自適應遠光照明均勻性的解決方案

郭壯柱，楊志，龐宏力，郭青杰

(曼德電子電器有限公司保定光電分公司，河北 保定 071000)

引言

隨著照明技術的發(fā)展[1]，汽車燈具變得越來越智能[2]，逐漸從最初的被動式照明向主動安全式照明方向發(fā)展[3]，并且隨著整車網(wǎng)聯(lián)智能化的發(fā)展，汽車燈具的安全照明在自動駕駛的發(fā)展過程中顯得尤其重要，例如車燈的自適應遠光(adaptive driving beam，ADB)功能[4-6]，使駕駛者便于看清前方路況的同時也避免了前方車輛內駕駛者的眩目[7]。對于智能防眩目遠光的設計，存在一個矛盾點——防眩目遠光整體光型的均勻性與單個分區(qū)防眩目角度的矛盾，此矛盾點在低分區(qū)數(shù)量的光型中表現(xiàn)得尤其明顯。當要保證分區(qū)精度的前提時，相鄰兩個分區(qū)則需疊加角度較小，從而極易產(chǎn)生明暗相間的條紋；當要保證遠光整體光型均勻時，相鄰兩個分區(qū)則需疊加角度較大，但分區(qū)間的相互影響變大，導致防眩目角度成倍的增加[8]。

針對此矛盾點，可通過提高分區(qū)的精細度來降低矛盾程度，遮蔽眩目區(qū)域的角度占整體光型的百分比較小，可實現(xiàn)效果較佳的防眩目效果，但此種方案需要分區(qū)數(shù)量至少為20個，價格相對較高，針對普通車型應用較為困難。對此，本文通過對矛盾點的介紹，提出一種新的ADB設計思路——逆向設計思維，從整體光型著手進行設計，針對此矛盾點對每個分區(qū)的光強進行推導計算，使得分區(qū)數(shù)量較少的情況下中和此矛盾點。

1 矛盾點介紹

1.1 分區(qū)角度精度較高的光型

圖1(a)為模擬的一種精度較高的光型圖，相鄰的兩分區(qū)之間疊加0.3°@0.5 lx，單個分區(qū)角度為2.6°@0.5 lx，疊加分區(qū)較少，在疊加區(qū)域外的光型互不影響。此種光型的優(yōu)勢為當ADB功能啟動時，單個獨立分區(qū)的占比為70%，此時只關閉其中一個分區(qū)，暗區(qū)角度為1.4°；當車輛跨越其中兩個相鄰分區(qū)的疊加區(qū)域時，此時關閉其中兩個，暗區(qū)角度為3.4°，故當前方車輛在識別角度小于等于1.4°時，則暗區(qū)的角度為1.4°或3.4°；當前方車輛在識別角度小于等于2.8°時，則暗區(qū)的角度為3.4°或5.4°，以此類推，與設計角度相差較小，尤其出現(xiàn)多個車輛時，由于分區(qū)之間互不影響，故在非疊加區(qū)域的暗區(qū)也互不影響，可近似等于1.4°×C(車輛數(shù))，并且當單個分區(qū)角度越大時，所產(chǎn)生暗區(qū)的角度相差相對也就越小，但單個暗區(qū)的角度則會增大；而此種光型明顯的缺陷如圖1(b)所示，由于疊加區(qū)域較少，故整體光型在疊加區(qū)域部分則會產(chǎn)生相對的“暗縫”，整體光型水平H-H線上的光強分布如圖2所示，產(chǎn)生峰值差較大的波浪狀。

圖1 光型圖Fig.1 Lightpattern

圖2 光強分布圖Fig.2 Light intensity distribution

1.2 整體光型較均勻的光型

圖3 整體光型均勻的光型圖Fig.3 Homogeneous light pattern

此光學方案由于每個分區(qū)是由多個光型疊加而成，不會形成明顯的明暗邊界，整體光型較為均勻，且由于“n排”光型進行疊加形成的分區(qū)，故總分區(qū)數(shù)量要比顆粒數(shù)量多n個；并且當光型關閉一個分區(qū)時，由于關閉的為n顆顆粒，故產(chǎn)生的光型如圖4(a)所示，暗區(qū)邊界梯度較小，過渡均勻；但也正是由于分區(qū)由多個光型共同疊加形成，因此當一個光學分區(qū)關閉時，左右兩側相鄰(n-1)個分區(qū)都會受到影響，當出現(xiàn)兩個及以上并且相對角度較大的狀況時，整個光型變化則會成倍的變化，如圖4(b)所示。

