如何照亮汽车前行之路？

自21世纪初以来，汽车照明应用在数量、种类和复杂性方面都有所增长，大功率LED的出现加速了这一趋势。从前照灯到仪表盘照明装置和车牌灯，汽车照明对车辆功能、风格、安全性和舒适性都至关重要。

每辆车的具体要求不同，造型各有不同且很复杂，外加各地法规也不同，车辆照明系统的光学设计过程也因此极为复杂。因此，开发者们更加依赖汽车照明设计软件来进行创新。在整个光学系统的开发过程中，高端仿真软件起着十分重要的作用，从验证设计可行性的光学概念到得出完整、高度精练且经过验证的产品，开发者都通过软件进行创建、仿真和验证光学模型。除了获得表征光学性能的各种测光数据外，开发者们还使用逼真的图像来准确模拟车辆灯光在现实生活中的样子。所有这些任务都可以在软件中以虚拟的方式完成，从而降低建立物理原型所耗费的时间和成本。

在本文中，我们将进一步介绍汽车照明的类型和功能、光学建模和仿真的重要性、车内照明和车外照明的不同规格，以及新思科技光学解决方案系列将如何有效帮助开发者。

哪些是汽车内部照明？

哪些是汽车外部照明？

当驾驶员和乘客上车后看见的车内灯光就是汽车内部照明，它通常分为以下几类：

显示屏和指示灯

内部功能性照明

重点照明

第一类显示屏和指示灯让驾驶员可以获取各种信息，这些信息可以是仪表盘上显示的标准信息，比如续航里程、行驶里程等，也可以是更多方面的信息，比如GPS路线导航、菜单驱动显示屏或抬头显示器（HUD）。

▲在LightTools中进行HUD仿真

下一代车载显示器可能会提供一种可由驾驶员自定义的全数字驾驶舱体验。显示屏和指示灯照明的关键特性是颜色、亮度和亮度均匀性。

如何照亮汽车前行之路？ ▲数字化汽车驾驶舱

第二类是车内照明，用来为驾驶员或乘客照亮其他物体。车内照明系统通常包括座舱顶灯、镜灯、地图灯和阅读灯、储物灯等等。在设计这些灯时，关键考虑因素是精确的空间光强分布，既要完成特定的照明任务并达到足够的照度和均匀性，又不会引起眩光。其次要考虑颜色，需要能同时满足能见度和氛围照明需求。

如何照亮汽车前行之路？ ▲LightTools软件中的地图灯仿真

最后是重点照明，可以将其看作一种设计元素有助于打造个性化的汽车内部氛围。它还能在车内光线变暗时，帮助驾驶员和乘客找到控制装置和功能按钮，比如电动车窗控制装置、收音机按钮、杯托等。与车内照明相比，重点照明通常使用较低的照度，因为其目的只是让人看到自己，而不是照亮车内的其他物体。对于这些系统，开发者需要注意的主要因素是颜色、视觉均匀性和适当的亮度。

如何照亮汽车前行之路？ ▲车内重点照明

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。开发此类照明产品是为了满足几个关键的安全目标，具体包括在弱光线和夜间驾驶条件下照亮道路，帮助驾驶员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要转弯或减速的意图。除了功能方面，车外照明已发展成为不可或缺的造型和汽车品牌元素。

车头照明

车头外部照明简称为车头照明，包括近光前照灯（近光灯）、远光前照灯（远光灯）和前雾灯。这些灯的功能是让车辆能够在夜间和能见度低的条件下安全驾驶。它们照亮前方道路，为驾驶员提供足够的能见度。

如何照亮汽车前行之路？ ▲LucidShape CAA V5 Based软件中的Acura ILX前照灯模型

近光灯可以照亮道路和左右两侧的物体，对于正常交通中的夜间驾驶很有用。它们在光束分布中使用了截止线，可防止其他驾驶员眩光。

如何照亮汽车前行之路？ ▲LucidShape软件中的驾驶员视野仿真，其中显示了近光灯的道路照明效果

远光灯为前大灯功能提供了最大的照射范围，可在夜间创造最佳的驾驶员视野，这是安全驾驶车辆所必需的，尤其是在高速行驶时。为此，远光灯不使用截止线。

如何照亮汽车前行之路？ ▲LucidShape软件中的司机视野仿真，其中显示了远光灯的道路照明效果

由于远光灯会对其他驾驶员造成明显的眩光，因此必须根据交通状况在必要时关闭远光灯。因此，自适应远光灯系统（ADB）或像素灯系统作为一种自动化解决方案，正变得越来越受欢迎。这些先进的前照灯系统可以根据交通情况提供道路照明，同时最大限度地减少对其他驾驶员造成的眩光。

