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【技术文章】ADB系统的类菲涅耳透镜光学设计

原文:《Optical design of Fresnel-like lens for ADB system》

作者:Shisheng Fan, Zhiwei Shi, Quangui He

编译:王阳  张欣瑜

指导:林燕丹

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自适应远光系统(ADB)

前照灯的远光灯主要用于夜间的大规模远距离照明。灯光水平,亮度强,容易使前面的司机或行人目眩,造成交通事故。解决远光眩光问题是提高行车安全性的重中之重,自适应远光灯系统(ADB)应运而生。然而,ADB往往结构复杂,生产成本高,只是高端汽车的代名词,并不能真正改善道路上远光灯刺眼的危害。为此,本文提出了一种用于ADB的类菲涅耳透镜设计,不仅降低了系统的复杂度,而且保证了防眩光远光功能的实现,具有一定的现实意义。
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设计流程图


类菲涅尔透镜镜头设计

ADB系统依靠黑暗区域的照明来实现相应的防眩光效果,不同的路况有不同的照明要求,必须通过法律法规进行规定。由于技术发展较晚,中国尚未发布相关的ADB法规和标准,目前主要参考欧洲ECE R123关于光学设计和光分布测试的法规。法规中有两部分测试标准A和B,用于不同的交通条件。测试部分A为左侧和右侧交通提供六条测试线,测试部分B仅用于右侧交通。但当近光和自适应远光同时连续工作时,试验部分B不再适用。结合我国右行交通的现状以及近光和远光的分离,我们选择A部分中的右行交通测试要求作为后续光学设计的法律依据,并分别使用line1~line6获得下图所示的六条测试线位置。可以看出,自适应远光类型集中在4.8°L~1.7°R,最小变化间隔仅为0.7°。
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测试A部分右侧测试线的位置


为了将不同光源发出的光传输到不同位置,以满足监管测试要求,在本文中,我们设计了一个菲涅耳透镜来实现分区照明的效果,并将最终的光形叠加以完成ADB功能。由于ADB系统使用大量光源,因此光线角度和照射范围过大,透镜的第一个折射面设计用于使收集的光束准直。由Snell's law计算的折射光方程为
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式中n1为透镜周围介质的折射率,n2为透镜本身介质的折射率。因此,给定初始点,可以通过扫描获得第一层透镜的折射面。然后,对透镜的第二层自由曲面进行分割,使经过的准直光可以在不同区域传输,从而达到最终效果。参考下述二阶偏微分方程中折射和反射定律的向量关系式,计算自由曲面上任意点的法向量和曲率对应的微分方程,得到具体的坐标值。其中In是入射光的矢量,Out是出射光的矢量,N是入射光与自由曲面相交的法向量。
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仿真验证

根据选定的光学条件,约束相关量以获得最终的自由曲面参数。在软件Lucidshape中执行后续处理,调用FunGeo模块下的MF镜头工具以生成最终镜头模型,如下图所示。
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类菲涅耳透镜模型


最后,我们选择欧司朗的KW CELNM1.TG光源进行模拟,通过上述解将光源放置在相应的位置,并使用光形叠加和相应的面光源解获得最终的光学效果,如下图所示。这六张图分别对应6条试验线,满足ECE R123法规的要求。
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防眩光效果仿真


结论

ADB是提高汽车行驶安全性的智能解决方案之一,具有良好的防眩光效果。然而,复杂的设计和高昂的成本限制了它的广泛应用。本文结合ECE R123法规A部分中的右侧测试线设计了一个菲涅耳透镜,光源发出的光通过透镜的两层曲面后可以达到分光效果,通过改变光源位置使光斑叠加,可以达到防眩光效果。整体光学系统结构简单,防眩光效果好,成本低。在低端汽车市场有着良好的应用前景。


-END-


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