【汽车照明技术】欧司朗Smartrix模块在ADB系统中的应用
作者： Yanxia Fu，Maoke Zuo，Hartmann,Andreas
单位：欧司朗
编译：杨瑾
指导老师：林燕丹
新一代汽车中运用了大量新技术，与此同时，自适应远光灯（ADB）逐渐进入人们的视野。除了光学、机械、热学之外，ADB系统还运用了电路和软件控制。ADB系统的产生离不开许多发明家和工程师的贡献，它可以提高驾驶员的观察距离，避免对其他驾驶员产生眩光。ADB系统使用传感器系统检测其他车辆，并连接到图像处理器以及电子控制系统，从而自动控制配光，提供舒适的照明，在未来必将成为高品质的生活选择。本文将介绍一些目前关于车载ADB系统的光学解决方案，并提供一些有关欧司朗公司Smartrix模块的信息。该模块设计简单而智能，缩短了汽车的设计时间，而且具有均匀的波束图案。此外，本文提到一些关于ADB与Smartrix模块的可行应用，作为应用的参考。
一、背景
2015年，中国发生的交通事故造成五万多人死亡。政府为改善当前局面做了大量的工作，如严惩酒驾，在十字路口和乡村道路上增加交通信号灯、限速标志等等，并增加了帮助协调交通的辅警。汽车制造商也在努力让汽车变得更安全。然而，如果汽车处在光线不好的环境中，上述一切都有可能前功尽弃。在黑暗的街道上行驶时，如果道路照明良好，就可以更快发现路上的障碍或是人员，这一点在高速公路上更为重要，因为我们需要快速辨认前方的车。同时，我们也不希望其他的眩光干扰视线，影响判。许多科学家都为提高光的性能付出了大量心血。目前，无眩光远光灯解决方案已经用于车辆，该功能有许多技术解决方案，例如在灯中移动机械快门。Matrix解决方案目前已非常流行，迎面而来的司机和行人的感觉都会十分舒适。这是汽车历史上的一场革命，它打破了传统灯具解决方案的界限，这不仅仅是光学工程师和机械工程师的责任，同时还包括电子控制，软件输入和摄像系统相关的技术。本文将介绍Matrix的工作原理，以及如何运用Osram的smartrix模块设计矩阵系统。
1. 目前Matrix系统的使用情况
目前有很多汽车制造商都在研究Matrix系统，如奥迪A8、奥迪TT、奥迪A7、奥迪AS、梅赛德斯CLS、梅赛德斯E级、欧宝Astra、马自达6和荣威E950等车型都具有这一功能。从光学方面来看，有两种解决方案可用于Matrix系统，即反射镜和镜头。图1为奥迪A8，是ADB反射解决方案的典型代表。图2为梅赛德斯E级，是ADB镜头解决方案的典型代表。无论如何，芯片越多，像素也就越高，并且能够获得更均匀的道路照明，更加舒适。
图1 奥迪A8 ADB反射解决方案
图2 梅赛德斯E级ADB镜头解决方案
2. Matrix ADB系统工作方式
要获得像素控制的光束图形，Matrix ADB需要一个光学系统，包括光源和其他光学仪器以产生光束图案；还需要计算清楚每个芯片的扩展角度; 使用摄像机和物体检测来捕捉车辆前方的物体，检测距离，计算前车和驾驶员的角度，然后点亮模式控制单元操作，关闭相关芯片，使前车位置变暗。图3给出了Matrix ADB的工作方法。
图3 Matrix ADB系统
反射器系统相对来说成本较低。要获得高性能像素，需要添加主镜头来收集光线，获得高发光强度和光效。LED和主镜头之间的距离非常近，温度较高，因此主镜头需要使用耐热材料。同时，较小的物距可以提供高精度的组装要求。镜头解决方案也有同样的问题，二次镜头无法使光线大角度扩散，需要更多的芯片，产生更多的像素和均匀的性能。因此，该解决方案的成本相对较高，例如梅赛德斯E级的系统中使用了84枚芯片。
二、欧司朗智能模块
1. 欧司朗Matrix ADB简介
欧司朗发明了一个名为Smartrix模块的新模块。 图4为具有两个Smartrix-12模块的Matrix ADB。该系统旨在帮助客户节省开发时间，让客户免于关心诸多繁杂问题。 Smartrix模块由发光二极管和主透镜组成，因此，模块可以与二次光学元件组合，以不同的方式组装。模块可以组装在水平方向，也可以将两个模块放在垂直方向。还可以作为反射系统或透镜系统。Smartrix模块中的每个芯片可以产生最多3001m的光通量。客户可以通过设计驱动器来控制芯片的工作电流，模块上的连接器带有13个引脚，因此可以方便地进行控制。图5显示了水平方向组装的带有2个Smartrix-12模块的Matrix ADB。
