Ansys Speos｜准直透镜与台阶花纹透镜转向灯
在汽车照明设计中，我们经常采用这类设计理念来实现尾灯、转向灯及其他类似照明功能。Speos软件为准直器的定义提供了强大的参数化建模能力，并通过花纹透镜优化方法，对每个透镜单元进行独立优化，将光线精准导向用户自定义的目标区域。这两项强大工具可结合「光学透镜」功能，实现基于直接准直原理的高性能光学设计。
概述
优化集成准直器的透镜是一项复杂的工作，既需要严谨的技术支撑，也需要高度的创意，以及Speos这类光学仿真工具的辅助。不过，这一设计流程可以拆解为几个核心步骤。
步骤1:确定所需 LED 数量
首先，估算满足目标光度性能与外观要求所需的LED数量，随后专注于准直器的优化设计。
步骤2:优化准直器
建议先采用零扩散前表面（角扩散最小）的方案，以便清晰评估准直器的实际效果。如果前表面的角扩散过大，光线会向多个方向发散，掩盖后方光学结构的真实贡献。需逐步增大角扩散，确保覆盖潜在阴影区域，同时避免中心出现过强的亮斑（热点）。当准直器形成合适的角度扩散分布——既能保证光线均匀性，又不会显著降低效率时，即可对前表面设计进行细化。可先通过分段枕形透镜定义初步评估前表面的影响。若前面的步骤执行得当，此时得到的光分布应已接近目标效果。
步骤3:优化前表面
最后，定义多组肉眼无法分辨、角扩散略有差异的光学单元透镜。这些单元叠加后，可在保持外观均匀性的同时，实现高效且精准的光分布效果。
本文将介绍两种设计功能的组合使用：TIR 透镜概述与光学透镜概述。如果你此前从未使用过这两个功能，请查阅相关软件文档。
运行与结果
步骤1:确定所需 LED 数量
打开GENERIC_CAR.scdocx文件，所有用于创建透镜的输入参数均位于“Rear Door/TL L”目录下。
我们假设：受固有设计、预算和安装空间限制，光源位置已被固定为特定数量的LED，这些LED均匀分布在垂直于车辆X轴的平面上。该信息将作为本次设计的起点。
首先，利用定义每个LED位置的坐标系，我们需要在「光学透镜」功能中指定所有准直器的位置。
这些坐标系可以直接在同一零部件中找到。
要创建如下所示的两个透镜，请按以下步骤操作：
- 新建一个矩形光学透镜（Optical Lens Rectangular）。
- 显示LED的坐标系、Support OL Fender、PCB Fender 以及 Target 坐标系。
- 在常规（General）选项卡中，设置光源类型（source type）= TIR透镜（TIR Lens）。
- 在支撑（Support）选项卡中，设置方向类型（orientation type）= 仅组合式TIR透镜（Combined TIR Lens Only）。
- 在目标（Target）选项卡中，设置轴（Axis）= Y 轴（来自目标坐标系）。
- 在目标（Target）选项卡中，设置方向（Orientation）= X 轴（来自目标坐标系）。
- 进入TIR 透镜（TIR lenses）选项卡，创建6个TIR透镜。对每个TIR透镜：
- 从坐标系中定义光源位置。
- 通过选择Support OL Fender，从支撑平面定义光轴。
- 设置输入半径（Input Radius）=4mm。
- 设置深度（Depth）=3mm。
- 设置支撑厚度（Support thickness）=1mm。
- 选择轮廓曲面（Contour Surface）=TrimmigSurface Fender。
- 点击计算（Compute）。
- 对其他位置的透镜重复上述步骤。
作为初始步骤，我们的目标是在不受花纹结构影响的情况下，查看准直器的布局—— 也就是在排除前端面影响的前提下，观察整个构建过程。不过，我们会设置一个较小的角扩散，避免配置过于受限。
创建枕形结构，请按以下步骤操作：
- 设置方向模式（Orientation mode）=内部支撑（Inner support）。
- 在造型（Styling）选项卡中，设置：原点（origin）：目标坐标系（Target axis system）、投影方向（Projection）：Y轴正方向方向（Orientation）X轴反方向。
- 设置参数：X起始（X stat）=-86mm、X结束（X end）=73mm、Y起始（Y start）=-25mm、Y结束（Y end）=4mm，尺寸（size）：步长1.5 mm（即1.5×1.5mm的网格）
- 在未分组单元（Ungrouped Elements）中，设置：类型（type）=台阶花纹（Step Pillow）、X/Y方向角扩散范围：-5°～+5°
- 点击计算（Compute）。
步骤2:优化准直器
在此阶段，推荐的最佳实践是：观察准直器在对侧（尤其是前表面）上的阴影与投影，以此确保准直器的位置正确，且总发光区域在所有准直器之间分配合理。
要实现均匀的发光效果，最棘手的区域是准直器与厚壁的交界处，这类问题可通过增大准直器的角扩散来解决。
