How to Design Safe, Appealing, Functional Automotive Lighting Systems

By Tobias Schmid, LucidShape Product Manager, Synopsys Optical Solutions

자동차 조명 애플리케이션은 2000년대 초반부터 수와 다양성 및 복잡성이 증가했으며 강력한 LED의 사용함으로써 크게 활성화되거나 가속화되었습니다. 헤드라이트에서 계기판의 조명과 번호판 램프에 이르기까지 차량 조명은 기능, 스타일, 안전 및 편안함을 위해 필수적인 요소입니다.

지역별 규정과 동시에 차량별 요구 사항을 충족하고 복잡한 스타일링을 제공해야 하는 필요성으로 인해 광학 설계 프로세스의 복잡성이 증가했습니다. 이로 인해 혁신적인 솔루션을 찾기 위해 자동차 조명 설계 소프트웨어에 대한 의존도가 높아졌습니다. 하이엔드 시뮬레이션 소프트웨어는 이러한 광학 시스템을 개발하는 데 근본적인 역할을 합니다. 설계자와 광학 엔지니어가 설계 타당성을 검증하는 광학 개념에서 전체, 고도로 정제되고 검증된 제품. 광학 성능을 특징짓는 다양한 측광 데이터와 함께 사실적인 이미지를 사용하여 차량 조명이 실생활에서 어떻게 보일지 정확하게 예측합니다. 이러한 모든 작업은 소프트웨어에서 가상으로 수행할 수 있으므로 비용과 시간이 많이 소요되는 물리적 프로토타입의 필요성이 줄어듭니다.

자동차 조명의 유형과 기능, 광학 모델링 및 시뮬레이션의 중요성, 내부 및 외부 조명의 다양한 사양, Synopsys 광학 솔루션 제품군이 어떻게 도움이 되는지 자세히 알아보십시오.

Defining Automotive Interior Lighting

자동차 인테리어 조명의 정의

운전자와 승객이 차량 내부에서 볼 수 있는 조명을 시작으로 자동차 내부 조명은 일반적으로 디스플레이 및 표시등, 인테리어 기능 조명, 액센트 조명으로 구분됩니다. 첫 번째 범주의 표시등을 통해 운전자는 범위, 주행 거리 또는 보다 다면적인 정보(GPS의 방향, 메뉴 기반 디스플레이 또는 헤드업 디스플레이 또는 HUD를 위한 조명 프로젝션)와 같은 대시보드에 표시되는 표준 정보를 얻을 수 있습니다.

LightTools의 HUD 시뮬레이션

차세대 실내 자동차 디스플레이는 운전자가 맞춤화할 수 있는 완전한 디지털 운전석을 제공할 수 있습니다. 디스플레이 및 표시등의 주요 특성은 색상, 휘도 및 휘도 균일성입니다.

두 번째 분류인 실내 조명은 운전자 또는 승객이 다른 것을 볼 수 있는 조명을 제공합니다. 실내 조명 시스템의 전형적인 예로는 돔 조명, 얼굴을 비추는 거울 조명, 지도 및 독서등, 수납등 등이 있습니다. 이러한 조명의 주요 설계 고려 사항은 눈부심을 유발하지 않고 특정 조명 작업, 충분한 조도 수준 및 균일성을 달성하기 위한 정밀한 공간 조명 분포입니다. 두 번째 메트릭은 가시성과 무드 조명 모두에 대한 색상입니다.

LightTools 소프트웨어의 지도 조명 시뮬레이션

마지막으로 액센트 조명은 스타일링 단서를 제공하고 자동차 인테리어의 분위기를 개인화하는 데 도움이 됩니다. 또한 실내가 어두울 때 운전자와 승객이 파워 윈도우 컨트롤, 라디오 버튼, 컵홀더와 같은 컨트롤과 기능을 찾는 데 도움을 줍니다. 실내 조명과 비교할 때 악센트 조명은 일반적으로 낮은 조명 수준을 사용합니다. 액센트 조명의 목적은 차량의 다른 물체에 빛을 비추는 것이 아니라 단순히 자체적으로 볼 수 있기 때문입니다. 이러한 시스템의 경우 설계자가 염두에 두어야 할 주요 메트릭은 색상, 시각적 균일성 및 적절한 조명 수준입니다.

