光学仿真 | 优化汽车内部照明体验

本文原刊登于Ansys Blog：《Optimizing the Interior Automotive Lighting Experience》

作者：Gwenael Moysan | Ansys应用工程经理

编辑整理：刘洋 | Ansys应用工程师

当我们谈论优化人类感知的内部照明时，我们实际上指的是两个重点领域：安全性和驾驶员体验。如果内部照明可以提供尽可能最佳的体验，驾驶员则能够更好地应对颇具挑战性或意外的驾驶状况，并且减轻疲劳感。除了功能优势外，内部照明可以使汽车变得更具时尚、现代感，让人心情愉悦，或者也可以使汽车酷炫感十足。如今，照明在汽车造型中发挥着重要作用。

内部照明包括卫星导航/GPS，车顶灯，存储、阅读和环境照明，例如光导或光管。上述每一种照明类型都会影响驾驶员的舒适性和安全性。工程师需要平衡光学要求（例如均匀性）以及与性能和成本相关的其它重要规范。得益于多物理场仿真，工程师可以考虑复杂的人性化设计，同时满足核心工程设计约束条件。

在为汽车设计寻找尽可能最佳的照明配置和材料选择时，工程师面临着诸多光学挑战。以下因素会显著影响驾驶员对于汽车内部环境照明的体验。

通过仿真，工程师可以在现场评估光导等组件，以观察光的行为表现（图1）。由此，他们可以找到机会纠正缺陷。优化棱镜和内部组件可以改进光导本身，但如果不将光导集成到系统中，就无法真实地了解光的行为。通过在设计流程的早期阶段执行此类分析，工程师可获得更多的机会来进行利于成本控制的缺陷纠正。

图1：3D视图中的光线追迹有助于确定漏光原因

通过仿真，工程师可以测量不同CIE色彩空间中的颜色坐标（图2），以确保它们符合规范并评估光源的质量。

图 2. 根据CIE1931（右）分析RGB修改前（左上方）后（左下方）的颜色变化

对于任何给定的相对视觉性能（参见ISO 15008:2003），工程师通过实现具有尽可能高的分辨率（和尽可能低的成本）的显示器来提高可读性。仿真软件可提供相对视觉性能测试来计算对比度，同时考虑字体大小、背景颜色、前景颜色和距离。该测试有助于工程师了解驾驶员是否易于读取文本或图像。

在黑暗中或强烈的阳光下进行测试可以更准确地了解光源质量，因为这会考虑到更高风险的状况。如果驾驶员由于阳光反射而无法看清导航地图，这可能是一大安全问题。仿真可以帮助工程师识别出光线能够照射驾驶员眼睛时的关键太阳方位（图3）。由此，工程师可以测量统一的眩光等级，以了解可能出现眩光的位置，以及它对驾驶员而言是否可控。

图 3.使用Ansys Speos从驾驶员的角度测试关键太阳方位

当阳光照射到车辆仪表板上并反射到驾驶员和乘员的眼中时，他们就会受到眩光的困扰。通过设置一致的太阳方位条件，工程师可以对仪表板上的不同皮革和塑料进行仿真，以更好地了解乘员可能遭遇的眩光效应等级。此外，工程师还可以确保装饰性的镀铬元件既时尚又实用，同时不会对驾驶员造成干扰，也不会在关键的太阳方位条件下导致潜在的安全风险。对于一种给定的装饰材料，工程师可以评估多种不同的太阳方位。

许多显示器会使用偏振光，因此当车内乘员佩戴偏光太阳镜时，这可能会妨碍他们查看显示器。除了探索汽车内部的偏振效应之外，制造商还采用仿真来测试挡风玻璃的偏振涂层。这些涂层可将那些不适合照射进汽车的多余光线反射出去。

在设计汽车时，仿真辐照度或强度等光量非常重要，但人眼感知到的光线最为重要。亮度仿真对于测量到达给定点的光量至关重要。例如，在图3中该点是驾驶员的眼睛位置。工程师可以更进一步，根据驾驶员的反应时间、眼部条件和眼龄等参数，将亮度与人眼能感知到的亮度一同显示。例如，感知到的眩光效果会因观察者的年龄而有所不同。除了根据法规或可测量的规范进行测试之外，通过仿真人类视觉，工程师还可以虚拟体验产品，好像身临其境一般（图4）。 

图4：Ansys Speos中的尾灯仿真结果

随着技术的不断发展，抬头显示器（HUD）等内部照明技术，在帮助驾驶员和乘员更舒适地使用自动驾驶功能方面发挥了重要作用。抬头显示器使用环境检测来提供信息反馈，并直接显示车辆传感器所能感知到的信息。这种透明度有助于让驾驶员建立信任。一些制造商也在努力建立行人的信任感，当自动驾驶汽车停下来时，它会为行人投射出一些标志，比如人行横道标记。