邓 亮，吴 杰，丰建芬，薛蔚平，王金磊

(1.南京大学电子科学与技术博士后流动站，江苏南京 210093；2.常州星宇车灯股份有限公司，江苏常州 213000)

引言

相关调查显示，一些重大事故发生在照明条件恶劣的路段[1]。眩光是指由于光亮度的分布或范围不适当或对比度太强，引起不舒适感或分辨细节或物体的能力减弱的视觉条件[2]。传统汽车前照灯存在近光照明不佳和远光眩光等问题，照明效果亟待提升。近年来图像识别技术在汽车安全领域被逐步推广，相应地自适应远光(adaptive driving beam，ADB)[3]技术应而生。ADB系统的光学设计、测试和评价方法等研究近年来进展迅速[4,5]，但仍缺乏整体研究。本文在已有ADB理论和综合评价的基础上[6]，研究机械式变光和矩阵反射式两种不同原理的远光系统光学设计的方法。

1 基本原理

ADB系统由夜间前视图像识别器与智能变光前照灯组成。图像识别器普遍安装在车辆前风挡，识别夜间前方开灯车辆的位置和距离，并通过车内总线将相关信息发给前照灯智能控制器，控制器驱动电机或者光源调整照明区域，避免前车眩目。

基本原理如图1～图3所示，其中A车为系统安装车辆，B车为前方会车车辆，C车为前方同向车辆。当A车测得前方B车、A车的距离和位置时，A车远光的照明区域为灰色，照明区域需要规避前车车窗以上区域，即眩光区域，并且眩光区域的宽度与高度要随着前车实时改变。在图3中，H-H线为水平线；V-V线为A车驾驶员视角的垂直线；L1和L2是目标车辆距离蓝车的距离；h0是A车前照灯距离地面的高度，h1和h2是前方车辆车窗下沿距离地面的高度；w1L和w1R是对向车道B车眩光区域的左右两侧，分别到A车身中心线的距离；w2L和w2R是同向车道C车眩光区域的左右两侧，分别到A车身中心线的距离。综上可得，对向车道会车(B车)远光眩光区域。

图1 ADB系统远光照明与眩光区域(侧视)

图2 ADB系统远光照明与眩光区域(俯视)

图3 ADB系统远光照明与眩光区域(驾驶员视角)

下边界角度：θ1D=tan-1[(h1-h0)/L1]；

左边界角度：θ1L=tan-1(w1L/L1)；

(1)

右边界角度：θ1R=tan-1(w1R/L1)。

同向车道会车(C车)远光眩光区域：

下边界角度：θ2D=tan-1[(h2-h0)/L2]；

左边界角度：θ2L=tan-1(w2L/L2)；

(2)

右边界角度：θ2R=tan-1(w2R/L12)。

考虑到车辆都在运动，目标车的距离和位置随时间变化，故各边界角度变化速度为

(3)

(4)

当图像识别器计算得到上述角度信息，通过总线发送给ADB远光控制器，控制远光改变光型，系统响应速度需要大于边界角度变化速度。参照ECE R123[7]，ADB系统应随道路与交通状况自动改变，在不妨碍其他道路使用者的情况下提供良好的照明。左驾的眩光区域角度、限值如表1所示。

当会车时，设双方的车速都为70 km/h，根据式(1)～式(4)计算得到眩光区域角度和理论变化速度如表2所示。

表1 ADB眩光区域与限值

表2 会车时暗区角度和变化速度

2 ADB光学设计方法

传统前照灯主要有近光和远光两种照明功能：近光光轴下倾0.57°，能照亮75 m以内的路面，不对前方车辆产生眩光；远光平直发散，能照亮150 m以内的道路及周边区域，会对前方车辆造成眩目。ADB在传统远光的基础上，动态产生宽度和位置变化的暗区，在不影响周边照明的情况下，有效地避免眩光。

2.1 机械式变光的设计方法

传统远近光一体光学模组采用椭球面反射镜结合透镜投影的原理，远近光切换通过旋转刻有近光截止线遮光板实现。在传统远近光一体模组上，研究了实现ADB功能的光学设计方法参见图4，该原理包含上下LED光源和椭球面反射镜、变光转鼓和前置非球面透镜等光学部件。上部LED和反射镜投射出光型的主体部分，而下部的LED和反射镜主要起补充亮度作用，扩展远光展宽的作用。LED光源分别处于各自对应的椭球反射镜的第一焦点处，其发出的光线经过反射汇聚在椭球反射镜的第二焦点处，再经过变光转鼓和透镜向前投射。

图4 透镜投影变光的光学原理

变光转鼓为核心部件，区别于传统远近光遮光板，可以形成平光、45°截止线的近光、远光和L型，其中平光是一种在配光屏幕上明暗截止线呈现V-V线左右两侧等高且水平的光型，而L型是可产生暗区的光型。如图5所示，左右双灯分别产生的L型，通过组合形成矩形暗区，避免眩光。为了缓解光型突变引发的不适，变光转鼓横截面近似于一个半圆，四种光型平滑过渡，确保变光过程中各点照度变化相对平缓，转鼓的结构见图6。