圖4 暗區(qū)光強圖Fig.4 Light intensity distribution in dark segment

當車輛前方出現(xiàn)k個需要關閉的防眩目點時，則此光型關閉的分區(qū)φ°≤ν°+k×(n-1)ν°，故成比例增加暗區(qū)角度。圖5(a)為整體光型水平H-H線上的光強分布，基本無峰值的差距；圖5(b)為產(chǎn)生一個暗區(qū)時整體光型在H-H線上的光強分布，明暗過渡較為均勻；圖5(c)為產(chǎn)生兩個暗區(qū)時整體光型在水平H-H線上的光強分布，暗區(qū)較大。

圖5 H-H線上的光強分布圖Fig.5 Light intensity distribution at H-H line

2 逆向設計理論

從均勻ADB照度分布作為目標開始，采用逆向設計計算ADB分區(qū)的光型，X和Y分別是ADB照射的水平角度和垂直角度范圍，且照射范圍內(x,y)處的光強用E(x,y)表示。

2.1 單排光型設計

由于是單排光型，故在疊加時只考慮X方向的疊加即可，令Y=y，則在此平面上的光強分布E(X,y)，如圖6所示。

圖6 單個分區(qū)平面光強分布圖Fig.6 2D light intensity distribution map of one segment

1)每個分區(qū)光型相同。每個分區(qū)光型相同，若邊界疊加、過渡均勻，則需滿足

E(X0,y)=E(-X0,y)=0.5×Emax

(1)

E(X,y)+E(-X-(b-2×(X-a)),y)=

Emax(X≥a)

(2)

E(X,y)=E(-X,y)

(3)

其中b為單側疊加角度，a為單個光型存在Emax值的單側邊界。

故整個光型在疊加區(qū)域X∈(a,a+b)、X∈(-a-b,-a)中，只存在一個自由函數(shù)E(X,y)，滿足

a≤X≤a+b/2

(5)

即在整體光型設計時，除均等的最大值外，邊界只需給出一個自由函數(shù)即可。

現(xiàn)構造一個自由函數(shù)，圖7所示為任意一個光型的水平H-H線上的光強分布圖，其中Emax及單個光型展寬2×(a+b)為光學設計時設定，每個光型間的中心距則為2×a+b，令

圖7 自由函數(shù)Fig.7 Freefunction

(6)

ζ定義為光型之間的影響程度，ζ值越小時則光型之間影響程度越小，此值在設計時應當考慮。當E(X,t)=-K×(X-a)2+Emax，X∈[a,a+b/2]時，進行逆向設計。

在Y方向上，中心區(qū)域滿足

(7)

由于為單排分布，故在Y方向的邊界上無需滿足與X方向上的一致性。

當自由函數(shù)設計完成后，整個光型函數(shù)則如圖8所示。E(X,y)=E(1)+E(2)為設計自由函數(shù)，根據(jù)式(1)～式(4)及

圖8 光型函數(shù)Fig.8 Optical type function

E(2)=-K×(X-a)2+Emax，X∈[a,a+b/2]

(8)

可得

E(3)=K×(X-a-b)2，X∈[a+b/2,a+b]

(9)

E(4)=K×(X-a)2，X∈[a,a+b/2]

(10)

E(5)=-K×(X-a-b)2+Emax，

X∈[a+b/2,a+b]

(11)

疊加后，X∈[a,a+b/2]時，

E(X,y)=E(2)+E(4)=Emax

(12)

X∈[a+b/2,a+b]時，

E(X,y)=E(3)+E(5)=Emax

(13)

故此時疊加光型與為未疊加部分的光強保持一致。圖9(a)為正向模擬結果，圖9(b)為相對應分區(qū)逆向的模擬結果，可見對整體光型均勻性提升較高。

圖9 正向模擬和逆向模擬的光型對比Fig.9 Optical comparison of the forward and reverse simulation result

