大陆集团的指路明灯

维亚切斯拉夫·伯曼著
照明技术专家大陆公司和Ansys Advantage公司的员工

虽然汽车仪表盘越来越多地使用平板屏幕来显示行驶速度、发动机温度和燃油量等信息，但许多汽车制造商也采用了实体仪表盘组件。一些汽车制造商采用数字模拟混合方法来满足客户的需求。其他人则希望给司机一种数字读数无法比拟的豪华经典汽车的复古感觉。

虽然汽车仪表盘越来越多地使用平板屏幕来显示行驶速度、发动机温度和燃油量等信息，但许多汽车制造商也采用了速度表指针等物理仪表盘组件。一些汽车制造商采用数字模拟混合方法来满足客户的需求。其他人则希望给司机一种数字读数无法比拟的豪华经典汽车的复古感觉。就像一个人戴着一款时尚的手表，却可以轻松地阅读手机上的时间一样，有些人会选择模拟美学。

大陆公司(Continental Corporation)多年来一直在通过设计发光指针、马蹄形速度显示器和由光导驱动的发光矩形面板，帮助汽车制造商区分其仪表盘组件。最简单的光导设计是一根光纤电缆，一端由LED照明，然后将光从另一端传输出去。但很快就会变得更复杂。由聚碳酸酯(PC)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成的“尖端到尾部”设计的简单箭头形状的指针，必须设计成从尖端到尾部均匀照明，没有亮点或黑点，这涉及到全内反射(TIR)物理学和控制整个指针的漏光。在这个层次上，一个基于物理的光学模拟求解器就像Ansys Speos需要分析光的传播和散射来制作虚拟样机。

大陆公司工程师设计的最具挑战性的仪表盘指针包括一个3D碗状的速度计，速度计指针从中心水平延伸，直到到达高度倾斜的碗壁，在这一点上，指针必须弯曲45度角。指针从原点延伸到弯头的水平部分没有被照亮。均匀地照亮从弯曲处到指针尖端的向上倾斜部分是一项挑战，需要近50次Speos模拟才能完成。

速度计指针(顶部)和实际指针的3D模型

控制光损失

对于全内反射(TIR)，光导的表面必须抛光到光学级平滑。使表面变得粗糙可以改变入射光线撞击表面的角度;小于临界角的光线会以漏光的形式穿过表面。设计人员利用这种现象，通过修改表面粗糙度，造成光损失，照亮仪表或指针。

另一种更常见的方法是改变指针的3D几何形状，使指针的厚度——它在各个点的横截面以及它的顶部、底部和侧面的角度——以这样一种方式变化，以促进通过顶部表面的均匀光线损失，从而使驾驶员能够看到。

对两个指针位置执行的最终模拟结果:指针边缘的LED(右)和指针接收部分中间下方的LED(左)

解决45度速度计指针的难题

在提议的指针上的一个小区域内，从0度到45度的突然变化是非常具有挑战性的，在大陆公司的照明工程师决定接手之前，其他公司拒绝了这个项目。主要的问题是在弯曲区域的开始出现了一个亮点，因为更多的光通过极端的角度逸出。将该区域的亮度最小化是主要目标。

除了弯曲问题外，还必须优化大量指针设计参数:灯罩圆顶的形状、接收表面的形状和粗糙度(接收光线的指针部分，位于一组led上方的指针的中心位置的指针的开始部分)，以及反射表面和指针的底部、顶部、左侧和右侧表面的形状。在大多数情况下，使用两个变量来实现最佳照明:指针底面的宽度和它的斜率。

大陆公司的机械工程师为速度计指针创建了初始几何图形，之后照明工程师将其导入Speos。Speos软件自动为几何图形创建一个网格。然后，照明工程师利用Speos中巨大的材料库，指定了材料和表面的光学特性。在这种情况下，他们选择了聚碳酸酯作为材料，表面抛光到光学质量。接下来，他们指定了光线的数量，观测者的位置以及观测者正在观察的表面。最后，他们输入LED强度——来自LED的光通量——这取决于提供给LED的电流量。Speos模拟了理论观察者从指定表面看到的亮度。