优化开始时，先将两个透镜的前表面花纹结构固定为台阶花纹（Step Pillow），X、Y方向角扩散设置为±5°。接下来，我们将从0°开始，逐步调整准直器的角扩散；这部分过程可以在你第一次迭代的虚拟“参数调试会话”总结中查看（黄色标记为仅参数化修改部分）。从下往上可以看到，我们如何通过准直器调整实现均匀分布，消除阴影和亮斑（热点）。但需要注意，过度增大光线扩散会降低光学效率，后续可能会导致光度性能下降。
步骤3:优化前端面
基于初始花纹结构的定义（X、Y方向角扩散为±5°），我们可以得到如下光强分布结果：
此时所有光线都集中在±5°范围内、公差很小（当然，给准直器增加角扩散会略微影响目标光型的精度）。
考虑到我们正在设计的是转向灯，需要满足相关法规要求，即光线在X方向的角扩散为±20°、Y方向为±10°。如果将这一要求应用到两个透镜上，并将光度结果与法规网格进行叠加，我们可以观察到：
可以看出，初始光通量过大，导致超出法规上限而无法通过认证。这个例子也说明了，借助台阶花纹结构，可以更轻松地满足法规要求。下一步将使用虚拟照明控制器（Virtual Lighting Controller）来评估光通量是否确实过大，并确定实际所需的光通量。当前系统采用12颗LED，每颗输出20流明。
通过这种方式，仅需初始光通量的8.6%（每颗LED输出1.72流明）即可满足法规要求；若要达到法规值+20%的安全余量，则需要初始光通量的10.3%（每颗 LED 输出2.06流明）。
尽管如此，这并非最高效的配置。台阶花纹结构虽然能实现大致均匀的光线分布，但并非所有区域都需要相同的光强——光分布的中心区域需要更高的光强。那么，我们该如何重新分配光线，让系统更高效呢？
我们可以定义多组参数化不同的花纹单元（参数差异不宜过大，避免出现可见的亮斑或暗区），从而将更多光线导向中心区域。具体可参考分组与单元管理功能。
我们采用了1.5mm尺寸的花纹单元。这种尺寸的优势在于，人眼几乎无法察觉该尺度下微小的亮度差异，因此可以实现参数略有不同的枕形设计。核心建议如下：使用小尺寸花纹单元、避免组间参数差异过大、不要将参数不同的花纹单元集中放置，否则差异会更明显。
为此，我们创建了两组角扩散不同的花纹单元：黄色组的光线扩散为X±10°、Y±10°，紫色组为 X±20.5°、Y±10.5°。这种设计思路旨在在不改变外观点亮效果的前提下，节省部分能量（提升光学效率）。
通过这样的设计，我们仅需初始光通量的7.1%（单颗1.42流明）即可满足法规要求；若要达到法规标准+20%的余量，则需要初始光通量的8.5%（单颗 1.70流明）。
我们可以通过这一流程，评估两种相互矛盾的设计取舍：降低光通量、提升系统效率；维持甚至优化发光面的均匀性表现。对你而言，以下哪项更为重要？
重要模型设置
强度传感器（Intensity Sensor）
待评估的法规标准，将通过强度传感器导入仿真结果中。你可以在 Speos input files 文件夹中找到对应的模板文件：ECE_R6_RearDirectionIndicator_Cat2a_Single-Lamp_M1N1M2M3N2N3_Left_visibility.xml
为正确应用该模板，X轴角度范围需至少覆盖-45°~+80°，Y轴角度范围需覆盖-15°~+15°。实际仿真中，为保证结果评估的准确性，我们在两侧各额外预留了5°余量，因此将范围扩展为：X轴：-50°~+85°、Y轴：-20°~+20°。
同时需注意，分辨率不可设置过高。本模型中，单个像素对应0.1°。过高的分辨率会引入 “平均效应”，因此像素尺寸绝不能接近或超过法规模板的特征尺寸（模板中使用的椭圆约为0.25°）。
更多信息请参考《Speos 用户指南》：Understanding the Parameters of an Intensity Sensor（强度传感器参数详解）
观察者传感器（Observer Sensor）
需要注意，该传感器会模拟大量视角。由于仿真通常会用GPU加速，显存（VRAM）可能成为性能瓶颈，因此建议遵循以下最佳实践。
首先，仿真采用“按光源分层”（layer=source）的设置，这会自动将每个传感器的数据量放大12倍（本模型包含12个光源，每个光源的贡献将被独立分析，即每个传感器为每个光源单独创建一层数据）。因此，当显存不足时，可能需要调整观察者位置的数量和层数设置。
更多信息请参考《Speos 用户指南》：创建观察者传感器（Creating an Observer Sensor）
环境光源（Environment Source）
本模型使用一张代表周围环境的HDR图像来模拟灯具的外观表现，这是复现环境光照条件最高效的方式。
更多信息请参考《Speos 用户指南》：环境类型概述（Environment Type Overview）
根据你的参数更新模型
通过创建额外的分组，模型仍有优化空间。如果新增分组，可以将其中一组专门用于向水平方向±20°（H ±20）投射光线，其余分组则聚焦于将光线集中在HV（水平-垂直轴）中心区域。
但始终需要在两个相互矛盾的目标之间进行权衡：减少光通量损耗，最大化系统效率；维持甚至提升照明区域的外观均匀性。
