車輛超車變道輔助警告燈

[摘要]主動安全是目前汽車駕駛安全技術的重點之一。盲區監測系統是主動安全部分中先進駕駛輔助系統ADAS的一部分。盲區監測系統與駕駛員的人機交互是通過發光燈具來實現的。燈光作為最高效的交互方式，在車身有著廣泛的運用。本文將重點介紹盲區監測系統常用燈具——超車變道輔助警告燈SWA和BSD。通過對兩種產品的功能布置、光學設計要求、光學設計方案等分析，能夠在滿足設計要求的同時具有良好的感官體驗，實現更好的人機交互。通過現有的結構設計軟件和光學設計軟件對產品的光學設計單元，如準直透鏡單元、偏折花紋單元、擴散花紋單元、反射鏡不斷優化，最終鎖定均勻性較好的方案，為客戶提供良好的人機交互，提升主動安全性能。

[關鍵詞]SWA超車輔助警告燈；BSD盲點監測；眼點；光強；亮度；準直透鏡；偏折花紋；擴散花紋；反射鏡

中圖分類號：U463.65 " " " 文獻標志碼：A文章編號：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

作者簡介：黃立敏（1988—），女，工程師，主要從事汽車燈具開發管理工作；鐘原（1983—），男，技術部長，主要從事后視鏡相關汽車燈具結構設計和光學設計工作；何俊華（1993—），男，工程師，主要從事汽車燈具的電子電氣研發工作。

收稿日期：2022-11-22

1 "前言

隨著科技發展和社會進步，汽車已經成為日常交通出行的主要交通工具。在車輛行駛過程中，當駕駛員進行超車或變道時，由于視野限制，車身兩側有一部分區域處于駕駛員的視野盲區，存在安全隱患。如果在駕駛員超車或變道過程中，有其他車輛竄入，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車或視野盲區車輛情況，輔助駕駛員判斷超車或變道是否安全，就需要一種人車交互的輔助裝置——超車變道輔助警告燈。

目前汽車行業通常采用SWA和BSD兩種技術來實現超車變道輔助功能，結合毫米波雷達與發光燈具，輔助駕駛員判斷變道、超車等駕駛行為是否安全，起到警示作用。

SWA全稱為Spur WechselAnzeige（德語），超車輔助警告燈，通常安裝在后視鏡殼體位置，是變道輔助系統的人機交互界面。BSD全稱為Blind Spot Detection，盲點監測，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，設計目標是在駕駛員所有眼點范圍內可見，亮度滿足要求。在駕駛員眼點范圍以外不可見，道路其他使用者不會注意到超車警告輔助燈。BSD布置在后視鏡外圍，對駕駛員和道路其他使用者都可見。

通過車輛后部毫米波雷達對側后方的探測，SWA和BSD具有盲區監測和變道輔助兩個功能，并有“提示等級”和“警告等級”兩個顯示等級。當相鄰車道存在變道操作威脅的車輛時，同側的SWA或BSD會輸出穩定亮度的光信號，系統處于“提示等級”。當駕駛員操作了轉向燈，表明了改變車道的意圖，這時SWA或BSD將進行短時間的高亮閃爍，系統處于“警告等級”，目的是讓駕駛員將視線轉移到后視鏡上。

SWA和BSD名字不同，但實現的功能是一樣的。本文僅介紹該系統功能的發光燈具，統稱為超車變道輔助警告燈。接下來我們著重介紹SWA和BSD兩種超車變道輔助警告燈的光學要求和光學設計技術。

2 "光學要求

2.1 "國標

目前GB/ECE/SAE等法規并沒有SWA和BSD的定義和要求，也不是強制安裝燈具。韓國法規MLTM Notice-802中定義BSD外側發光強度不得超過0.5cd。考慮BSD警告燈通常安裝在后視鏡外邊緣，非常靠近側轉向燈，為了避免側后方車輛誤以為前方車輛將變道，所以設定該法規要求。

2.2 "企標

2.2.1 "SWA的企業標準

SWA的設計要求是從駕駛員眼點位置出發，眼點位置和SWA相對關系如圖2左圖所示，駕駛員眼點縱向平面上，內環為眼橢圓，外環為在眼橢圓4個方向一定公差范圍外延形成的測量橢圓。主機廠通常會提供眼點或眼橢圓，如圖2右圖所示，可覆蓋不同身高的駕駛人群。SWA輻射表面在M50眼點和其出光面中心連線的投影面積必須具有至少300mm2的可見區域。整個照明區域必須對整個眼橢圓區域可見，不得因鏡面三角形、窗槽條、A柱或其他模塊而使發光區域遮擋或變暗。

