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此示例介紹了基于 TL 957 標準和43號法規（ECE R43）的擋風玻璃光學畸變分析的工作流程，以及 GitHub Ansys 光學自動化中提供的分析自動化工具。

如果您從未使用過任何 GitHub 倉庫，可以根據光學自動化庫的介紹進行操作，該文章在運行以下的工作流程之前可以提供一些必備知識。

該工作流程使用了于 2023R1 發布的light expert function光源專家功能和light path find光路徑查找 API 功能。在使用 API 時要注意指定特定的 Python 版本。例如，在 Speos 2023R1 版本中，需要 python 3.9 或更高版本才能與 2023R1 的結果交互;在 Speos 2024R2 版本中，需要 python 3.10.12 或更高版本。使用前可以查看 Speos 版本用戶指南，以確認工作流程中需要哪個 Python 版本。

概述

了解仿真工作流程和關鍵結果

在汽車行業中，TL 957 標準和ECE R43法規（即43號法規）是最受青睞的光學畸變評估準則。盡管測量這兩種標準下的光學畸變所采用的方法大體相似，但存在兩個關鍵參數上的差異，這些參數包括測量半徑和周邊光線的數量，稍后將對它們進行更詳盡的闡釋。本示例將采用TL 957標準來展示具體的工作流程。至于ECE R43，它在“Taking the Model Further”部分有詳細說明，旨在為那些對ECE R43定義感興趣的用戶提供參考。

本文闡述了運用 Speos 軟件進行擋風玻璃光學畸變分析的方法。文中提供的示例將展示如何利用 TL 957 標準，在 Speos 環境下創建擋風玻璃項目。通過該示例，用戶將能夠生成基于特定擋風玻璃幾何形狀的光學畸變圖和屈光度圖。

TL 957 標準規定了硅酸鹽玻璃車輛玻璃板的要求和測試，其中第9.2節詳細說明了光學畸變測試。盡管測試名為“光學畸變”，但實際測量的是屈光率。屈光度的計算方式如圖所示：

圖中展示了擋風玻璃的橫截面。兩條光線自左向右穿過玻璃。位于頂部的光線在點M與玻璃發生相互作用，而底部的光線則在點M’處發生相互作用。兩個偏轉角分別標記為α1和α2，它們代表了從擋風玻璃射出的光線（即透射光線）與入射光線之間的夾角。

在位置M處的屈光度DM可以通過在M點的光學畸變值ΔαM除以ΔX來計算。光學畸變值定義為在距離上的偏轉角度差。基于上圖，光學畸變值是通過計算位置M和M′處存在的擋風玻璃上的兩條傳輸光線之間的角度來得到的。在標準TL 957中，使用在4個M′點測量的最大光學畸變值來計算折射力，如下圖所示。

本文闡述了如何運用Speos軟件分析汽車擋風玻璃的光學畸變。本示例將介紹一個Speos擋風玻璃分析項目。基于特定擋風玻璃幾何形狀，將生成一個光學畸變圖和一個屈光度圖。

綠色點代表位于M位置的光線。在中心光線M′的上方、下方、左側和右側的其他四條光線被用來獲得最大的光學畸變值。在標準的TL 957中，距離值?X被設定為12毫米。

還有其他標準以類似但略有不同的方式定義了光學畸變分析。例如：聯合國歐洲經濟委員會的第43號法規（ECE R43）。在第43號法規中，距離值?X設定為4毫米，并且要求使用16條光線來獲得最大光學畸變值。

在這個例子中，為了演示目的，使用了材料為PMMA的簡單單層擋風玻璃。光學畸變是根據TL 957標準的定義計算的。您需要安裝以下工具：

• Ansys Speos 2023R2或更高版本。
• 在鏈接中說明的Python版本。
• PyCharm 或其他 Python IDE

第 1 步：創建 rayfile 文件

在這一步中，使用附件項目中的腳本生成 5 個不同的光線文件。

在示例中，z軸是車輛的朝上方向，負X軸是車輛前進方向。如果您的項目有不同的方向設置，可以自行調整。

每個光線文件都包含許多光線，這些光線的傳播信息稍后將用于計算擋風玻璃畸變。示例項目中還提供了5個預生成的光線文件：第一個光線文件包含中心光線，其他4個光線文件包含圍繞中心光線的光線，半徑為12mm。這些射線文件的屬性可以針對不同的目的進行定制。在本擋風玻璃分析示例中，創建的射線具有以下屬性：