2)每個分區(qū)光型不同。在實際設計過程中，由于對ADB整體光型的需求及節(jié)能減排的目的，且考慮實用性，ADB每個分區(qū)的光型做成不相同的光型，亮度值從中心向兩側逐漸降低，故從此角度出發(fā)同樣進行逆向設計，避免疊加時的矛盾點。從整體光型出發(fā)，整體光型在H-H線上的光強圖如圖10所示。

圖10 整體光型光強分布圖Fig.10 Overall light intensity distribution map

光型左側斜率：k1=tanα

(14)

右側斜率：k2=tanβ

(15)

中間部分：E(X,y)=Emax

(16)

此三個數(shù)值為設計時確認。在單個分區(qū)光型光型設計時，左側第n個光型中心亮度(定義為Enmax)與單個分區(qū)所處分區(qū)角度相關：

Enmax=E1max+k1×(Xn-X1)

(17)

故兩個相鄰分區(qū)之間的中心亮度差值為

En+1max-Enmax=k1×(Xn+1-Xn)=k1×(2×a+b)

(18)

故在疊加時進行此兩光強光型之間的疊加設計。

在單個光型均勻疊加的基礎上進行峰值更改，不變量為疊加區(qū)域b，故增加后的中值E(a+b/2，y)位置不變，如圖11所示。

圖11 疊加部分光強圖Fig.11 Light intensity distribution of the superimposed part

其中：E(6)-E(1)=k1×(2×a+b)

(19)

(20)

(21)

故在E(1)～E(6)疊加區(qū)域中，光強疊加從a到a+b的中點為平均光強。

假設

(23)

(24)

故E(3)=Kn×(X-a-b)2，X∈(a+b/2,a+b)

(25)

E(4)=Kn+1×(X-a)2，X∈(a,a+b/2)

(26)

疊加區(qū)域：

E(7)=E(2)+E(4)=Enmax+(Kn+1-Kn)×(X-a)2，X∈(a,a+b/2)

(27)

E(8)=E(3)+E(5)=En+1max+(Kn-Kn+1)×(X-a-b)2=En+1max-(Kn+1-Kn)×(X-a-b)2，X∈(a+b/2,a+b)

(28)

(29)

故Kn、Kn+1只與Enmax和E(n+1)max相關，與其他變量無關。

綜上，此種光型的疊加區(qū)域均勻過渡且連續(xù)，如圖12所示。

圖12 疊加后光強Fig.12 Light intensity distribution after superposition

同理，在整體光型的右側同樣以此進行設計，區(qū)別為Enmax值。

2.2 多排光型設計

多排光型設計時，除上述的X方向的疊加需均勻外，同時也需要對Y方向的顆粒疊加進行與X方向相同的逆向疊加方式設計，整體光型則在X、Y雙方向上疊加都較為均勻。

針對逆向多排光型設計理論，當設計完成后對整體光型需進行二維均勻性評判，評判方法如下：

假設ADB整體光型在Y=y下的光強函數(shù)為E(X，y)，在模擬結果中轉化為點數(shù)據(jù)，每0.1°為一點，共X×Y=n×m個點，形成相對應的矩陣，橫向為X，縱向為Y，對應的光強為Exy，此點對應設計值為E(x,y)。

故

(30)

整個Y方向上離散量的平均值為

(31)

當σ(X,Y)值越小時，其與理論值越接近，整體光型也就越均勻。

3 結束語

逆向設計理論在ADB設計的過程中很好地解決了暗區(qū)角度與整體光型均勻性之間的矛盾，使得ADB各個分區(qū)從隨機型設計變成理論型設計，在實現(xiàn)ADB功能的前提下，更好地兼顧了遠光的照明效果。在汽車向自動化駕駛發(fā)展的背景下，L1～L4級自動駕駛是條必經(jīng)之路，人車交互將成為趨勢，ADB也會隨之出現(xiàn)更多的駕駛模式，以幫助駕駛者在夜間更好地駕駛車輛。