一種解決自動(dòng)頭燈光線傳感器紅外拖尾的方法

韓 瑜，劉鳴洲

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

自動(dòng)頭燈也叫自動(dòng)感應(yīng)式前照燈，其功能是根據(jù)汽車周圍光線強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)亮起或熄滅。其原理是為前照燈安裝了感光控制系統(tǒng)，中央控制器BCM根據(jù)光線傳感器測(cè)得的值來(lái)判斷光線亮度變化，從而控制自動(dòng)點(diǎn)亮或熄滅頭燈。當(dāng)汽車從亮的地方突然進(jìn)入隧道，前照燈將自動(dòng)開(kāi)啟點(diǎn)亮前路。自動(dòng)頭燈可以使駕駛者在需要前照燈的時(shí)候免去尋找開(kāi)關(guān)的過(guò)程，同時(shí)也可以避免駕駛者在夜間或光線不好的時(shí)候忘記開(kāi)前照燈，提高了行車安全。GB4785《汽車晝間行駛燈配光性能》法規(guī)要求：當(dāng)外界環(huán)境光小于1000 LUX時(shí)，汽車前照燈必須開(kāi)啟；當(dāng)外界環(huán)境光大于7000 LUX時(shí)，前照燈需自動(dòng)關(guān)閉。然而目前德國(guó)市場(chǎng)上有很多客戶抱怨，在售的某些車輛會(huì)對(duì)隧道內(nèi)白熾燈的紅外部分過(guò)度響應(yīng)，造成汽車頭燈無(wú)法正常開(kāi)啟，影響行車安全。本文將在分析自然光和白熾燈光光譜以及光線傳感器特性的基礎(chǔ)上，提出一種抑制紅外拖尾現(xiàn)象的方法，以解決自動(dòng)頭燈在隧道內(nèi)無(wú)法正常開(kāi)啟的問(wèn)題。

1 紅外拖尾現(xiàn)象

光線傳感器的光敏二極管接受光照時(shí)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的響應(yīng)，然而對(duì)不同頻段 (波長(zhǎng))的光線，其靈敏度不盡相同。當(dāng)環(huán)境光中紅外光的能量較多，而光線傳感器對(duì)環(huán)境光紅外部分的靈敏度過(guò)高時(shí)，即使在可見(jiàn)光微弱的場(chǎng)景下，傳感器依然會(huì)認(rèn)為環(huán)境光足夠強(qiáng)，產(chǎn)生很高的輸出信號(hào)，這就是光線傳感器的紅外拖尾現(xiàn)象。圖1是陽(yáng)光和白熾燈光的光譜特性曲線。由圖1可見(jiàn)，陽(yáng)光的能量主要集中于可見(jiàn)光部分，紅外輻射能量隨著波長(zhǎng)的增加而減小；而白熾燈光的能量主要集中于紅外部分，其能量隨著波長(zhǎng)的增加而增大。

圖1 陽(yáng)光和白熾燈的光譜特性

圖2是德國(guó)市場(chǎng)在售某型號(hào)光線傳感器 (光敏二極管型號(hào)TEMD5510，產(chǎn)品上蓋板材料PC2407)在白熾燈照射下的輸出特性曲線，該產(chǎn)品對(duì)紅外光的輸出是可見(jiàn)光的8倍 (如紅色部分所示)。

圖2 某型號(hào)光線傳感器在白熾燈下的輸出特性曲線

由圖1和圖2的分析可知，環(huán)境光能量主要分布于紅外波段以及光線傳感器在紅外波段具有較高靈敏度，是造成紅外拖尾現(xiàn)象的兩個(gè)主要因素，前者是外因，后者是內(nèi)因。

安裝有白熾燈的隧道內(nèi)的典型光強(qiáng)特征為：波段為最大光強(qiáng)時(shí)，可見(jiàn)光譜 (550 nm)500 Lux，紅外光譜 (900 nm)4000 Lux。若光線傳感器產(chǎn)品在陽(yáng)光下標(biāo)定時(shí)設(shè)定執(zhí)行開(kāi)燈指令的光強(qiáng)閾值為1000 Lux，使用此型號(hào)光線傳感器的車輛將不能在白熾燈隧道內(nèi)自動(dòng)開(kāi)啟頭燈。

2 光線傳感器特性分析

如前所述，光線傳感器的感光特性是紅外拖尾現(xiàn)象的內(nèi)因。光線傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，各零部件的功能如表1所示。