如何照亮汽车前行之路？ ▲LucidDrive软件中的自适应前照灯系统仿真

信号照明

信号照明包括日间行车灯（DRL）、转向灯和前照灯内的前位灯。在车辆后部，信号照明通常包括后位灯（尾灯）、刹车灯、后转向灯、后雾灯和中央高位刹车灯（CHMSL）。车辆的两侧可能有侧转向灯（在挡泥板或后视镜上）和/或边灯。

这些灯是为了发出动作信号，比如转弯或刹车，以便其他车辆的驾驶员能够识别您的意图，然后做出相应的反应。信号灯的位置也有助于后方车辆驾驶员感知前方车辆的尺寸。

由于日间行车灯、转向灯和尾灯的设计具有无限的风格造型空间，因此在各种设计理念中，导光条已经在信号照明应用中得到广泛采用。导光条的吸引力还在于其具有紧凑的外形，并且支持灵活的光源定位和整体包装。

如何照亮汽车前行之路？ ▲日间行车灯导光条的CAD模型

如何照亮汽车前行之路？ ▲用于预测视觉照明外观的导光条模型亮度仿真

光学设计和仿真软件的进步，以及注塑模具能力的提高，使得信号灯的设计能够体现出真正独特的风格。

如何照亮汽车前行之路？ ▲J.W.Speaker迈凯伦P1尾灯设计采用了LucidShape中的设计和仿真功能。照片由McLaren Technology Group提供

由于这些灯的分布，它们比车头灯更容易满足光度规范要求，因此信号灯提供了更多的造型机会。为了准确表现这些组件的美学效果，开发者需要使用逼真的可视化技术来仿真它们在亮灯和未亮灯时的外观。要达到做出光学设计决策所需的逼真感，物理学仿真必不可少。当开发者能够开发、测试和验证精确的虚拟原型时，产品开发时间和成本就可以大大减少。

其他特殊用途汽车照明

除了车头照明和信号照明外，汽车上还可能会有一些特殊用途灯，例如车牌灯，它让其他驾驶员和执法人员能够在夜间或天气状况导致能见度低下时很容易看清车牌。此外，车内和车外还可能会有一些标志灯，例如OEM品牌的发光徽标。

车对X（V2X）照明是一种新兴的照明类型，随着自动驾驶和电动汽车的发展而越来越受欢迎。它提供了一种基于灯光的视觉通信系统，让行人或其他驾驶员能够了解静音车辆或无人驾驶车辆的意图。V2X照明功能与传感器系统（如摄像头、激光雷达和雷达）一样，是目前人们研究和关注的话题。

还有一些灯是民用车辆上没有的，但对商用、政府或应急车辆来说很重要，其中包括用于危险运输警告的黄光灯；用于消防车、警车和救护车的蓝光灯；用于道路维护车辆的闪光信号灯；以及用于指示加长车辆的灯。

其他类型的外部照明功能还包括迎宾灯（在有人靠近车辆时提供照明）、车门上的照地灯，以及帮助您安全走到家门口的回家照明灯。

如何照亮汽车前行之路？ ▲LightTools软件中的汽车内部照明仿真，包括徽标投影

开发汽车照明产品

在设计车内和车外照明产品时，开发者必须考虑很多因素。为了达到准确的仿真结果，他们需要精确的材料和介质特属性数据，包括光散射、色散和吸收效应。为了验证所有的光学要求，他们需要使用蒙特卡洛（Monte Carlo）光线追踪法，来定量地预测灯具的具体光线分布。有了仿真结果后，他们需要检查大量的指标来评估是否符合要求。考虑到分析的复杂性并且大多数产品需要多次设计迭代，开发者需要有专门的工具来提取所需的信息和进行有效评估。