F05—5%的小個子女性M50—50%的男性M95—95%的大個子男性

圖2 "眼點眼橢圓示意圖

SWA的光學特性1是以SWA發光面為中心的發光強度分布，并在光強分布中繪制眼點、眼橢圓，最大發光強度必須在眼橢圓內，并且光分布均勻地照亮眼橢圓。如圖3所示。

圖3 "發光強度分布的示意圖

SWA光學特性2是亮度數值要求，從圖3右圖所示的所有眼點觀察SWA出光面，并進行亮度模擬和測量。在亮度數值上，主機廠會要求主駕側亮度gt;2000cd/m2，副駕側亮度gt;6000cd/m2，或兩側的亮度均gt;9000cd/m2。

在圖4中，我們把2個主機廠的眼點范圍在M50重合的情況下做了對比，可以看出不同主機廠眼點區域大小有差異。區域小的眼點位置，亮度可以做得更高，各有側重。

圖4 "不同主機廠眼點位置比較

2.2.2 "BSD的企業標準

BSD常用圖標如圖5所示，各個主機廠都有自己選擇的圖形。

圖5 "BSD圖標案例

BSD的光學特性是以字符出光面為中心的亮度分布要求，如圖6所示，以后視鏡平面朝車輛中心方向為0°，BSD的亮度要求主要集中在內側，如主駕側BSD在內側50～75°或60～75°角度范圍內，要求亮度大于3000或3500。副駕側BSD同樣在內側40～60°或50～65°范圍內有亮度要求。對車輛外側則會限定亮度值以減少對道路其他使用者的干擾，如在外側110～160°甚至更大范圍內，主駕側和副駕側亮度不能超過內側亮度的30%或某一固定值。

圖6 "BSD亮度的要求示意圖

對于BSD的設計要求，沿用性很強，一款BSD燈具可以在很多其他車身上沿用。如果BSD亮度對內側的角度范圍要求可以結合駕駛員眼點位置設定，則同樣能夠體現人機的交互。

關于SWA和BSD超車變道輔助警告燈功能，大部分主機廠采用黃色，也有主機廠使用紅色，并對紅色的警告燈下調了亮度值要求。

3 "光學設計

除了光強和亮度，超車變道輔助警告燈點亮均勻性是提升感官體驗的重點。SWA和BSD的點亮均勻性需要從整個駕駛員眼點區域來進行評估。燈具功能出光面邊界必須清晰，亮度必須均勻過渡，不能出現亮斑、亮條、暗區、發光邊緣等問題。目前點亮均勻性主要是通過光學設計來優化的，接下來我們將重點介紹SWA和BSD的光學設計內容。

3.1 "SWA光學設計

SWA光學設計主要涉及到4個光學單元：光源、準直透鏡、偏折花紋、擴散花紋，擴散花紋可以與偏折花紋做在同一個光學元件上，如圖7左圖Optical lens2，或外燈罩上。現逐漸演化成將準直透鏡、偏折花紋和擴散花紋三者結合在一個光學元件上，如圖7右圖Innerlens所示。

圖7 "SWA零部件清單示意圖

SWA光學單元1光源通常選用3顆60°擴散角LEDLYE65F，主要是因為這顆LED上已經有了一個準直透鏡，相對于120°發光角的LED，這顆LED在同樣的功率下光通量更高。另外在同一個準直透鏡下，如圖8所示，使用相同的光通量，60°擴散角LED對比120°擴散角LED，準直透鏡表面亮度會提升20%～25%。

圖8 "準直透鏡表面亮度對比

光學單元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°，經驗通常是偏折角度不超過20°為宜。通過偏折花紋的設計，將SWA的主出光方向偏向M50，這樣才能確保最大光強在眼橢圓范圍內。

橫向剖視圖 " " " " " " " " 縱向剖視圖

圖9 "SWA裝車位置剖面示意圖

光學單元3是擴散花紋，對已經偏折到M50方向后的光束，通過玉米粒花紋進行擴散，擴散角度通常在5～10°，將所有的眼點覆蓋在主光強區域內為宜。

到此，我們就可以在每一個眼點位置建立亮度輻射器來評價亮度值和均勻性。在有限的LED輸出光通量下，各車型偏折角度條件不同，為提升均勻性的感官體驗，僅通過擴散花紋優化均勻性會損失亮度，所以在優化均勻性的同時，需要反復驗證邊緣眼點的亮度值是否滿足要求。如何兼顧均勻性與亮度值正是SWA設計的難點。