圖3 光線傳感器的爆炸圖

表1 光線傳感器的零件明細(xì)及功能

下面對(duì)傳感器中使用的光敏二極管和上蓋材料的光學(xué)特性進(jìn)行分析。市場(chǎng)上某型號(hào)光線傳感器使用的光敏二極管TEMD5510，其光譜靈敏度如圖4所示，該光敏二極管對(duì)紅外波段存在一定的靈敏度，同等光強(qiáng)下在紅外部分的輸出占總輸出的30%。

圖4 TEMD5510的靈敏度曲線

上蓋使用的PC材料為Bayer的Makrolon 2407，其透光率曲線如圖5所示。材料在紅外波段的透光率是可見(jiàn)光波段的9倍，可見(jiàn)材料更容易透過(guò)紅外光。

圖5 PC Makrolon 2047黑色材料的透光率特性曲線

由圖4和圖5可知，光敏二極管對(duì)紅外光存在較強(qiáng)靈敏度，傳感器上蓋材料對(duì)紅外光的透光率顯著強(qiáng)于可見(jiàn)光，是該光線傳感器對(duì)紅外光具有較強(qiáng)靈敏度的2個(gè)主要原因。圖6是該傳感器在陽(yáng)光和白熾燈下的輸出特性曲線。

圖6 該光線傳感器在陽(yáng)光和白熾燈下的輸出特性曲線

由圖6可知：在陽(yáng)光下，該型號(hào)傳感器在可見(jiàn)光和紅外光波段的輸出基本相等；在白熾燈下，傳感器主要對(duì)紅外光產(chǎn)生輸出。

3 解決方法

由于陽(yáng)光和白熾燈的光譜特性無(wú)法改變，所以需要改變光敏二極管及上蓋PC材料的光學(xué)特性，使得光線傳感器主要對(duì)可見(jiàn)光產(chǎn)生輸出。由于自動(dòng)頭燈是否開(kāi)啟應(yīng)由自然光的強(qiáng)度決定，所以光線傳感器的光譜靈敏度應(yīng)盡量與人眼保持一致。人眼的光學(xué)靈敏度特性曲線如圖7所示。人眼對(duì)波長(zhǎng)400～700 nm之間的光感應(yīng)最為靈敏，因此光線傳感器靈敏度較高的波段也應(yīng)設(shè)在此范圍。

圖7 人眼的光學(xué)靈敏度特性曲線

首先改選光敏二極管的型號(hào)。選用型號(hào)為OSRAM公司的SFH2440，其光譜靈敏度曲線如圖8所示。該光敏二極管靈敏度較高的波段主要集中在可見(jiàn)光波段，對(duì)紅外光的靈敏度很小，基本符合人眼的光線靈敏度特性。

圖8 SFH2440光譜靈敏度特性

隨后對(duì)上蓋PC材料進(jìn)行選擇，要求其透光率在各波段應(yīng)保持一致，因此選用某型號(hào)的新PC材料。新PC材料與原始PC Makrolon 2407材料透光率曲線如圖9所示。由圖9可見(jiàn)，新材料在可見(jiàn)光部分的透光率比PC 2407高，有利于透過(guò)可見(jiàn)光；在紅外部分的透光率比PC 2407低，不利于紅外光的透過(guò)。

圖9 PC 2407與新的PC材料對(duì)比曲線

采用SFH2440光敏二極管與新材料組合而成新的光線傳感器，并將其靈敏度曲線與原來(lái)市面上的傳感器進(jìn)行對(duì)比，如圖10所示。新光線傳感器具有較高靈敏度的波段在400～700 nm，集中在可見(jiàn)光的波長(zhǎng)范圍，對(duì)紅外光的靈敏度很小，與人眼的光學(xué)靈敏度特性相似，抑制了紅外拖尾現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖10 新光線傳感器與原光線傳感器的靈敏度曲線對(duì)比

新設(shè)計(jì)的光線傳感器在陽(yáng)光和白熾燈下的輸出特性如圖11所示。新設(shè)計(jì)的光線傳感器在白熾燈和陽(yáng)光下的輸出在波長(zhǎng)400～700 nm的波段取得較大值，在紅外波段的輸出較小，光學(xué)特性基本符合人眼特性。因此在通過(guò)由白熾燈進(jìn)行照明的隧道時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)頭燈無(wú)法開(kāi)啟的情況。

圖11 新光線傳感器在陽(yáng)光和白熾燈光下的輸出特性曲線

4 結(jié)論

本文通過(guò)分析光線傳感器當(dāng)中光敏二極管和上蓋材料的光學(xué)特性，探究車輛光線傳感器紅外拖尾現(xiàn)象的成因，基于此提出了抑制紅外拖尾現(xiàn)象的方法，解決了市面上某些在售汽車自動(dòng)頭燈無(wú)法在隧道內(nèi)自動(dòng)開(kāi)啟的問(wèn)題。

附錄：GB4785的要求

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