下图显示了在LucidShape CAA V5 Based中仿真的前照灯模型。LucidShape CAA V5 Based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。

如何照亮汽车前行之路？ ▲LucidShape CAA V5 Based软件中的投射式近光模组仿真，其中显示了由外透镜和遮光板处的反射引起的杂散光路

下图显示了由蒙特卡洛仿真产生的近光灯光线分布的典型测试点分析。

如何照亮汽车前行之路？ ▲在LucidShape软件中对近光灯分布进行法规分析

汽车照明设计工具

汽车照明产品的应用范围很广，而开发者的设计需求取决于相关的细节。新思科技通过光学解决方案产品组合提供了一套广泛的专业工具来满足这些需求，其中包括LucidShape、LucidShape CAA V5 Based和LightTools软件。

LucidShape CAA中的设计模块简化了设计过程，让汽车照明开发者能够根据照明设计条件建立具功能性的几何形状，并根据这些以及其他相关规范构建复杂的自由曲面。这些功能提供了打造出色光学设计所需的精细控制，展现出了非常出色的效率、光学性能和造型灵活性，以及公差稳健性。

下图显示了其中一些设计功能：用于打造投射式近光模组的反射镜和透镜设计功能，以及用于创建复杂多面反射镜光学元件的设计功能。

如何照亮汽车前行之路？ ▲LucidShape CAA V5 Based软件中投射单元和镶嵌面反射镜的照明仿真

LucidShape CAA还具有可视化模块，让汽车照明开发者可以在整个产品开发过程中创建符合物理规律的逼真照片，从而准确预测照明系统在人眼中的感知情况。在开发过程的早期，开发者可以利用逼真的图像来评估设计或材料替代方案以及它们是否符合造型目标。在设计概念选定后，它们将为光学开发者提供有价值的反馈，方便开发者改进设计来满足所有要求，而符合物理规律的图像则有助于进行针对性的设计修改。在设计确定之前，产品团队可以和管理团队、客户以及其他利益相关者一起对设计进行审核，确保每个人都对产品的外观感到满意，并为最终产品设定明确的预期。

如何照亮汽车前行之路？ ▲Acura ILX的前照灯CAD模型（左）和日间行车灯及转向灯打开后的前照灯逼真仿真（右）

如何照亮汽车前行之路？ ▲Acura ILX的前照灯逼真仿真，包括车辆前部（左）和尾灯（右）的直观显示部分

如何照亮汽车前行之路？ ▲Acura ILX的整车逼真仿真

LucidShape CAA还提供了一个导光条设计模块，方便进行日间行车灯、转向灯和尾灯等应用的汽车导光条设计；借助此工具，您可以创建和优化导光条系统，从而实现一致的外观并达到相关法规要求。该导光条设计工具可以大大缩短开发导光条所需的时间，因为高度重复的导光条几何形状手动调整工作通过优化算法实现了自动化，并且相对于专家手动创建设计，这样可以实现更优的光学设计。

如何照亮汽车前行之路？ ▲使用LucidShape CAA导光条设计模块创建的日间行车灯导光条模型

如何照亮汽车前行之路？ ▲日间行车灯导光条的亮度仿真（多视图动画）

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，用于设计出色的汽车光学部件。下图显示了一个使用3D微结构实现全屏均匀照明的显示屏应用。

如何照亮汽车前行之路？ ▲LightTools软件中的显示屏仿真模型（左）和3D纹理优化前后的仿真（右）。

汽车照明对于提高驾驶员的舒适度和安全性是不可或缺的。技术的进步和开发者的聪明才智才有了汽车照明的种种创新，这些创新在几年前是根本无法想象的。

新思科技对这一行业的发展充满期待，并希望通过提供多种业内领先的设计工具，助力汽车开发者和光学开发者解决面向未来的开发和创新难题，赋能汽车行业进一步突破极限。

如何照亮汽车前行之路？

原文始发于微信公众号（新思科技）：如何照亮汽车前行之路？

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【会议回放】第五届车载抬头显示HUD技术论坛（2023年8月16日上海）

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