如何照亮汽車前行之路？
自21世紀(jì)初以來(lái)，汽車照明應(yīng)用在數(shù)量、種類和復(fù)雜性方面都有所增長(zhǎng)，大功率LED的出現(xiàn)加速了這一趨勢(shì)。從前照燈到儀表盤照明裝置和車牌燈，汽車照明對(duì)車輛功能、風(fēng)格、安全性和舒適性都至關(guān)重要。 每輛車的具體要求不同，造型各有不同且很復(fù)雜， 外加各地法規(guī)也不同，車輛照明系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程也因此極為復(fù)雜。因此，開(kāi)發(fā)者們更加依賴汽車照明設(shè)計(jì)軟件來(lái)進(jìn)行創(chuàng)新。在整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，高端仿真軟件起著十分重要的作用，從驗(yàn)證設(shè)計(jì)可行性的光學(xué)概念到得出完整、高度精練且經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的產(chǎn)品，開(kāi)發(fā)者都通過(guò)軟件進(jìn)行創(chuàng)建、仿真和驗(yàn)證光學(xué)模型。除了獲得表征光學(xué)性能的各種測(cè)光數(shù)據(jù)外，開(kāi)發(fā)者們還使用逼真的圖像來(lái)準(zhǔn)確模擬車輛燈光在現(xiàn)實(shí)生活中的樣子。所有這些任務(wù)都可以在軟件中以虛擬的方式完成，從而降低建立物理原型所耗費(fèi)的時(shí)間和成本。 在本文中，我們將進(jìn)一步介紹汽車照明的類型和功能、光學(xué)建模和仿真的重要性、車內(nèi)照明和車外照明的不同規(guī)格，以及新思科技光學(xué)解決方案系列將如何有效幫助開(kāi)發(fā)者。
哪些是汽車內(nèi)部照明？
哪些是汽車外部照明？
當(dāng)駕駛員和乘客上車后看見(jiàn)的車內(nèi)燈光就是汽車內(nèi)部照明，它通常分為以下幾類：-
顯示屏和指示燈
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內(nèi)部功能性照明
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重點(diǎn)照明
▲在LightTools中進(jìn)行HUD仿真
下一代車載顯示器可能會(huì)提供一種可由駕駛員自定義的全數(shù)字駕駛艙體驗(yàn)。顯示屏和指示燈照明的關(guān)鍵特性是顏色、亮度和亮度均勻性。
▲數(shù)字化汽車駕駛艙
第二類是車內(nèi)照明，用來(lái)為駕駛員或乘客照亮其他物體。車內(nèi)照明系統(tǒng)通常包括座艙頂燈、鏡燈、地圖燈和閱讀燈、儲(chǔ)物燈等等。在設(shè)計(jì)這些燈時(shí)，關(guān)鍵考慮因素是精確的空間光強(qiáng)分布，既要完成特定的照明任務(wù)并達(dá)到足夠的照度和均勻性，又不會(huì)引起眩光。其次要考慮顏色，需要能同時(shí)滿足能見(jiàn)度和氛圍照明需求。
▲LightTools軟件中的地圖燈仿真
▲車內(nèi)重點(diǎn)照明
汽車外部照明出現(xiàn)在車輛的前部、后部和側(cè)面，甚至可能延伸到車頂。開(kāi)發(fā)此類照明產(chǎn)品是為了滿足幾個(gè)關(guān)鍵的安全目標(biāo)，具體包括在弱光線和夜間駕駛條件下照亮道路，幫助駕駛員識(shí)別障礙物和交通標(biāo)志；優(yōu)化車輛對(duì)其他駕駛員和行人的能見(jiàn)度；以及向其他駕駛員傳達(dá)要轉(zhuǎn)彎或減速的意圖。除了功能方面，車外照明已發(fā)展成為不可或缺的造型和汽車品牌元素。
車頭照明
車頭外部照明簡(jiǎn)稱為車頭照明，包括近光前照燈（近光燈）、遠(yuǎn)光前照燈（遠(yuǎn)光燈）和前霧燈。這些燈的功能是讓車輛能夠在夜間和能見(jiàn)度低的條件下安全駕駛。它們照亮前方道路，為駕駛員提供足夠的能見(jiàn)度。