图5 机械式双灯配合避免眩光的原理

图6 变光转鼓的结构

变光转鼓的转动机构采用步进电机结合霍尔角度反馈实现，步进电机的步距角固定，经过多级齿轮传动后，实现高精度控制转角。霍尔角度传感器补偿步进电机的失步，并消除传动机构间隙，确保变光一致性。眩光暗区的水平和垂直角度变化，通过水平随动步进电机与调高步进电机实现。上述光学模组主要通过电机机械传动实现，被称为机械式变光模组，其实物见图7。

图7 机械式变光模组总成

2.2 矩阵反射的设计方法

除了远近光一体光学方式，传统前照灯还有远光、近光分离方式。在单独远光的基础上，研究了采用矩阵反射原理实现ADB功能的方法见图8，将远光区域-25°～25°划分为15个区域，左侧远光模组实现-25°～5°共9个区域，右侧为左侧镜像，二者在-5°～5°叠加，增强高亮区域。为满足远光配光要求和实现变光功能，左侧模组采用了9颗LED光源，结合6片反射镜，分为上下两行。上部3个反射模组各有1颗LED，实现从-25～5°范围内均匀照明，下部3个反射模组各有2颗LED，实现从-15°～5°分区域精细照明。

虽然矩阵反射式远光原理比透镜投影的光学效率高30%，光源利用率和成本存在优势，但是由于反射面加工及LED装配存在误差，高精度配光分布(<0.5°)采用单一反射镜，一致性难以保证。为了提高精度、消除明暗条纹、匀化配光效果，采用复合反射的方案，即多颗LED反射光型叠加。如实现远光功能，左右18颗LED全亮；要实现中间不同角度和位置暗区，需要左右模组协调关闭4颗以上。通过不同亮灭组合，该模组可以同时实现3块不同位置的暗区，累计实现20种以上不同位置和宽度的暗区，实物见图9。

图8 矩阵式双灯配合避免眩光的原理

图9 矩阵反射式远光模组总成

3 测试结果与对比分析

ADB系统测试需要考虑图像识别效果、眩光亮度、变光平顺性、周边照明和响应时间[6]等五个方面：

1)夜间对前方开灯车辆的识别效果直接影响了系统的性能，其效果由探测距离和识别准确率两个指标判定；

2)眩光亮度是系统的主要性能，欧盟标准ECE R123规定了眩光暗区的位置及光强限值(见表1)；

3)前照灯快速频繁变光，容易引发本车驾驶员和乘员不舒适，变光平顺指光强平缓变化避免出现突变，通过光强变化速度判定；

4)ADB在传统远光基础上避免前车眩光，暗区周围要接近远光效果，推荐暗区周边2.5°以内并高于下边界0.2°线上的平均照度≥24 lx；

5)眩光暗区位置和宽度要随车辆相对运动改变，系统需要在车辆交会的短期内完成变光与复原的全过程，通过测量图像处理时间与模组变光时间，其中模组变化速度要达到表2的限值。

表3 ADB系统测试项

上述测试项中，考核光学设计有眩光亮度、变光平顺性、周边照明和响应时间4项，通过将模组安装在专用检测台，扫描光型得到配光测试结果。测试台架功能为固定校准光学模组、处理图像识别信号和控制光学模组变光，机械式变光测试台如图10所示，矩阵反射式远光测试台如图11所示。

3.1 由光型扫描结果分析眩光亮度与周边照明

机械模组测试台同步控制转鼓步进电机、水平随动步进电机和调高步进电机，通过配光测试设备扫描光型，得到左右光学模组配合形成的照明分布。依据表1，以对向车道200 m会车为例，标准规定眩光区域左右边界角度为左1.2°～左0.5°上0.15°，眩光暗区内最大光强为5 450 cd。图12为机械式变光模组在25 m处扫描所得光型，其中H-H是水平线，V-V是垂直线，虚线为5°网格线。图13为屏幕实测数据在lucidshape软件生成的路面照度分布，图中横轴为水平距离，纵轴为垂直距离，距离单位m；经线为照明水平角度。由测试结果可知，当对向车道前方200 m出现开前灯的会车时，机械式变光模组可以产生眩光暗区的位置为左1.5°～左0.5°上0°，在标准规定的范围内最大光强为4571 cd，达到标准眩光亮度的要求。

图10 机械式变光模组测试台

图11 矩阵反射式远光模组测试台

矩阵模组台架同步控制左右两侧分别关闭多颗LED，可以在左1.5°～左0.5°，产生最大光强为673 cd的眩光暗区，可以达到标准的要求。图14为矩阵反射变光模组在25 m处扫描所得光型，图15为其路面照度分布。

