涉及到4個(gè)光學(xué)單元：光源、準(zhǔn)直透鏡、偏折花紋、擴(kuò)散花紋，擴(kuò)散花紋可以與偏折花紋做在同一個(gè)光學(xué)元件上，如圖7左圖Optical lens2，或外燈罩上?，F(xiàn)逐漸演化成將準(zhǔn)直透鏡、偏折花紋和擴(kuò)散花紋三者結(jié)合在一個(gè)光學(xué)元件上，如圖7右圖Innerlens所示。

圖7 "SWA零部件清單示意圖

SWA光學(xué)單元1光源通常選用3顆60°擴(kuò)散角LEDLYE65F，主要是因?yàn)檫@顆LED上已經(jīng)有了一個(gè)準(zhǔn)直透鏡，相對(duì)于120°發(fā)光角的LED，這顆LED在同樣的功率下光通量更高。另外在同一個(gè)準(zhǔn)直透鏡下，如圖8所示，使用相同的光通量，60°擴(kuò)散角LED對(duì)比120°擴(kuò)散角LED，準(zhǔn)直透鏡表面亮度會(huì)提升20%～25%。

圖8 "準(zhǔn)直透鏡表面亮度對(duì)比

光學(xué)單元2是偏折花紋，主要作用是將SWA主出光方向偏折到M50方向。通常需要先分析SWA出光面法向與M50的夾角，如圖9所示，SWA出光面法向與M50方向水平夾角18°，豎直夾角15°，經(jīng)驗(yàn)通常是偏折角度不超過(guò)20°為宜。通過(guò)偏折花紋的設(shè)計(jì)，將SWA的主出光方向偏向M50，這樣才能確保最大光強(qiáng)在眼橢圓范圍內(nèi)。

橫向剖視圖 " " " " " " " " 縱向剖視圖

圖9 "SWA裝車(chē)位置剖面示意圖

光學(xué)單元3是擴(kuò)散花紋，對(duì)已經(jīng)偏折到M50方向后的光束，通過(guò)玉米粒花紋進(jìn)行擴(kuò)散，擴(kuò)散角度通常在5～10°，將所有的眼點(diǎn)覆蓋在主光強(qiáng)區(qū)域內(nèi)為宜。

到此，我們就可以在每一個(gè)眼點(diǎn)位置建立亮度輻射器來(lái)評(píng)價(jià)亮度值和均勻性。在有限的LED輸出光通量下，各車(chē)型偏折角度條件不同，為提升均勻性的感官體驗(yàn)，僅通過(guò)擴(kuò)散花紋優(yōu)化均勻性會(huì)損失亮度，所以在優(yōu)化均勻性的同時(shí)，需要反復(fù)驗(yàn)證邊緣眼點(diǎn)的亮度值是否滿(mǎn)足要求。如何兼顧均勻性與亮度值正是SWA設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

如圖10所示，在SWA點(diǎn)亮均勻性?xún)?yōu)化的過(guò)程中，主要問(wèn)題是兩LED之間的暗區(qū)、菲涅耳單元的螺旋紋成像以及安裝結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的暗區(qū)問(wèn)題。

2LED之間暗區(qū) 成像螺旋紋 卡角暗區(qū)

圖10 "SWA常見(jiàn)均勻性問(wèn)題點(diǎn)

通過(guò)對(duì)圖10所示點(diǎn)亮問(wèn)題的優(yōu)化，準(zhǔn)直透鏡經(jīng)過(guò)了4代的演變。如圖11所示，第1代平菲涅耳，第2代凸菲涅耳，第3代分體式凸透鏡，第4代一體式凸透鏡，通過(guò)準(zhǔn)直透鏡光學(xué)單元的優(yōu)化，可以避免因增加擴(kuò)散花紋角度而降低亮度的問(wèn)題，所以更加有效。同時(shí)準(zhǔn)直透鏡表面均勻性也從0.3：1優(yōu)化提升到0.8：1。

第1代平菲涅耳 第2代凸菲涅耳 " 第3代分體式凸透鏡 第4代一體式凸透鏡

圖11 "準(zhǔn)直透鏡4代演變

第1代平菲涅耳是基礎(chǔ)模型，SWA表面亮度可以做到6000cd/m2。第2代凸菲涅耳在同樣光通量下亮度可提升到8000cd/m2，傳播光路如圖12所示。通過(guò)對(duì)凸菲涅耳準(zhǔn)直透鏡表面均勻性進(jìn)行優(yōu)化，減少交匯處的暗區(qū)，可以避免因增大擴(kuò)散花紋的擴(kuò)散角而導(dǎo)致最終發(fā)光面亮度的降低。通過(guò)菲涅耳結(jié)構(gòu)效率的優(yōu)化提升最終產(chǎn)品的亮度和均勻性。