▲LucidShape CAA V5 Based軟件中的Acura ILX前照燈模型
▲LucidShape軟件中的駕駛員視野仿真，其中顯示了近光燈的道路照明效果
▲LucidShape軟件中的司機(jī)視野仿真，其中顯示了遠(yuǎn)光燈的道路照明效果
▲LucidDrive軟件中的自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)仿真
信號(hào)照明
信號(hào)照明包括日間行車燈（DRL）、轉(zhuǎn)向燈和前照燈內(nèi)的前位燈。在車輛后部，信號(hào)照明通常包括后位燈（尾燈）、剎車燈、后轉(zhuǎn)向燈、后霧燈和中央高位剎車燈（CHMSL）。車輛的兩側(cè)可能有側(cè)轉(zhuǎn)向燈（在擋泥板或后視鏡上）和/或邊燈。 這些燈是為了發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，比如轉(zhuǎn)彎或剎車，以便其他車輛的駕駛員能夠識(shí)別您的意圖，然后做出相應(yīng)的反應(yīng)。信號(hào)燈的位置也有助于后方車輛駕駛員感知前方車輛的尺寸。 由于日間行車燈、轉(zhuǎn)向燈和尾燈的設(shè)計(jì)具有無(wú)限的風(fēng)格造型空間，因此在各種設(shè)計(jì)理念中，導(dǎo)光條已經(jīng)在信號(hào)照明應(yīng)用中得到廣泛采用。導(dǎo)光條的吸引力還在于其具有緊湊的外形，并且支持靈活的光源定位和整體包裝。
▲日間行車燈導(dǎo)光條的CAD模型
▲用于預(yù)測(cè)視覺(jué)照明外觀的導(dǎo)光條模型亮度仿真
▲J.W.Speaker邁凱倫P1尾燈設(shè)計(jì)采用了LucidShape中的設(shè)計(jì)和仿真功能。照片由McLaren Technology Group提供
由于這些燈的分布，它們比車頭燈更容易滿足光度規(guī)范要求，因此信號(hào)燈提供了更多的造型機(jī)會(huì)。為了準(zhǔn)確表現(xiàn)這些組件的美學(xué)效果，開(kāi)發(fā)者需要使用逼真的可視化技術(shù)來(lái)仿真它們?cè)诹翢艉臀戳翢魰r(shí)的外觀。要達(dá)到做出光學(xué)設(shè)計(jì)決策所需的逼真感，物理學(xué)仿真必不可少。當(dāng)開(kāi)發(fā)者能夠開(kāi)發(fā)、測(cè)試和驗(yàn)證精確的虛擬原型時(shí)，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本就可以大大減少。其他特殊用途汽車照明
除了車頭照明和信號(hào)照明外，汽車上還可能會(huì)有一些特殊用途燈，例如車牌燈，它讓其他駕駛員和執(zhí)法人員能夠在夜間或天氣狀況導(dǎo)致能見(jiàn)度低下時(shí)很容易看清車牌。此外，車內(nèi)和車外還可能會(huì)有一些標(biāo)志燈，例如OEM品牌的發(fā)光徽標(biāo)。 車對(duì)X（V2X）照明是一種新興的照明類型，隨著自動(dòng)駕駛和電動(dòng)汽車的發(fā)展而越來(lái)越受歡迎。它提供了一種基于燈光的視覺(jué)通信系統(tǒng)，讓行人或其他駕駛員能夠了解靜音車輛或無(wú)人駕駛車輛的意圖。V2X照明功能與傳感器系統(tǒng)（如攝像頭、激光雷達(dá)和雷達(dá)）一樣，是目前人們研究和關(guān)注的話題。 還有一些燈是民用車輛上沒(méi)有的，但對(duì)商用、政府或應(yīng)急車輛來(lái)說(shuō)很重要，其中包括用于危險(xiǎn)運(yùn)輸警告的黃光燈；用于消防車、警車和救護(hù)車的藍(lán)光燈；用于道路維護(hù)車輛的閃光信號(hào)燈；以及用于指示加長(zhǎng)車輛的燈。 其他類型的外部照明功能還包括迎賓燈（在有人靠近車輛時(shí)提供照明）、車門上的照地?zé)簦约皫椭踩叩郊议T口的回家照明燈。