• 起始位置：
• X 位置為3500mm
• Y 位置是根據用戶選擇的擋風玻璃表面的形狀計算的，其中2條相鄰光線之間的距離為30毫米。 
• Z 位置是根據用戶選擇的擋風玻璃表面的形狀計算的，2條相鄰光線之間的距離為 30 毫米。
• 方向：-x 方向
• 波長：555nm
• 能量：1

第 2 步：Speos 模擬

在此步驟中，將5個光線文件導入到 speos 項目中，該項目將光線發送到擋風玻璃，如下所示：

2d 和 3d 傳感器都可以用于仿真生成所需的 *.lpf 文件。在本示例中，使用了3D傳感器，記錄所有從擋風玻璃射出的折射光線。

保持使用“light expert”功能，以生成 *lpf 文件。lpf 文件記錄光線通過擋風玻璃的傳播信息：光線文件中的每條光線向前傳播，與擋風玻璃相互作用，折射兩次，并存在于擋風玻璃中。起始位置、交互位置、出射方向等信息都記錄在 LPF 文件中。

第 3 步：通過處理 LPF 文件進行失真分析

這里使用 GitHub 光學自動化中的 python 腳本。該腳本從中心、頂部、底部、左側和右側模擬中逐個選擇 *.lpf/*.lp3 模擬文件。然后，計算畸變和折射功率并繪制圖像。

運行和結果

運行模型的說明和關鍵結果的討論

第 1 步：創建 rayfile 文件

1. 從此應用程序庫下載示例 zip。可以在 zip 文件夾中找到“distortion step 1 enhanced.py”python 腳本。

2. 將腳本python文件“Distortion step 1 enhanced.py”拖放到Ansys Speos中。

3. 在第 100 行，用戶需要定義腳本使用windshield_surfaces的位置來生成光線。

4. 選擇腳本內容，如下面的截圖所示。

5. 選擇內擋風玻璃表面或外擋風玻璃表面。

6. 單擊腳本編輯器中的“Insert selection”工具按鈕。

7. （第 96 行和第 97 行）默認情況下，horizontal_step和vertical_step設置為 30mm。這意味著 2 條中心光線之間的水平和垂直距離為 30 毫米。

8. （第 98 行和第 99 行）默認情況下，樣本和半徑設置為 5 和 12mm。這代表 TL 957 的要求：每次局部計算總共需要 5 條射線，中心射線與圓上其他 4 條射線之間的距離為 12 毫米。

9. （第 106 行）默認情況下，光線的起始位置的 X 坐標設置為3500mm。如果用戶的擋風玻璃的x坐標位置大于3500mm，則用戶需要調整此值。

10. （第 120 行）默認情況下，所有 ray 文件都將在 C：\temp 文件夾下生成。如果用戶不存在此文件夾或希望保存在不同的位置，用戶可以自定義目標生成文件夾。

在 c：\temp 文件夾中，創建了 5 個不同的 rayfile 文件：ray_file_0.ray 包含中心光線。打開每個光線文件并檢查，光線數量應該相同，即每個文件里面有 463 條光線。

此步驟還可以選擇直接使用示例項目中提供的 rayfile 文件。

第 2 步：Speos 模擬

1. 在 Speos 2023R2 中，打開 speos 項目 “windshield_distotion_study.scdocx” 并創建 5 個 rayfile 源。

2. 選擇從步驟 1 中生成的 5 個光線文件定義光線文件源。

3. 編輯每個direct simulation并選擇 1 個光線文件源。檢查direct simulation使用的光線數量和 LPF 最大路徑的設置是否與光線文件中的光線數量匹配。

