用于高级辅助驾驶系统的高功率红外发射器

上大四前的那个暑假，我当过酒保，主要是拉拉水龙头、开开酒瓶之类，没什么花样。我们凌晨 4 点关门。一天晚上，我开车回家，在红绿灯处睡着了。似乎我的脚一直踩在刹车上，但我不知道自己昏睡了多久，至少有几个红绿灯周期。幸运的是，当时路上没有其他人，所以当我惊醒时，没有造成任何损失。如果你开过几年车或者跑过长途，我敢打赌，你一定有过这样的经历：你有点累了，上眼皮开始跟下眼皮打架，此时你也许会打开音乐唱唱歌，也许会摇下车窗吹吹风，让自己保持清醒。据估计，全世界至少有 10% 的交通事故与疲劳驾驶有关。美国国家公路交通安全管理局估计，每年警方报告有 10 万起瞌睡驾驶撞车事故，造成近 800 人死亡，5 万人受伤。这是一个很严重的问题，汽车制造商正在推出解决方案。

制造商作为高级驾驶辅助系统的一部分，引入了瞌睡驾驶监控系统。2024 年，欧洲所有新车都必须配备基于摄像头的驾驶员监控系统，以防止瞌睡驾驶导致事故。在美国，最初配备该系统的往往是高端汽车，现在则是要在未来五年内逐步普及到所有汽车。驾驶员监控系统必须能够评估驾驶员的警觉性。该功能基于 CMOS 摄像头，就像智能手机或安全系统中的摄像头一样，通过专有软件来检测眼睑眨动的频率。摄像头可以安装在后视镜支架后面或旁边，也可以安装在仪表板上，视场“聚焦”在面部。摄像头依靠外部光源照亮驾驶员的脸部，白天依靠阳光，晚上则依靠高功率红外线发射器。

CMOS 传感器对大约 350 纳米 (nm) 到 1050 nm 的波长敏感。瞌睡驾驶监控系统使用峰值强度为 850 nm 或 940 nm 的红外线发射器，例如 Vishay 的 VSMA1094250X02 。“高功率”体现在两个方面。首先，发射器可以产生高强度红外线。作为红外芯片，VSMA1094259X02 发射器的尺寸较大，为 0.042 英寸 x 0.042 英寸或 1.07 mm x 1.07 mm。封装尺寸为 3.4 mm x 3.4 mm。VSMA1094250X02 有两个芯片，双层堆叠，典型强度为 1350 mW/sr，正向脉冲电流为 1.0 A。其次，发射器设计用于高驱动电流，最高可达 1.5 A（直流）和 5 A（脉冲）。5 A 时，发射器的强度为 6000 mW/sr。考虑到这种高强度，瞌睡驾驶相机系统的占用空间相对较小，只需要一个红外线发射器。

与宽视场安防摄像机不同，瞌睡驾驶监控系统的视场要窄得多，只需对准司机的脸部和眼睛。该红外线发射器的透镜具有 ±28° 的半强度角，完美实现这一视角要求；一半的发射功率集中在这一狭窄的锥形区域。汽车原始设备制造商使用的任何发射器都必须符合 AEC-Q102 规定的汽车标准，工作温度最高要达 125°。为了解决与高红外输出有关的安全问题，有些解决方案设计时会采用像 VCNL3040 这样的接近传感器，以便在人员过于接近发射区域时关闭或减少发射器的输出。为了确定车内照明是否足以探测到驾驶员的眼睛，需要使用 VEML6031X00 这样的环境光传感器。

作为高级驾驶辅助系统的一部分，制造商还在努力扩大乘员感应范围。引用 Bosch 文献，“座舱监控解决方案可全面了解驾驶员、乘员和整个座舱场景。我们将对汽车领域的理解与计算机视觉和传感器系统方面的强大专业技术结合在一起，实现了出色的安全性和舒适性，使自动驾驶成为一种安全体验。”驾驶员和乘客安全气囊刚推出时，在发生碰撞时两个安全气囊都会展开。保险公司提醒原始设备制造商，更换在空座位前展开的安全气囊成本很高，因此鼓励他们开发能检测乘客是否存在的系统。现在，美国和欧洲的所有汽车都配备了这种系统。当乘客座位有人时，乘客舱内的 LED 指示灯会亮起。这对前排乘客侧安全气囊很有效，但 B 柱上的安全气囊和后排座椅上的侧安全气囊需要同样的功能，并在有人时才展开。基于摄像头的座舱监控系统能够识别所有乘客的位置，从而实现这一功能。音响系统正变得越来越复杂，如果前座和后座都有乘客，而不是只有前座有乘客，音响系统就会改变音调。气候控制也可以根据乘客所在位置和阳光照射角度进行“调整”。随着自主驾驶车辆的出现，可能不会再有前座和后座之分，而更像是一个起居室。在这种情况下，安全、气候和娱乐系统将真正需要了解车内每位乘客的位置。

与瞌睡驾驶检测一样，座舱监控的基本元件就是一个或多个摄像头和大功率红外线发射器。为了在整个座舱内均匀分布光线，将使用广角发射器而不是窄角发射器。如使用类似 Vishay 的 VSMA108575X02 这样的发射器。它与 VSMA109425X02 拥有相同的发射器芯片、相同的双叠层技术和相同的导热封装，但其透镜却有所不同。它不是聚光，而是散光。这种发射器的半强度角为 ±75°。由于相同的光量会散射到更大的角度，因此任何一个区域的强度都会降低。在脉冲 5 A 正向电流下，VSMA108575X02 的强度为 1600 mW/sr。同样，发射器需要在机舱黑暗时使用。这可能是在夜间或车窗着色较深的情况下。

瞌睡驾驶检测技术已经成熟。几年内，它将成为每辆新车的一项功能。座舱监控系统即将面世。如今，自主驾驶车辆，尤其是像往返于同一地点的班车这样特定任务车辆，正在城市道路上进行测试。采用高功率红外线发射器的车内摄像系统将提高车辆的安全性和舒适性。