▲LightTools軟件中的汽車內(nèi)部照明仿真，包括徽標(biāo)投影
開(kāi)發(fā)汽車照明產(chǎn)品
在設(shè)計(jì)車內(nèi)和車外照明產(chǎn)品時(shí)，開(kāi)發(fā)者必須考慮很多因素。為了達(dá)到準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，他們需要精確的材料和介質(zhì)特屬性數(shù)據(jù)，包括光散射、色散和吸收效應(yīng)。為了驗(yàn)證所有的光學(xué)要求，他們需要使用蒙特卡洛（Monte Carlo）光線追蹤法，來(lái)定量地預(yù)測(cè)燈具的具體光線分布。有了仿真結(jié)果后，他們需要檢查大量的指標(biāo)來(lái)評(píng)估是否符合要求。考慮到分析的復(fù)雜性并且大多數(shù)產(chǎn)品需要多次設(shè)計(jì)迭代，開(kāi)發(fā)者需要有專門的工具來(lái)提取所需的信息和進(jìn)行有效評(píng)估。 下圖顯示了在LucidShape CAA V5 Based中仿真的前照燈模型。LucidShape CAA V5 Based是一個(gè)專為滿足汽車照明行業(yè)需求而開(kāi)發(fā)的綜合光學(xué)設(shè)計(jì)、仿真和分析平臺(tái)。
▲LucidShape CAA V5 Based軟件中的投射式近光模組仿真，其中顯示了由外透鏡和遮光板處的反射引起的雜散光路
▲在LucidShape軟件中對(duì)近光燈分布進(jìn)行法規(guī)分析
汽車照明設(shè)計(jì)工具
汽車照明產(chǎn)品的應(yīng)用范圍很廣，而開(kāi)發(fā)者的設(shè)計(jì)需求取決于相關(guān)的細(xì)節(jié)。新思科技通過(guò)光學(xué)解決方案產(chǎn)品組合提供了一套廣泛的專業(yè)工具來(lái)滿足這些需求，其中包括LucidShape、LucidShape CAA V5 Based和LightTools軟件。 LucidShape CAA中的設(shè)計(jì)模塊簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程，讓汽車照明開(kāi)發(fā)者能夠根據(jù)照明設(shè)計(jì)條件建立具功能性的幾何形狀，并根據(jù)這些以及其他相關(guān)規(guī)范構(gòu)建復(fù)雜的自由曲面。這些功能提供了打造出色光學(xué)設(shè)計(jì)所需的精細(xì)控制，展現(xiàn)出了非常出色的效率、光學(xué)性能和造型靈活性，以及公差穩(wěn)健性。 下圖顯示了其中一些設(shè)計(jì)功能：用于打造投射式近光模組的反射鏡和透鏡設(shè)計(jì)功能，以及用于創(chuàng)建復(fù)雜多面反射鏡光學(xué)元件的設(shè)計(jì)功能。
▲LucidShape CAA V5 Based軟件中投射單元和鑲嵌面反射鏡的照明仿真
▲Acura ILX的前照燈CAD模型（左）和日間行車燈及轉(zhuǎn)向燈打開(kāi)后的前照燈逼真仿真（右）
▲Acura ILX的前照燈逼真仿真，包括車輛前部（左）和尾燈（右）的直觀顯示部分
▲Acura ILX的整車逼真仿真
▲使用LucidShape CAA導(dǎo)光條設(shè)計(jì)模塊創(chuàng)建的日間行車燈導(dǎo)光條模型
▲使用LucidShape CAA導(dǎo)光條設(shè)計(jì)模塊創(chuàng)建的日間行車燈導(dǎo)光條模型
▲日間行車燈導(dǎo)光條的亮度仿真（多視圖動(dòng)畫）
▲LightTools軟件中的顯示屏仿真模型（左）和3D紋理優(yōu)化前后的仿真（右）。
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