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【技术文章】百像素ADB模块的光学设计

原文：《百像素ADB模块的光学设计》

作者：陈建毅_领为视觉智能科技（宁波）有限公司

编译：屈鼎然，郭雨欣

指导：林燕丹

简介：随着汽车市场竞争的日益激烈，汽车变得越来越智能化、时尚化。作为车辆的眼睛，照明技术有了快速的发展。自适应远光灯(ADB)在大灯中的应用越来越普遍，配备自适应远光灯的高端车辆追求更高的像素分辨率和精度。受灯具造型和照明模块开度狭窄的限制，传统 LED光源制作100像素ADB模块尺寸较大，难以满足造型尺寸小、像素分辨率高的照明需求。由于这个原因，市场要求 LED的尺寸小，所以矩阵LED, mini-LED和DMD出现了，广泛用于实现LED照明模块的极小尺寸。其中，mini-LED和DMD产品技术条件不成熟，成本居高不下，推广之路艰难。现在我们把注意力转移到LED矩阵光源技术上，为百像素ADB找到一条经济的途径。本文的内容围绕汽车灯具的技术领域，描述了一种百像素ADB解决方案，在保证汽车灯具窄造型的同时，可以实现更高像素的照明效果，满足现阶段汽车高像素自适应照明的要求，并提供一个具有市场竞争力的照明发展方向。

100像素ADB模块的设计分析

1. 照明模拟屏分布图

a.“25m光幕分布图”是光幕沿光方向，距离探测器发光表面中心25m处，用于高、低光束光角度的标定和对准，可从分布图中获得具体的光学信息;

b.“路光分布图”是指沿汽车行驶方向的路面上的光分布;

c.“光度计”是测量照度的专用仪器，用来测量物体被照亮的程度，即从物体表面获得的光通量与被照亮面积的比值;

2. 光源设计

传统的ADB模块一般使用普通 LED作为光源，发光面积为 1*1mm²。由于相邻的两个贴片之间的间距较大，需要设计一个内透镜来引导光源进行二次成像，然后从外透镜进行投影。本设计采用 100像素LED矩阵光源，与传统的ADB模块不同。它采用多排发光芯片进行精确可控(如图1所示)，单个芯片的最高输出约为 70lm，单个芯片的尺寸约为0.525mm*0.665mm，两个发光面之间的间距约为 0.02mm。由于发光芯片的微小尺寸和间距，可以直接通过镜头进行成像。

图1: LED矩阵光源原理图

3.光学系统及设计流程

基于 100 像素LED矩阵可以直接成像的特点，需要设计一个或多个透镜来实现焦点与光源中心重合。100 像素LED矩阵不是点光源，而是直径大于25mm的表面光源。由于面光源要求的入口直径较大，以及前照灯的空间有限，单镜头无法达到合适的焦距。因为它与焦距成正比，当镜头直径相同(受前照灯造型的限制)时，如果实现更大的焦距，距也会增加，效率会下降。这样，整个ADB模块的长度会变大，系统的光学效率会降低。

如上所述，单镜头不适合实现设计，多镜头可以解决问题。本设计使用了三层镜头，如下图 2所示。由于 LED矩阵为 180º 发光角，靠近光源的第一层透镜集中发光角，第二层透镜再次集中发光角，发光角再次缩小。第三层外透镜作为投影，同时第三层外透镜作为最后的发光表面，这个表面需要用微图案结构来漫反射每个照明段的边界。既保证了整个模块的空间大小，又保证了整个系统的光效和均匀性。

图2: 光学设计原理图

下一步是材料属性的定义。靠近光源的第一个内透镜是用玻璃材料制成的聚光透镜。由于光源在全像素点照明时发射出高能，所以这个内透镜起到了耐热和聚光的作用。该透镜采用平凸透镜设计，便于玻璃加工。透镜的第二层是PMMI材料(可替代PC材料)的凸凹内透镜，也起到了光线集中的作用。PMMI的光学和热性能优于PC。PC的光折射率为 1.586，PMMI的光折射率为 1.53，对白光的色散影响很小。同时，PC的耐温可达 135℃，PMMI 的耐温可达185℃，因此PMMI 作为聚光透镜的第二层使用效果更好。外层透镜的第三层离光源较远，光线已分散，无热风险。因此，PMMA可以作为材料使用。该材料的折射率为1.492，热变形温度约为100℃。

这种设计的形式使多层透镜的组合。用球面固定曲率半径作为透镜，不能很好地清晰成像。非球面曲率半径可根据光轴中心进行调整，有效降低了图像准直和聚焦时的畸变，提高了图像质量，同时保证了 100像素ADB模块的各分辨率效果。

定义非球面透镜的公式是：

其中，h 为光学中心轴到非球面轮廓的距离;F (h)为平行于光轴的非球面轮廓;R是曲率半径;K是二次常数;C4, c6，…C16是第四，第六…第8个非球面系数。当K=0时，方程表示为一个球体;当-1<K<o为椭圆时;当K=-1时，它是一个抛物面;如果K<-1，它是双曲面。

