自適應(yīng)遠(yuǎn)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(shù)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(yīng)遠(yuǎn)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(nèi)駕駛者的眩目[7]。對于智能防眩目遠(yuǎn)光的設(shè)計，存在一個矛盾點——防眩目遠(yuǎn)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(dāng)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(dāng)要保證遠(yuǎn)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(dǎo)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(xì)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(yīng)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(shè)計思路——逆向設(shè)計思維，從整體光型著手進(jìn)行設(shè)計，針對此矛盾點對每個分區(qū)的光強(qiáng)進(jìn)行推導(dǎo)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(dāng)ADB功能啟動時，單個獨立分區(qū)的占比為70%，此時只關(guān)閉其中一個分區(qū)，暗區(qū)角度為1.4°；當(dāng)車輛跨越其中兩個相鄰分區(qū)的疊加區(qū)域時，此時關(guān)閉其中兩個，暗區(qū)角度為3.4°，故當(dāng)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(dāng)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(shè)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(dāng)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(qiáng)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(qiáng)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(xué)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(jìn)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(dāng)光型關(guān)閉一個分區(qū)時，由于關(guān)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(dāng)一個光學(xué)分區(qū)關(guān)閉時，左右兩側(cè)相鄰(n-1)個分區(qū)都會受到影響，當(dāng)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(qiáng)圖Fig.4 Light intensity distribution in dark segment

當(dāng)車輛前方出現(xiàn)k個需要關(guān)閉的防眩目點時，則此光型關(guān)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)分布，暗區(qū)較大。

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

2 逆向設(shè)計理論

從均勻ADB照度分布作為目標(biāo)開始，采用逆向設(shè)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(nèi)(x,y)處的光強(qiáng)用E(x,y)表示。

2.1 單排光型設(shè)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(qiáng)分布E(X,y)，如圖6所示。

圖6 單個分區(qū)平面光強(qiáng)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(cè)疊加角度，a為單個光型存在Emax值的單側(cè)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(shè)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(gòu)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(qiáng)分布圖，其中Emax及單個光型展寬2×(a+b)為光學(xué)設(shè)計時設(shè)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(shè)計時應(yīng)當(dāng)考慮。當(dāng)E(X,t)=-K×(X-a)2+Emax，X∈[a,a+b/2]時，進(jìn)行逆向設(shè)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(dāng)自由函數(shù)設(shè)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(shè)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(qiáng)保持一致。圖9(a)為正向模擬結(jié)果，圖9(b)為相對應(yīng)分區(qū)逆向的模擬結(jié)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(shè)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(cè)逐漸降低，故從此角度出發(fā)同樣進(jìn)行逆向設(shè)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(qiáng)圖如圖10所示。

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

光型左側(cè)斜率：k1=tanα

(14)

右側(cè)斜率：k2=tanβ

(15)

中間部分：E(X,y)=Emax

(16)

此三個數(shù)值為設(shè)計時確認(rèn)。在單個分區(qū)光型光型設(shè)計時，左側(cè)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(guān)：

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(jìn)行此兩光強(qiáng)光型之間的疊加設(shè)計。

在單個光型均勻疊加的基礎(chǔ)上進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)疊加從a到a+b的中點為平均光強(qiáng)。

假設(shè)

(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(guān)，與其他變量無關(guān)。

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(qiáng)Fig.12 Light intensity distribution after superposition

同理，在整體光型的右側(cè)同樣以此進(jìn)行設(shè)計，區(qū)別為Enmax值。

2.2 多排光型設(shè)計

多排光型設(shè)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(jìn)行與X方向相同的逆向疊加方式設(shè)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(shè)計理論，當(dāng)設(shè)計完成后對整體光型需進(jìn)行二維均勻性評判，評判方法如下：

假設(shè)ADB整體光型在Y=y下的光強(qiáng)函數(shù)為E(X，y)，在模擬結(jié)果中轉(zhuǎn)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(yīng)的矩陣，橫向為X，縱向為Y，對應(yīng)的光強(qiáng)為Exy，此點對應(yīng)設(shè)計值為E(x,y)。

故

(30)

整個Y方向上離散量的平均值為

(31)

當(dāng)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(jié)束語

逆向設(shè)計理論在ADB設(shè)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(jī)型設(shè)計變成理論型設(shè)計，在實現(xiàn)ADB功能的前提下，更好地兼顧了遠(yuǎn)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。