大陸集團的指示燈

上海安世亞太

2021年9月22日 09:08

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作者：Vyacheslav Birman

大陸集團照明技術專家及Ansys Advantage員工

翻譯：上海安世亞太

前言

盡管越來越多的汽車儀表板會使用平板顯示屏幕來顯示諸如行駛速度、發動機溫度和燃油油位等信息，但許多汽車制造商依然采用物理儀表板組件。一些汽車制造商采用數模混合的方法來滿足客戶的需求。其他人則希望給駕駛者帶來數字讀數無法比擬的經典豪車的復古感覺。雖然可以輕松地在手機上讀取時間，但某些人依然青睞于戴著時尚的腕表，選擇指針的美感。

多年來，大陸集團(Continental Corporation)一直通過設計發光指針、馬蹄形速度顯示器和通過光導傳輸的發光矩形板，幫助汽車制造商區分儀表板組件。最簡單的光導是一種光，入射端采用LED，將光從末端輸出。但是這種情況很快變得更加復雜。

由PC或PMMA材料組成簡單設計的的“尖到尾”指針，必須考慮到照明的均勻性，不能存在亮斑或暗點，這涉及到全反射(TIR)定理和規避指針的漏光。在這個層次上，需要一個像Ansys SPEOS這樣的基于物理渲染的光學仿真軟件來分析光的傳播和散射，以此產生虛擬樣機。

大陸集團的工程師設計過的最具挑戰性的儀表盤指針燈包含一個3D的碗狀速度計，指針從中心水平延伸至高度傾斜的碗壁，并且指針必須以45度角彎曲。指針從原點延伸到彎曲處的水平未被點亮。從彎道到指針尖端向上傾斜的部分均勻點亮是個挑戰，需要近50次SPEOS模擬才能得到正確的結果。

光導物理機理

光導利用全反射（TIR）原理，當光以大于臨界角的角度照射材料的內邊界時，會發生全內反射。如果光波導外空氣的折射率（光線從一種介質進入另一種介質時會發生偏折）低于光導的材料的折射率，且光到達邊界的角度大于臨界角度，光線會在類似鏡子的表面反彈，并在內部反射。

如果正在為跨大西洋海底電纜設計一根光波導，以便在數千英里的范圍內傳輸大量數據，最大限度地提高內部反射是至關重要的—不希望在傳輸過程中通過光纜表面丟失關鍵信息。以光波形式進入電纜一端的信息應在不泄漏的情況下從另一端離開。

但是，如果你想點亮儀表板速度表上的指針，你就需要光線以可控的方式出光，均勻地照亮整個指針。如果光線在內部發生全反射，指針就不會亮起。

控制光損

對于全內反射（TIR），光導的表面必須拋光到光學級別的平滑程度。粗糙化表面會改變入射光線到達表面的角度；那些低于臨界角度的光線將通過表面出光。設計師通過改變表面粗糙度來利用這種現象，從而通過出光來照亮儀表或指針。

圖2. 速度表指針（頂部）和實際指針的3D模型

另一種更常見的方法是改變指針的3D幾何結構，指針的厚度（其在各點處的橫截面及其頂部、底部和側面的角度）發生變化，從而改善通過駕駛者可見的上表面的光線均勻出光。

解決45度指針的難題

在小范圍內指針從0度突然變成45度，這一點非常具有挑戰性，以至于在大陸集團的照明工程師決定接手之前，其他公司都拒絕了該項目。主要問題是在彎曲區域開始時出現亮斑，因為更多的光線通過極端角度溢出。將該區域的亮度降到最低是當前設計首要的目標。

圖3. 兩個指針位置的最終仿真模擬結果：指針邊緣的LED（右）和指針接收部分中間下方的LED（左）

除了彎曲問題外，還不得不優化大量指針設計參數：燈殼圓頂的形狀，接收表面的形狀和粗糙度（指針接收光線的部分，位于一組LED上方儀表中心指針的開始處），以及反射表面和指針底、上、左、右表面的形狀。在大多數情況下，在實現最佳照明時使用兩個變量：指針底面的寬度及其斜率/坡度。

圖4. Ansys SPEOS幫助大陸集團確定，無論指針的位置如何，在接收面增加五個棱條都可以均勻分布亮度。

大陸集團的Mechanical機械工程師為指針創建/設計了一個初始幾何體，之后照明工程師將其導入SPEOS。SPEOS軟件自動為該幾何體創建網格。

然后，照明工程師利用SPEOS中材料庫，確定了材料表面的光學特性。在這種情況下，他們選擇聚碳酸酯作為材料，表面拋光到光學級別的平滑程度。接下來，他們確定了光線的數量、觀察者的位置以及觀察者正在觀察的表面。最后，照明工程師輸入LED的強度（來自LED的光通量，取決于提供給LED的電流量）。SPEOS仿真模擬了觀察者從特定表面看到的亮度。

對初始幾何體進行SPEOS仿真，結果顯示在0到45度區域，亮斑均可見。工程師們采取了兩種方法來解決這個問題。首先，他們改變了彎板附近上下表面的比例，較大的上表面在底部逐漸變細成V形。底部表面越窄，進入該區域的光線就越少，從而減少光損，以便將亮斑最小化。理論上，底部的理想形狀為V形的這點，但出于工藝考慮，底部寬度至少為0.5 mm。

第二種方法是在彎曲區域減小指針底面的角度。雖然頂部坡度為45度，但駕駛員看不到的底部坡度可以讓彎曲更平緩。近似說，如果你假設所有的光線都水平移動，表面的坡度/斜率越大，向上反射的光線就越多，因此降低坡度意味著向上反射的光線就越少，同樣也會使亮斑最小化。此外,SPEOS表明,添加一個凹凸-厚度略有增加的頂面彎曲的指針會增加垂直傳播的光線經歷全內反射的百分比,從而減少光損失,使亮斑最小化。

圖5&6. 在設計速度計指針(或指針)時，與速度計碗狀輪廓成45度角，給光導照明帶來了挑戰，大陸集團使用Ansys SPEOS解決了該問題。

優化LED指針位置

入光面是指針底部的一個很寬的部分，用于接收來自指針下方的一個或多個LED的光。在該設計中，六個LED被布置在接收表面下方的圓形底座上。

由于指針在儀表周圍移動時（由于速度的增加或減小），指針和接收面的角度位置會發生變化，因此接收面有時直接位于LED上方，有時位于LED之間。因此，亮度分布隨指針角度而變化，這是不希望的效果。工程師們決定在接收表面的下側放置垂直的棱條，以將從LED反射的光在水平方向重新分布，從而將接收面與LED的相對位置引起的亮度變化降至最低。工程師們使用SPEOS進行仿真模擬，在模擬中他們改變棱條的數量和間距，最終確定了5根棱條間距0.5毫米。這種解決方案使得亮度分布均勻，與指針位置無關；當接收表面的中心位于LED頂部時，也能使亮斑最小化。

仿真/模擬的價值

大陸集團的工程師表示，如果沒有SPEOS的光學模擬，他們就不可能成功地設計出3D角度指針。如前所述，使用SPEO進行了近50次虛擬模擬迭代來解決指針厚度和斜率/坡度問題，以及LED-指針方向問題。要建立50個物理原型的指針將會耗費太多的時間和金錢，從而使努力白費。此外，模擬產生的數據比物理測試更有價值。

當大陸集團制造出物理指針原型時，其性能與SPEOS的模擬非常吻合，該集團設計的這種時尚的模擬車速表投入生產，讓一些經典汽車愛好者非常高興。