4. 更新每個方向的模擬。每個模擬將生成一個 *.lp3 文件。

請注意，如果此項目中使用的擋風玻璃形狀由分離的曲面定義，即此幾何圖形中沒有擋風玻璃體積。為了描述被表面包圍的體積的光學特性，應該使用擋風玻璃表面的Name-Selection/Group來定義擋風玻璃體積。

第 3 步：通過處理 LPF 文件進行失真分析

1. 使用鏈接下載或復制 Ansys 光學自動化存儲庫。

2. 如圖所示安裝所有必要的 python 庫。

3. 從光學自動化存儲庫內的應用程序文件夾中獲取 example_windshield_distortion_lpf_reader.py 腳本。

4. 運行腳本。

5. 在執行過程中，系統會要求用戶選擇 5 個 *.lp3 結果文件。用戶需要首先選擇中心光線文件，然后使用其他 4 個光線文件來選擇剩下的 4 個 *.lp3 文件。

運行完成后，該腳本會繪制 2 個圖形：畸變圖和屈光度圖：

畸變圖描述了最大偏轉角的分布，屈光度圖描述了折射率值。

重要的模型設置

對此模型中使用的重要對象和設置的說明

CAD 幾何圖形方向

在此示例中，向前方向沿x軸。最終結果產生了在 y-z 平面上的圖像結果。因此，需要確保擋風玻璃的幾何形狀使用 x 軸作為前方向和 z 軸作為向上方向。

對擋風玻璃使用精細網格劃分

Speos 使用網格來描述幾何形狀和光線傳播的計算。因此，網格劃分質量直接影響擋風玻璃分析計算的精度。為擋風玻璃幾何形狀設置精細網格非常重要。在此示例中，因為擋風玻璃是曲面結構，需要對其進行精細網格劃分以準確模擬其性能，因此將sag mode設為固定模式，其值為 0.001mm。

在擋風玻璃上使用全透明表面光學特性

在畸變研究中，通過比較入射光線和折射出射光線來計算光學畸變。因此，需要在擋風玻璃表面涂覆全透明涂層避免反射。

使用相同數量的光線進行模擬和light expert function

光線文件明確定義了要在模擬中使用的光線。在使用 rayfile 源進行模擬時，Speos 引擎將根據 rayfile 文件內定義的光線信息列表逐個創建光線，因此，在仿真過程中不要產生更少或更多的光線，這一點很重要。因此，用于direct simulation的光線數量，LPF 最大光線數與光線文件中的光線數量相匹配。

根據參數更新模型

根據設備參數更新模型

使用較小的步長值生成更詳細的結果映射

在此示例中，結果圖的步長值/分辨率設置為 30 毫米。為了生成更詳細的結果圖，用戶可以通過在步驟 1 中創建更高密度的光線文件來提高分辨率，即減小腳本內“step_size”的值。

請注意，由于光線文件中的光線數量會發生變化，因此需要調整模擬光線數，即LPF LPF最大光線數，與光線數量相匹配。

使用lightbox可避免每次模擬都重新劃分網格

在擋風玻璃分析中，對擋風玻璃的幾何形狀進行了極其精細的網格劃分。因此，對幾何體進行網格劃分需要大量的仿真時間。為避免重復網格劃分，用戶可以使用擋風玻璃幾何體創建lightbox導出。由于lightbox是應用了光學屬性的pre-meshed幾何體，因此在仿真運行期間可以節省對擋風玻璃進行網格劃分的成本。

進一步推廣模型

為想要進一步自定義模型的用戶提供信息和提示

更改參數以實施 ECE No. 43 法規

第 43 號法規將擋風玻璃分析定義為一種非常相似的方法。區別在于距離為4mm ，中心光線周圍的光線數量為12 （?X = 4 mm，surrounding rays = 12）。用戶可以在創建 rayfile 文件的第一步中實施更改：

1. 將半徑值更改為 4

2. 將樣本值更改為 13（即 1 條中心射線和 12 條周圍射線）

然后，用戶將獲得 13 個不同的 rayfile 文件進行模擬。