在光学设计软件中，设置入口瞳孔的直径、光源位置、波长，然后定义透镜的材质、直径、曲率半径、各层厚度，以及相邻透镜之间的距离。通过固定约束条件，可以首先确定每个非球面的参数。然后，通过软件的自动优化，计算出系统的其他相关参数，分析系统的球差和畸变，直到找到最优参数的镜头系统。图 2所示为该设计对应的光学系统，具有较小的像差和畸变，可用于100像素的前照灯照明系统。

4. 100像素ADB模块结构设计

如图 3 至百像素ADB模块结构示意图所示，PCB板①正面有LED矩阵光源等电子元器件，另一面涂有导热硅脂，并置于散热片②下方由风扇主动散热。光源的前面是第一层透镜⑤，通过支架③和挡圈④固定，然后用螺钉紧固。第二层镜片⑥通过镜片内支架③和镜片外支架⑦固定，并由螺钉紧固。外透镜通过激光焊接到外透镜支架⑦上如图4所示，100像素ADB模块结构组装完成后，所设计模块的镜头出口尺寸可保持在φ55mm以内，整个模块加风扇的尺寸可保持在80mm×80mm×120mm以内，满足前照灯内部空间的要求。

图3：光学设计原理图

图4：100像素ADB模块大小

光学仿真及测量结果

1. 25m光图及调节试验

通过以上设计，最终完成了整个ADB系统的搭建。下一步是光学模拟，最重要的部分是光分布的符合性测试。图 5 显示了左右 100 像素ADB模块对应的 25m光分布图。最大照度值可达 102lx 左右，左模组 3lx宽度为-15°~9°，右模组 3lx 宽度为-9°~15°。3lx 宽度的ADB模块安装车辆可达到-15°~15°。图 6 为 25m配光对应的调节试验。GB25991-2010 法规和ECE R149 法规的测试结果均满足配光要求(美国标准尚未发布ADB的官方法规)。

图5: 100像素ADB模块25m配光图(左/右)

图6：GB25991-2010及ECE R149配光调节检查

2. 快速成型样品的测试和光效

图7和图8为样机整体的光分布情况，以及实验设备扫描得到的所有 LED照明时各测试点的发光强度。考虑到快速成型过程中约20%的损耗，仍能满足高光束调节的要求。

图7：100像素 ADB模块 25m光图 (实物样品)

图8：GB25991-2010及ECE R149配光调节检查

100像素ADB模块与传统ADB模块的优缺点

1. LED矩阵与传统LED封装尺寸比较

如图9所示，LED矩阵式光源可实现紧凑布置，减少整体封装尺寸。相邻LED发光芯片之间的间距可以达到25μm，可以直接设计成模块的成像焦点。在相同的规模下，亚行可以实现更多的细分市场。传统LED光源的封装特点是其整体尺寸将大于发光面积。多个常规LED布置，空间较大，光源不能直接对焦，需要二次成像。

图9：LED矩阵和常规LED光源

2. 100像素与常规32像素的发光芯片排列比较

图10为实现100像素的LED矩阵与实现 32 像素的传统光源 PCB发光芯片排列的对比。传统的 32像素光源需要设计一个二次导光结构，相邻的 LED光源位置需要分开，以保证有足够的光学结构二次设计空间。LED矩阵光源的发光芯片紧密相连，可以直接实现光学成像。100像素整体发光芯片尺寸为15.38mm×2.73mm，常规32像素整体发光芯片尺寸为59.11mm×9.13mm。可以看出，LED矩阵光源实现了100像素ADB模块，与传统光源相比，可以实现更小的尺寸和更高的ADB像素分辨率。

由于LED矩阵光源的小尺寸和每个发光芯片的紧密排列，使其具有良好的发光性能每个芯片的亮度都比传统芯片低。相应的ADB模块设计需要增加焦距以增强光强，同时提高照明距离。

图10：LED矩阵实现100像素，

常规实现32像素的PCB发光芯片

结论

本文在设计基于 100像素ADB模块的光学系统之前，详细介绍了国内外前照灯的发展历史和现状，介绍了当前使用ADB功能作为远光灯的法规和标准，阐述了一些光学设计原则和光学基本概念。设计部分主要介绍了100像素ADB系统的光源设计、透镜组的光学设计和结构装配设计。通过仿真和快速成型样品测试，验证了该光学系统的可行性和设计效果。本文没有详细介绍每种分辨率的避眩效果，但通过与传统 ADB模块的比较发现，使用LED矩阵光源设计的100像素ADB模块不仅体积小，而且段数可以达到传统ADB模块的3-5倍。

综上所述，本文在现有国内外技术法规标准的基础上，设计了一种 100像素ADB模块光学系统，结合车载摄像头采集信息，然后通过车辆智能计算系统反馈，实现行车防眩。它可以减少夜间交通事故的发生。随着汽车行业的快速发展，汽车照明需要不断创新，跟上汽车发展的步伐，使汽车照明设计不断向更安全、更智能、更美观、更环保的方向改进。

本文来源：第十届中国国际汽车照明论坛 (IFAL 2022) 论文集P62-68

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