图4 具有两个Smartrix-12模块的Matrix ADB
图5 水平方向组装的带有2个sMArTRIX-12模块的Matrix ADB
图6展示了典型的远场发光强度分布。该图是Smartrix-12模块与次级透镜组合的光束图形。Smartrix-12模块的远场光分布由12个独立的段组成，这些段分离明确，在操作过程中，每一段可以单独切换（打开/关闭，使用PWM调光）。段的数量在远场中定义，从左到右。
图6 远场发光强度分布
2. Smartrix在ADB系统中的应用
为了获得均匀的光束，需要使用两个Smartrix-12模块和相应的次级透镜。单个模块的发光强度分布以半像素间距叠加 图8显示了两个Smartrix-12模块的叠加发光强度分布。使用此种装置，每个前照灯具有2 * 12 = 24像素。欧司朗（昆山）组装了两台带有次级镜头的Smartrix-12，图7为该样品。该样品可以在水平方向上产生±20°的光束，垂直方向大于±5°，并且可以根据客户要求关闭相对像素，以控制间隙大小。图8和图9展示了该样品的性能，为模拟结果。
图7带有次级镜头的Smartrix-12样品
图8 Matrix ADB光束模型
图9 带有间隙的光束模型
一个次级透镜的尺寸并不大，尤其是高度，其外部尺寸仅为56x28mm。欧司朗制作了一套此模块，将其安装在样品车上，通过配合使用摄像头，获得了良好的性能。
本文还介绍了单个Smartrix-12模块应用的可行性研究，以供客户参考。如果仅使用单个Smartrix-12模块，次级光学器件就需要非常精巧的水平结构以确保光束的均匀性。通过应用该结构，中心区域的最大强度下降。为了补偿较低的最大强度，需要牺牲扩展角以增加次级光学器件的焦距。作为参考，以下为一个使用反射器系统的例子。反射器尺寸为88x40mm，反射镜距离大于100mm; 反射器系统的扩展角小于使用两个Smartrix-12模块的透镜系统; 然而，具有单个Smartrix-12模块的反射器系统可以满足HB调节，其最大强度为77100坎德拉。
3. 两种使用Smartrix-12模块的ADB系统解决方案的对比
图15给出了使用Smartrix-12模块时两种上述系统的参考数值。客户可以根据尺寸、性能要求和预算来选择适合其灯光系统的系统。同时，均匀性也必须要考虑。
图15 使用Smartrix-12模块时两种上述系统的参考数值
此外，客户可以根据自己的需求修改上述系统。例如，客户可以在次级光学表面上分割更多的面，这会使光束图形更加平滑。因此，较大的扩展角可以产生更均匀的波束图案，但发光强度会降低，边界像素会变得模糊，导致亮度区域与暗区域之间的对比度较低。因此客户需要平衡优势和劣势，选择自己想要的。
三、总结与展望
随着消费者对Matrix ADB系统接受程度的提高，监管委员会正在将其纳入汽车灯的认证框架之中。NAFTA在SAE 13069中列入了ADB，UNECE在R123中提供了ADB的相关信息。许多设备制造商都意识到将这种流行技术在车灯中推广使用的重要性，这不仅是为了没美观，同时也是为了提高安全性。Matrix ADB可以提供客户需要的光束图形，像素更高，类型更多，更加均匀。而如果没有LED准直技术，所有这些优势都不复存在，因为任何类型的Matrix ADB都需要光源和主光学器件之间的距离非常小。采用先进的SMT，使LED发光面具有高精度的位置，从而使整个系统保持较低的公差。
本文来源：第五届中国国际汽车照明论坛（IFAL 2017）论文集
http://www.ifal.net
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