如果目标是提升均匀性，推荐的优化方案为：使用单组花纹（pillows），并略微增大准直器的发散角度。
进一步拓展模型
灯具外观表现（Unlit Aspect）
若要优化灯具的点亮外观表现，需要微调准直器的发散角度，且建议所有光学枕（pillows）采用相同的参数设置。若要提升光学性能、降低所需光通量，则需要减小准直器的发散角度，并修改至少一组光学枕的定义，将更多光线集中在中心区域，但这会牺牲均匀性。
最后一步是仿真灯具的外观表现。操作方法如下：创建一个环境光源（Environment Source），或直接复用模型中已有的 “Environment_Source”；要正确使用这些光源，必须运行反向仿真，仿真中需包含相同的几何体、环境光源和观察者传感器；也可以直接运行预设好的仿真项目
“3DVisualization_Unlit”，该项目已完成所有必要元素的配置。
仿真的预期结果应与下图所示效果类似。
完成仿真后，在Speos360文件中依次点击创建（Creation）→操作（Operations），选择“Map Union（映射合并）”以保留按图层区分的光源数据，然后选中需要合并的两个文件进行合并。
将合并后的光场图载入Speos虚拟现实实验室（Virtual Reality Lab）后，打开视觉参数（Vision Parameters）面板，将适应类型（Adaptation Type）设置为局部适应（Local Adaptation），配置合适的适应参数与亮度参数，并启用眩光效果（glare effect）。
可以通过optiSLang轻松优化该设计方案，找到最佳设计权衡。关于导光条的优化示例，请参考：《Exterior Lightguide Optimization – Ansys Optics（外饰导光条优化 - Ansys 光学文档）》。
关于可视化参数的更多细节，请参考：《Simulation Parameters for Visualisation Best Practices – Ansys Optics（可视化仿真参数最佳实践 - Ansys 光学文档）》。
可见性棱镜（Visibility prisms）
如果你是汽车照明领域的专家，可能已经注意到，前面讨论的法规中遗漏了一项关键要求：信号灯的可见性要求。
根据该法规，信号灯必须在水平方向45°内侧至80°外侧、垂直方向-15° 至+15°** 的范围内，提供超过0.3坎德拉（cd）的光强，而之前的配光方案显然无法满足这一要求（见下文说明）。
虽然0.3坎德拉（cd）的光强要求看似不高，但我们来分析一下这些方向上的实际可见性情况。从下表中可以得出两个核心结论：
-水平45°内侧（尤其是垂直±15°方向）的实现难度极高：车灯主透镜在这些方向上完全不可见，这是汽车照明系统中非常典型的设计局限，只有杂散光能够到达这些测试点。
-水平80°外侧的要求理论上相对容易满足：该方向上可以直接看到灯具的发光功能区域，但当前设计并未刻意向外投射额外光线。现有的光学方案效率极高，几乎将所有光通量都集中在±20°的中心区域，导致该设计对光圈变化非常敏感，需要精细的参数微调。
让我们聚焦于第一个挑战：
提升内侧可见性的典型方案，是将可见性棱镜集成到外透镜中，我们将采用这一设计思路。由于该修改不可避免地会影响灯具外观造型，我们将设计一套与造型线条对齐的棱镜网格，以保持外观风格的一致性。
该方案的核心原理如下：一部分预设透镜将直接传输光线，不向外透镜方向发散；光线的发散 / 偏折将在外透镜层面实现，以此解决内侧可见性的法规要求。
第一步是定义一个新的网格，以创建两个自由曲面矩形光学透镜（Optical Lenses–Freestyle Rectangular）。这些透镜可在以下路径中找到：RearDoor/TL L/Curves。
接下来，我们修改位于该网格正后方的花纹（pillows）参数，并创建一个新的分组（见绿色标记的光学枕）。
可以考虑两种实现方案：
- 使用台阶式花纹（Step Pillow），设置极小的孔径（例如0.1°）
- 使用自由曲面（Freeform）定义，并将X轴、Y轴角度均设为0°
完成上述设置后，即可按照定义的网格创建两个自由曲面矩形光学透镜。后续翼子板（fender）的通用参数化设置如下所示。
该设置包含以下要点：
- 选择定向（Directional）类型输入，假设入射光线为完全准直状态
- 将方向类型（Orientation type）设置为外部支撑（Outer support），以在透镜几何体内创建光学花纹（pillows）
文中定义了两组不同的光学花纹：
- 第一组光学花纹：适度增大光线发散角度，确保满足外侧（outboard）可见性法规要求
- 第二组光学花纹：将光线完全偏折向内侧（inboard）方向
采用该配置后：
- 仅需初始光通量的15.6%（单颗透镜3.12流明）即可满足法规最低要求
- 若要达到法规标准+20%的安全余量，则需要初始光通量的18.7%（单颗透镜3.74流明）