如圖10所示，在SWA點亮均勻性優化的過程中，主要問題是兩LED之間的暗區、菲涅耳單元的螺旋紋成像以及安裝結構導致的暗區問題。

2LED之間暗區 成像螺旋紋 卡角暗區

圖10 "SWA常見均勻性問題點

通過對圖10所示點亮問題的優化，準直透鏡經過了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，通過準直透鏡光學單元的優化，可以避免因增加擴散花紋角度而降低亮度的問題，所以更加有效。同時準直透鏡表面均勻性也從0.3：1優化提升到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 "準直透鏡4代演變

第1代平菲涅耳是基礎模型，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。通過對凸菲涅耳準直透鏡表面均勻性進行優化，減少交匯處的暗區，可以避免因增大擴散花紋的擴散角而導致最終發光面亮度的降低。通過菲涅耳結構效率的優化提升最終產品的亮度和均勻性。

第1代平菲涅耳 " " "第2代凸菲涅耳

圖12 "兩代菲涅耳對比圖

為了改善菲涅耳準直透鏡螺旋紋成像的問題，我們在項目中陸續采用了凸透鏡方式，同時減少了螺旋紋在模具加工上的影響。

準直透鏡切換到凸透鏡后，同樣需要優化凸透鏡的光學結構來改善LED間暗區。凸透鏡準直透鏡的設計要點是通過改變凸球的曲率來消除透鏡與透鏡間的三角暗區。改變曲面接收光線的角度，增加發光面的面積，減少三角暗區的存在，實現優化的作用。如圖13所示，通過對透鏡曲率的調整，最終對整個可視化的效果得到了改善。

圖13 "凸透鏡準直透鏡暗區優化效果展示

因SWA空間較小，安裝卡腳會導致出光面不完整，所以目前主要采用準直透鏡與偏折花紋內燈罩一體注塑方案。如圖14所示，凸透鏡準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燈罩與準直透鏡做成一體，優化安裝結構導致的暗區問題。

圖14 "一體注塑結構示意圖

3.2 "BSD光學設計

BSD裝配在鏡片下面，空間十分局限，各個企業均有自己對于BSD發光結構的設計方式，均是朝著能夠盡可能體積小的方向去設計，光效都不高，所以對于均勻性的擴展都很局限。圖15為BSD零部件清單示意圖。

圖15 "BSD零部件清單示意圖

目前其他企業用于BSD設計的光學形式有3類：自由曲面、側發光光導、二次偏折厚壁件，如圖16所示。自由曲面的設計光效不高，更多是考慮滿足發光的各個角度的亮度要求，體積比較小，均勻性一般。側發光式光導，背部采用偏折花紋，這種光效不高，勝在體積可以更小。但是光導體積小，耦合的光線少，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物均勻性效果看也不是很好。

方案1自由曲面 "方案2側發光光導 方案3二次偏折厚壁件

圖16 "其他企業光學設計方案

在對標的基礎上，我們做了一些設計優化提升光效和均勻性。借用了尾燈的設計方式，采用側發光式反射方案，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光的花紋，光效特別高。后續可以考慮取消鍍鋁，采用高光面，一樣可以滿足亮度要求。拋物面的固定外型體積要比自由曲面大一些，所以空間需求會比其他方案大一些。從圖18可以看出，我司設計的BSD在均勻性上有很大的提升。

圖17 "海華光學設計方案

方案1 海華 " " " 方案2 " " " "海華 "方案3 海華

圖18 "各設計方案的效果對比圖

4 "總結

以上對SWA和BSD兩系統中超車變道輔助警告燈從功能布置、法規光學要求、企業要求、光學設計等諸多方面進行了對比。通過大量的項目設計經驗，在SWA和BSD的設計上，都找出了影響感官、提升均勻性的關鍵點，并找到了這部分的設計規律，通過優化參數，可以滿足主機廠對該類型產品的亮度以及比較嚴格的感官要求。

超車變道輔助警告燈，不論是安裝在后視鏡殼體上的SWA還是鏡片外圍的BSD，都是主動安全功能盲區監測系統的重要部分。合理的產品設計要求，良好的均勻性感官，能有效提升品牌價值，提升客戶體驗。

參考文獻：

[1]C-NCAP管理規則（2021年版）[Z].

[2]Vehicle-Specific Performance Specification of Lane Change System Warning Lamp超車變道輔助警告燈設計任務書[Z].

（編輯 "楊 "景）