如何设计安全、美观、实用的汽车照明系统

自 2000 年代初以来，汽车照明应用的数量、种类和复杂性都在增长，强大的 LED 的可用性显著实现或加速了这些应用。从前灯到仪表盘上的灯和车牌灯，车辆照明对于功能、风格、安全性和舒适性至关重要。

在满足车辆特定要求和区域特定法规的同时提供复杂造型的需求增加了光学设计过程的复杂性。这导致人们更加依赖汽车照明设计软件来寻找创新的解决方案。高端仿真软件在开发此类光学系统方面发挥着重要作用，因为它使设计师和光学工程师能够在整个开发过程中创建、仿真和验证光学模型 - 从验证设计可行性的光学概念一直到完整、高度改进和验证的产品。除了表征光学性能的各种光度数据外，逼真的图像还用于准确预测车灯在现实生活中的外观。所有这些任务都可以在软件中虚拟执行，从而减少了对昂贵且耗时的物理原型的需求。

请继续阅读，详细了解汽车照明的类型和功能、光学建模和仿真的重要性、内部和外部灯的不同规格，以及 Synopsys 系列光学解决方案如何提供帮助。

定义汽车内部照明

从驾驶员和乘客在车内看到的照明开始，汽车内部照明通常分为以下几类：显示器和指示灯、内部功能照明和重点照明。第一类灯允许驾驶员获取信息，这些信息可能是仪表板上显示的标准信息，例如范围、里程或更多方面的信息（想想 GPS 上的方向、菜单驱动的显示器或平视显示器的灯光投影或 HUD）。

下一代汽车内饰显示器可以提供可由驾驶员定制的全数字驾驶舱。显示器和指示灯照明的关键特征是颜色、亮度和亮度均匀性。

第二类是内部照明，提供照明，让驾驶员或乘客看到其他东西。室内照明系统的经典示例是圆顶灯、照亮面部的镜子灯、地图和阅读灯、存储灯等。这些光源的关键设计考虑因素是精确的空间光分布，以完成特定的照明任务、足够的照度水平和均匀性，所有这些都不会引起眩光。次要指标是颜色，用于可见性和情绪照明。

最后，重点照明提供造型线索，有助于个性化汽车内饰的氛围。它还可以帮助驾驶员和乘客在机舱变暗时找到控件和功能，例如电动车窗控制、单选按钮和杯架。与内部照明相比，重点照明通常使用较低的照明水平，因为它的目的只是为了自己可见，而不是照亮车辆中的其他物体。对于这些系统，设计人员需要牢记的主要指标是颜色、视觉均匀性和适当的光照水平。

外部照明的目的

汽车外部照明出现在车辆的前部、后部和侧面，甚至可能延伸到车顶。开发用于此类照明的产品是为了满足几个关键的安全目标，包括照亮道路以帮助驾驶员在弱光和夜间驾驶条件下识别障碍物和交通标志，优化车辆对其他驾驶员和行人的能见度，以及向其他驾驶员传达您转弯或减速的意图。除了功能方面，外部照明已经发展成为不可或缺的造型和车辆品牌元素。

前照灯

前外部照明（称为前照灯）包括近光灯（通过光束）、远光灯（驱动光束）和前雾前照灯。这些灯功能使车辆在夜间和能见度低时能够安全行驶。它们照亮前方道路，为驾驶员提供足够的能见度。

近光灯对于正常交通中的夜间驾驶很有用，可以照亮道路以及左右行驶。它们利用光束模式中的截止线来防止其他驾驶者眩光。

远光灯为前照灯功能提供了最大的覆盖范围，并在夜间创造了最佳的驾驶员视野，这是安全操作车辆所必需的，尤其是在高速行驶时。为此，远光灯不使用截止线。

由于远光灯会对其他驾驶者产生明显的眩光，因此必须根据交通状况停用远光灯。通过针对此问题的自动化解决方案，所谓的自适应驱动光束（ADB）或像素光系统正变得越来越流行。这些复杂的前照灯系统可以提供与情况相关的道路照明，同时最大限度地减少其他驾驶者的眩光。

信号照明

信号灯包括日间行车灯 （DRL）、转向指示灯和前照灯内的前位置灯。在车辆后部，信号灯通常包括后位置灯（尾灯）、刹车灯、后转向指示灯、后雾灯和中央高位停车灯 （CHMSL）。沿着车辆的侧面，可能有侧转向指示灯（在挡泥板或后视镜上）和/或侧标志灯。

这些灯旨在发出动作信号，例如转弯或制动，以便其他驾驶员可以识别您的意图并做出相应的反应。信号灯的放置还可以帮助其他驾驶员了解他们后面驾驶的车辆的尺寸。

在各种设计概念中，光导已被广泛用于信号照明应用，因为 DRL、转向指示灯和尾灯功能的造型机会几乎是无限的。光导还因其紧凑的外形、支持灵活的光源定位和整体封装而具有吸引力。