第1代平菲涅耳 " " "第2代凸菲涅耳

圖12 "兩代菲涅耳對(duì)比圖

為了改善菲涅耳準(zhǔn)直透鏡螺旋紋成像的問(wèn)題，我們?cè)陧?xiàng)目中陸續(xù)采用了凸透鏡方式，同時(shí)減少了螺旋紋在模具加工上的影響。

準(zhǔn)直透鏡切換到凸透鏡后，同樣需要優(yōu)化凸透鏡的光學(xué)結(jié)構(gòu)來(lái)改善LED間暗區(qū)。凸透鏡準(zhǔn)直透鏡的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是通過(guò)改變凸球的曲率來(lái)消除透鏡與透鏡間的三角暗區(qū)。改變曲面接收光線(xiàn)的角度，增加發(fā)光面的面積，減少三角暗區(qū)的存在，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的作用。如圖13所示，通過(guò)對(duì)透鏡曲率的調(diào)整，最終對(duì)整個(gè)可視化的效果得到了改善。

圖13 "凸透鏡準(zhǔn)直透鏡暗區(qū)優(yōu)化效果展示

因SWA空間較小，安裝卡腳會(huì)導(dǎo)致出光面不完整，所以目前主要采用準(zhǔn)直透鏡與偏折花紋內(nèi)燈罩一體注塑方案。如圖14所示，凸透鏡準(zhǔn)直透鏡采用反凸球的形式，底部可以直接脫模，所以可以將偏折花紋內(nèi)燈罩與準(zhǔn)直透鏡做成一體，優(yōu)化安裝結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的暗區(qū)問(wèn)題。

圖14 "一體注塑結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 "BSD光學(xué)設(shè)計(jì)

BSD裝配在鏡片下面，空間十分局限，各個(gè)企業(yè)均有自己對(duì)于BSD發(fā)光結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方式，均是朝著能夠盡可能體積小的方向去設(shè)計(jì)，光效都不高，所以對(duì)于均勻性的擴(kuò)展都很局限。圖15為BSD零部件清單示意圖。

圖15 "BSD零部件清單示意圖

目前其他企業(yè)用于BSD設(shè)計(jì)的光學(xué)形式有3類(lèi)：自由曲面、側(cè)發(fā)光光導(dǎo)、二次偏折厚壁件，如圖16所示。自由曲面的設(shè)計(jì)光效不高，更多是考慮滿(mǎn)足發(fā)光的各個(gè)角度的亮度要求，體積比較小，均勻性一般。側(cè)發(fā)光式光導(dǎo)，背部采用偏折花紋，這種光效不高，勝在體積可以更小。但是光導(dǎo)體積小，耦合的光線(xiàn)少，光直接從頭部射出尾部，所以均勻性并不好。二次偏折的厚壁件從實(shí)物均勻性效果看也不是很好。

方案1自由曲面 "方案2側(cè)發(fā)光光導(dǎo) 方案3二次偏折厚壁件

圖16 "其他企業(yè)光學(xué)設(shè)計(jì)方案

在對(duì)標(biāo)的基礎(chǔ)上，我們做了一些設(shè)計(jì)優(yōu)化提升光效和均勻性。借用了尾燈的設(shè)計(jì)方式，采用側(cè)發(fā)光式反射方案，如圖17所示，反射面采用了拋物面，在拋物面上做匹配各角度發(fā)光的花紋，光效特別高。后續(xù)可以考慮取消鍍鋁，采用高光面，一樣可以滿(mǎn)足亮度要求。拋物面的固定外型體積要比自由曲面大一些，所以空間需求會(huì)比其他方案大一些。從圖18可以看出，我司設(shè)計(jì)的BSD在均勻性上有很大的提升。

圖17 "海華光學(xué)設(shè)計(jì)方案

方案1 海華 " " " 方案2 " " " "海華 "方案3 海華

圖18 "各設(shè)計(jì)方案的效果對(duì)比圖

4 "總結(jié)

以上對(duì)SWA和BSD兩系統(tǒng)中超車(chē)變道輔助警告燈從功能布置、法規(guī)光學(xué)要求、企業(yè)要求、光學(xué)設(shè)計(jì)等諸多方面進(jìn)行了對(duì)比。通過(guò)大量的項(xiàng)目設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在SWA和BSD的設(shè)計(jì)上，都找出了影響感官、提升均勻性的關(guān)鍵點(diǎn)，并找到了這部分的設(shè)計(jì)規(guī)律，通過(guò)優(yōu)化參數(shù)，可以滿(mǎn)足主機(jī)廠對(duì)該類(lèi)型產(chǎn)品的亮度以及比較嚴(yán)格的感官要求。

超車(chē)變道輔助警告燈，不論是安裝在后視鏡殼體上的SWA還是鏡片外圍的BSD，都是主動(dòng)安全功能盲區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要部分。合理的產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，良好的均勻性感官，能有效提升品牌價(jià)值，提升客戶(hù)體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]Vehicle-Specific Performance Specification of Lane Change System Warning Lamp超車(chē)變道輔助警告燈設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)[Z].

（編輯 "楊 "景）