Ansys Speos帮助Continental确定，无论指针位置如何，在接收表面添加5根肋骨都将均匀分布亮度。

在初始几何上运行Speos模拟显示，在从0到45度的过渡区域，亮点仍然可见。工程师们采取了两种方法来解决这个问题。首先，他们改变了弯曲处顶部和底部表面的比例，较大的顶部表面在底部逐渐变细成截断的V形。底部表面越窄，进入该区域的光就越少，导致光损失更少，从而最大限度地减少不必要的亮点。理论上，底部的理想形状是一个V字底部的点，但出于可制造性的考虑，底部宽度至少为0.5毫米。

第二种方法是减小弯曲区域内指针底面的角度。虽然顶部的坡度是45度，但司机看不到的底部坡度可以更平缓地弯曲。作为一个近似，如果你假设所有的光线都是水平移动的，那么表面的斜率越大，向上反射的光线就越多，所以减小斜率就意味着向上反射的光线更少，再次使亮点最小化。

此外，Speos还指出，在指针弯曲处的上表面增加一个凸起——略微增加厚度——将增加垂直传播的光线经历全内反射的百分比，从而减少该区域的光损失，并使亮点最小化。

设计一个45度角的速度计指针，以遵循速度计的碗形轮廓，创造了光导照明的挑战，大陆公司使用Ansys Speos来解决。

优化指针的定位

接收面是指针底部的一个宽部分，用于接收下方LED(或多个LED)发出的光。在这个设计中，六个led被安排在接收表面下的圆形底座上。

由于指针和接收面会随着指针在仪表周围移动而改变其角度位置——由于速度的增加或减少——接收面有时直接位于LED上方，有时位于LED之间。因此，亮度分布随指针角度的变化而变化，这是一种不可取的效果。工程师们决定在接收表面的下方放置垂直肋，以重新分配从led水平反射的光，从而最大限度地减少由接收表面与led的相对位置引起的亮度差异。使用Speos，他们进行了模拟，改变了肋骨的数量和间距，最终确定了5根间隔0.5毫米的肋骨。这个解决方案导致均匀分布的亮度独立于指针位置;当接收表面的中心位于LED顶部时，它还将亮点最小化。

仿真的价值

大陆公司的工程师表示，如果没有Speos光学模拟，他们不可能成功设计出3D角度指针。如前所述，使用Speos进行了近50次虚拟迭代来解决指针厚度和斜率的问题，以及led指针的方向问题。建立50个指针的物理原型会消耗太多的时间和金钱，这样的努力不值得。此外，模拟产生的数据比物理测试更有价值。

当大陆制造了一个物理指针原型时，它的性能与Speos模拟非常匹配，他们设计的这款时尚模拟速度计投入生产，让一些经典汽车爱好者非常高兴。

光导的物理学

光导设计采用了全内反射(TIR)原理，当光通过材料传播时，以大于临界角的角度撞击材料的内部边界时，就会发生全内反射。如果光导器外部空气的折射率(一种测量光线从一种介质进入另一种介质时的弯曲程度的指标)低于光导器的材料折射率，并且光波撞击边界的角度大于临界角，那么光波就会像镜子一样从表面反射回来并在内部反射。

如果您正在为跨大西洋海底电缆设计光导，以便在数千英里之外传输大量数据，那么最大化内部反射是至关重要的——您不想在沿途通过光纤电缆表面丢失重要信息。以光波形式进入电缆一端的信息应该从电缆的另一端流出，中间没有泄漏。

但如果你想点亮仪表盘速度计上的指针，你希望光线以可控的方式泄漏，以均匀地照亮指针。如果光线完全在内部反射，指针就不会亮。