为了确保暗区周边能接近远光照明的效果，系统要在暗区周边2.5°以内并高于下边界0.2°线上的平均照度≥24 lx(在25 m测试屏上照度1 lx对应光强625 cd)。如图12所示，机械式模组的最大照度点(Emax点)位于(左4.6°，下0.4°)，照度值为111.2 lx，暗区左侧左4°～左1.5°上0.35°线上，平均照度91.2 lx；暗区右侧右0.5°～右2°上0.35°平均照度82.3 lx。如图13所示，机械模组3 lx线最远照明距离为210 m，1 lx线>250 m，接近远光的效果。如图14所示，矩阵反射式模组的最大照度点位于(右3.5°，上0.8°)，为60.5 lx，暗区左侧左4°～左1.5°上0.35°平均照度35.2 lx，暗区右侧左0.5°～右2°上0.35°平均照度40.3 lx。如图15所示，矩阵模组3 lx线最远照明距离为125 m，1 lx线对应230 m，接近远光的效果。

图12 机械式变光模组眩光暗区的等照度曲线

图13 机械式变光模组的路面照度分布图

图14 矩阵反射远光模组眩光暗区的等照度曲线

图15 矩阵反射远光模组的路面照度分布图

机械模组通过电机调节暗区角度、矩阵模组通过各反射区的亮灭组合，都可以达到标准规定各种距离位置的眩光暗区角度和亮度，周边照明也接近远光的照度和效果。机械模组与矩阵模组对比，小暗区最大光强要高4倍，大暗区最大光强接近，周边照度要高60%，周边照明距离要远40%。

3.2 由动态测试结果分析变光平顺性与响应时间

视觉对亮暗变化的适应程度，因为个体差异而没有明确标准，在设计中需要放缓变化趋势，避免出现突变。对ADB功能而言，因为车辆相对运动速度快，期望系统能快速响应，变光平顺性与响应时间二者相互制约。如在两车相会时，即要确保系统快速响应满足表2的角度及变化速度，又要控制光通量反复剧烈变化。

本研究应用成像式光度计结合配光数据标定，动态测试变光模组的性能，类似方法应用于道路照明眩光效果的动态测试[8]：测试台复现两车各以70 km/h的车速会车，从250 m开始的灯光变化，成像式光度计高速拍摄测试屏上的照明变化(曝光时间50 ms)。预先收集的各变化阶段配光数据，再按照像素点的灰度比对的方法，标定消除系统误差后，生成暗区角度、光通量损失对应时间的变化曲线。

图16为机械模组变光的全过程：前0.9 s变光转鼓由远光旋转至L型光，并控制暗区水平转动满足动态变化的要求；在后1 s当需要暗区左侧转角>10°，超出水平随动电机的行程，左侧模组的变光转鼓由L型旋转至平光并保持至会车完毕。机械式模组在200～50 m处暗区分别为(左1.5°～左0.5°)、(左2.0°～左0.6°)、(左2.8°～左0.8°)、(左5.5°～左1.8°)，直至左侧转平光实现(左25.0°～左8.0°)。最快角度变化速度≥4.5°/s，转鼓变光时间0.5 s，水平角度变化平均响应时间0.3 s。远光光通量损失前期与后期变化大，中期保持平稳，最大在0.5 s内改变30%。

图16 机械模组眩光暗区角度和光通量变化的时间曲线

图17为矩阵模组变光的全过程，通过各反射区组合亮灭实现，在200～50 m内，关闭左右中间4块实现暗区(左1.5°～左0.5°)，关闭左右中间8块实现(左2.6°～左1.3°)，关闭左右中间7块实现(左5.1°～左1.8°)，关闭左侧中间4块实现(左7.8°～左3.7°)，直至关闭左侧边缘4块实现(左23.2°～左7.2°)。变化平均响应时间0.2 s。光通量损失前后期变化大，中间出现亮暗跳变，最大在0.2 s内改变28%。

图17 矩阵模组眩光暗区角度和光通量变化的时间曲线

机械式与矩阵式都可以满足表2的角度及变化要求，响应时间≤1 s。前者远光光通量变化平稳，后者多次出现亮暗跳变，最大改变幅度是前者的2.3倍。

4 结论

智能前照灯的光学设计除了要考虑传统远光的配光要求，还要满足欧盟标准的眩光暗区、响应时间等，如变光平顺性等光健康指标也需要考核。矩阵式远光具有细分精度高的优势(能够同时实现3个以上的暗区)，将成为智能远光的主流设计，但是相比机械式远光，其中心光强、周边照射距离、特别是变光平顺仍有较大的差距。建议今后研究矩阵模组时，重点考虑根据路况变化，合理搭配照明细分区域，实时控制各区域亮度变化，避免出现“亮暗跳变”现象，有效地减少对驾驶员造成不适，降低疲劳感，提升夜间行车安全性。