光学设计和仿真软件的进步，以及注塑成型工具能力的改进，使信号照明设计呈现出真正卓越的造型。

由于这些光分布的光度调节要求往往比前照灯更容易满足，因此信号灯提供了更多的造型机会。为了准确预测这些组件的美感，设计师使用逼真的可视化来模拟其发光和未发光的外观。基于物理的仿真对于实现光学工程决策所需的逼真质量至关重要。当设计人员可以开发、测试和验证精确的虚拟原型时，可以大大减少产品开发时间和成本。

额外的专用车辆照明

除了前方和信号灯外，您还可能在车辆上看到专用灯——例如车牌灯，这使得其他司机和执法人员在夜间或天气条件使能见度具有挑战性时很容易看到车牌。此外，您可能会在车辆内部和外部看到标志性的灯，例如 OEM 品牌的发光徽标。

车辆到X（V2X）照明是一种新兴的照明类型，随着自动驾驶汽车和电动汽车的引入而受到关注，它提供了一种基于光的视觉通信系统，向行人或其他驾驶员发出信号，表明近乎静音的车辆或没有驾驶员的车辆的意图。V2X照明功能是当前研究和感兴趣的话题，还有传感器系统（如摄像头、激光雷达和雷达）。

其他不用于民用车辆但对商业、政府或紧急车辆很重要的灯包括用于危险运输警告的黄色灯;消防车、警车和救护车的蓝色灯;道路养护车辆上的闪光灯;以及指示加长尺寸车辆的灯。

其他类型的外部照明功能包括迎宾灯，可在您接近车辆时提供光线，车门上的水坑灯，以及提供照明以帮助您安全走到前门的跟随回家灯。

开发汽车照明产品

设计师和光学工程师在设计室内和室外照明产品时必须牢记许多因素。为了获得准确的仿真结果，他们需要精确的材料和介质表征，包括光散射、色散和吸收效应。为了验证所有光学要求，他们使用蒙特卡罗光线追踪方法，使他们能够定量预测灯的特定光分布。根据仿真结果，他们需要检查大量指标来评估对要求的合规性。鉴于分析的复杂性和大多数产品所需的许多设计迭代，工程师必须拥有专门的工具来有效地提取所需的信息和评估。

下图显示了在 LucidShape CAA V5 Based 中模拟的前照灯模型，这是一个专为满足汽车照明行业需求而开发的综合光学设计、仿真和分析平台。

在基于 LucidShape CAA V5 的软件中模拟低光投影仪模块，显示由外透镜和边框反射引起的杂散光路

下图显示了蒙特卡罗模拟产生的近光分布的典型测试点分析。

分析LucidShape软件中近光分布的法规遵从性

汽车照明设计工具

汽车照明产品涵盖广泛的应用，光学工程师的设计需求取决于这些细节。Synopsys 提供了一套广泛的专用工具，以满足光学解决方案产品组合的这些需求，其中包括 LucidShape、LucidShape CAA V5 Based 和 LightTools 软件。

LucidShape CAA中的设计模块允许汽车照明工程师和设计师根据照明设计标准创建功能几何体，并根据这些规范和其他规范创建复杂的自由曲面，从而简化了设计过程。这些功能提供了创建卓越光学设计所需的精细控制，表现出最佳效率、光学性能和造型灵活性，以及对公差的鲁棒性。

下图显示了其中的一些设计功能：用于近光投影仪模块的反射器和透镜设计功能，以及用于创建复杂的多面反射器光学器件的设计功能。

在基于 LucidShape CAA V5 的软件中对投影仪单元和多面反射器进行照明仿真

LucidShape CAA还具有可视化模块，允许汽车照明工程师和设计师在整个产品开发过程中创建物理上正确的逼真图像，以准确预测人眼如何感知照明系统。在开发过程的早期，逼真的图像用于评估设计或材料替代方案以及它们是否符合造型目标。一旦选择了设计概念，它们就会向光学工程师提供有价值的反馈，从而改进设计以满足所有要求，并且具有物理上准确的图像有助于有针对性的设计更改。在设计冻结之前，产品团队可以与管理团队、客户和其他利益相关者一起审查它们，以确保每个人都对产品的视觉外观感到满意，为最终产品设定明确的期望。

LucidShape CAA还提供光导设计模块，以促进日间行车灯、转向指示灯和尾灯等应用的汽车光导设计;此工具使您能够创建和优化光导系统，以实现统一的外观和法规遵从性。光导设计器可以显著减少开发光导所需的时间，因为对光导几何形状的高度重复的手动调整通过其优化算法实现自动化，并且可以完成优于手动创建的专家设计的光学设计。

对于车内照明，LightTools 照明设计软件提供了额外的设计、仿真和分析工具，用于设计卓越的汽车光学元件。下图描述了使用3D微结构实现整个显示器均匀照明的显示器应用。

LightTools 软件中的显示模拟模型（左）和优化前后的 3D 纹理模拟（右）

汽车照明是提高驾驶员舒适性和安全性不可或缺的一部分。技术进步和工程独创性带来了汽车照明创新，这在几年前是不可想象的。在 Synopsys，我们看到了许多机会，通过提供解决未来工程问题的工具，帮助行业进一步突破极限。

审核编辑：郭婷