【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

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。

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°。

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

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。

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。

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。

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。

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