弯板防静电PMMA板(大陆集团的指示灯)

Posted 2023-05-25

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弯板防静电PMMA板(大陆集团的指示灯)

作者：Vyacheslav Birman

大陆集团照明技术专家及Ansys Advantage员工

翻译：上海安世亚太

前言

尽管越来越多的汽车仪表板会使用平板显示屏幕来显示诸如行驶速度、发动机温度和燃油油位等信息，但许多汽车制造商依然采用物理仪表板组件。一些汽车制造商采用数模混合的方法来满足客户的需求。其他人则希望给驾驶者带来数字读数无法比拟的经典豪车的复古感觉。虽然可以轻松地在手机上读取时间，但某些人依然青睐于戴着时尚的腕表，选择指针的美感。

多年来，大陆集团(Continental Corporation)一直通过设计发光指针、马蹄形速度显示器和通过光导传输的发光矩形板，帮助汽车制造商区分仪表板组件。最简单的光导是一种光，入射端采用LED，将光从末端输出。但是这种情况很快变得更加复杂。

由PC或PMMA材料组成简单设计的的“尖到尾”指针，必须考虑到照明的均匀性，不能存在亮斑或暗点，这涉及到全反射(TIR)定理和规避指针的漏光。在这个层次上，需要一个像Ansys SPEOS这样的基于物理渲染的光学仿真软件来分析光的传播和散射，以此产生虚拟样机。

图1

大陆集团的工程师设计过的最具挑战性的仪表盘指针灯包含一个3D的碗状速度计，指针从中心水平延伸至高度倾斜的碗壁，并且指针必须以45度角弯曲。指针从原点延伸到弯曲处的水平未被点亮。从弯道到指针尖端向上倾斜的部分均匀点亮是个挑战，需要近50次SPEOS模拟才能得到正确的结果。

光导物理机理

光导利用全反射（TIR）原理，当光以大于临界角的角度照射材料的内边界时，会发生全内反射。如果光波导外空气的折射率（光线从一种介质进入另一种介质时会发生偏折）低于光导的材料的折射率，且光到达边界的角度大于临界角度，光线会在类似镜子的表面反弹，并在内部反射。

如果正在为跨大西洋海底电缆设计一根光波导，以便在数千英里的范围内传输大量数据，最大限度地提高内部反射是至关重要的—不希望在传输过程中通过光缆表面丢失关键信息。以光波形式进入电缆一端的信息应在不泄漏的情况下从另一端离开。

但是，如果你想点亮仪表板速度表上的指针，你就需要光线以可控的方式出光，均匀地照亮整个指针。如果光线在内部发生全反射，指针就不会亮起。

控制光损

对于全内反射（TIR），光导的表面必须抛光到光学级别的平滑程度。粗糙化表面会改变入射光线到达表面的角度；那些低于临界角度的光线将通过表面出光。设计师通过改变表面粗糙度来利用这种现象，从而通过出光来照亮仪表或指针。

图2. 速度表指针（顶部）和实际指针的3D模型

另一种更常见的方法是改变指针的3D几何结构，指针的厚度（其在各点处的横截面及其顶部、底部和侧面的角度）发生变化，从而改善通过驾驶者可见的上表面的光线均匀出光。

解决45度指针的难题

在小范围内指针从0度突然变成45度，这一点非常具有挑战性，以至于在大陆集团的照明工程师决定接手之前，其他公司都拒绝了该项目。主要问题是在弯曲区域开始时出现亮斑，因为更多的光线通过极端角度溢出。将该区域的亮度降到最低是当前设计首要的目标。

图3. 两个指针位置的最终仿真模拟结果：指针边缘的LED（右）和指针接收部分中间下方的LED（左）

除了弯曲问题外，还不得不优化大量指针设计参数：灯壳圆顶的形状，接收表面的形状和粗糙度（指针接收光线的部分，位于一组LED上方仪表中心指针的开始处），以及反射表面和指针底、上、左、右表面的形状。在大多数情况下，在实现最佳照明时使用两个变量：指针底面的宽度及其斜率/坡度。

图4. Ansys SPEOS帮助大陆集团确定，无论指针的位置如何，在接收面增加五个棱条都可以均匀分布亮度。

大陆集团的Mechanical机械工程师为指针创建/设计了一个初始几何体，之后照明工程师将其导入SPEOS。SPEOS软件自动为该几何体创建网格。

然后，照明工程师利用SPEOS中材料库，确定了材料表面的光学特性。在这种情况下，他们选择聚碳酸酯作为材料，表面抛光到光学级别的平滑程度。接下来，他们确定了光线的数量、观察者的位置以及观察者正在观察的表面。最后，照明工程师输入LED的强度（来自LED的光通量，取决于提供给LED的电流量）。SPEOS仿真模拟了观察者从特定表面看到的亮度。

对初始几何体进行SPEOS仿真，结果显示在0到45度区域，亮斑均可见。工程师们采取了两种方法来解决这个问题。首先，他们改变了弯板附近上下表面的比例，较大的上表面在底部逐渐变细成V形。底部表面越窄，进入该区域的光线就越少，从而减少光损，以便将亮斑最小化。理论上，底部的理想形状为V形的这点，但出于工艺考虑，底部宽度至少为0.5 mm。

第二种方法是在弯曲区域减小指针底面的角度。虽然顶部坡度为45度，但驾驶员看不到的底部坡度可以让弯曲更平缓。近似说，如果你假设所有的光线都水平移动，表面的坡度/斜率越大，向上反射的光线就越多，因此降低坡度意味着向上反射的光线就越少，同样也会使亮斑最小化。此外,SPEOS表明,添加一个凹凸-厚度略有增加的顶面弯曲的指针会增加垂直传播的光线经历全内反射的百分比,从而减少光损失,使亮斑最小化。

图5

图6. 在设计速度计指针时，与速度计碗状轮廓成45度角，带来了挑战，大陆集团使用Ansys SPEOS解决了该问题。

优化LED指针位置

入光面是指针底部的一个很宽的部分，用于接收来自指针下方的一个或多个LED的光。在该设计中，六个LED被布置在接收表面下方的圆形底座上。

由于指针在仪表周围移动时（由于速度的增加或减小），指针和接收面的角度位置会发生变化，因此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而变化，这是不希望的效果。工程师们决定在接收表面的下侧放置垂直的棱条，以将从LED反射的光在水平方向重新分布，从而将接收面与LED的相对位置引起的亮度变化降至最低。工程师们使用SPEOS进行仿真模拟，在模拟中他们改变棱条的数量和间距，最终确定了5根棱条间距0.5毫米。这种解决方案使得亮度分布均匀，与指针位置无关；当接收表面的中心位于LED顶部时，也能使亮斑最小化。

仿真/模拟的价值

大陆集团的工程师表示，如果没有SPEOS的光学模拟，他们就不可能成功地设计出3D角度指针。如前所述，使用SPEO进行了近50次虚拟模拟迭代来解决指针厚度和斜率/坡度问题，以及LED-指针方向问题。要建立50个物理原型的指针将会耗费太多的时间和金钱，从而使努力白费。此外，模拟产生的数据比物理测试更有价值。

当大陆集团制造出物理指针原型时，其性能与SPEOS的模拟非常吻合，该集团设计的这种时尚的模拟车速表投入生产，让一些经典汽车爱好者非常高兴。