LightTools 소프트웨어의 지도 조명 시뮬레이션

Interior accent lighting

The Purpose of Exterior Lighting

외부 조명의 목적

자동차 외부 조명은 차량의 전면, 후면 및 측면에 나타나며 차량 루프까지 확장될 수도 있습니다. 이러한 유형의 조명용 제품은 저조도 및 야간 운전 조건에서 운전자가 장애물과 교통 표지판을 인식할 수 있도록 도로 조명을 비추고, 다른 운전자와 보행자에게 차량의 가시성을 최적화하고 방향을 바꾸거나 속도를 줄이려는 의도를 다른 운전자에게 전달하는 등 여러 가지 주요 안전 목표를 충족하도록 개발되었습니다. 기능적인 측면을 넘어, 외부 조명은 필수적인 스타일링과 차량 브랜드 요소로 발전해 왔습니다.

Forward Lighting

전방 조명

전방 조명으로 알려진 전면 외부 조명에는 로우 빔 헤드램프(passing beam), 하이 빔 헤드램프(driving beam) 및 전면 안개등이 포함됩니다. 이러한 램프 기능을 통해 야간 및 가시성이 낮은 차량을 안전하게 운전할 수 있습니다. 이 시스템은 운전자가 충분히 볼 수 있도록 전방 도로를 비춥니다.

LucidShape CAA V5 기반 소프트웨어의 Acura ILX 헤드램프 모델

로우 빔은 도로와 좌우를 비추는 야간 주행에 유용합니다. 다른 운전자의 눈부심을 방지하기 위해 빔 패턴의 컷오프 라인을 활용합니다.

LucidShape 소프트웨어에서 로우빔의 도로 조명을 보여주는 시뮬레이션된 운전자 뷰

하이 빔은 헤드라이트 기능의 도달 범위가 가장 넓으며 특히 고속 주행 시 차량을 안전하게 운행하는 데 필요한 야간 운전자 시야를 가장 잘 확보해 줍니다. 이를 달성하기 위해 하이 빔은 컷오프 라인을 사용하지 않습니다.

LucidShape 소프트웨어의 하이 빔에서 나오는 도로 조명을 보여주는 시뮬레이션된 운전자 뷰

하이 빔은 다른 운전자에게 상당한 눈부심을 유발할 수 있으므로 교통 상황에 따라 하이 빔 헤드라이트를 비활성화해야 합니다. 이 문제에 대한 자동화된 솔루션으로 소위 Adaptive Driving Beam(ADB) 또는 픽셀 조명 시스템이 점차 대중화되고 있습니다. 이 정교한 헤드라이트 시스템은 상황에 따라 도로 조명을 제공하는 동시에 다른 운전자의 눈부심을 최소화할 수 있습니다.

LucidDrive 소프트웨어의 adaptive front-lighting 시스템 시뮬레이션

Signal Lighting

신호등

신호등은 주간주행등(DRL), 방향지시등, 헤드램프 내 전면 위치등으로 구성됩니다. 차량 후방의 신호등은 일반적으로 position lamp (tail lamp), 제동등, 후방 방향 지시등, 후방 안개등 및 Center High-mounted Stop Light(CHMSL)을 포함합니다. 그리고 차량의 측면에는 측면 방향 지시등(펜더 또는 사이드 미러에 있음) 및/또는 사이드 마커 라이트가 있을 수 있습니다.

이 램프는 다른 운전자가 사용자의 의도를 인식하고 그에 따라 반응할 수 있도록 회전 또는 제동과 같은 동작을 신호하도록 설계되었습니다. 또한 신호등의 배치는 다른 운전자가 자신이 운전하고 있는 차량의 크기를 파악하는 데 도움이 됩니다.

다양한 설계 컨셉 중 라이트 가이드는 DRL, 방향지시등 및 테일램프 기능에 대한 거의 무한한 스타일링 기회를 고려할 때 신호등 애플리케이션에 광범위하게 사용되었습니다. 라이트 가이드는 컴팩트한 프로파일, 유연한 광원 위치 지정 및 전체 패키징을 지원하기 때문에 매력적입니다.

DRL 라이트 가이드용 CAD 모델

시각적 조명 모양을 예측하는 시뮬레이션된 라이트 가이드 모델의 휘도

사출 성형을 위한 개선된 툴링 기능과 함께 광학 설계 및 시뮬레이션 소프트웨어의 발전으로 진정으로 뛰어난 스타일을 보여주는 신호 조명 설계가 탄생했습니다.

JW LucidShape의 설계 및 시뮬레이션 기능을 사용하여 스피커 McLaren P1 테일 램프 설계.

사진 제공: McLaren Technology Group

측광 규정 요구 사항은 전면 조명보다 이러한 배광에 대해 충족하기 더 쉬운 경향이 있기 때문에 신호 램프는 더 많은 스타일링 기회를 제공합니다. 이러한 구성 요소의 미학을 정확하게 예측하기 위해 설계자는 사실적인 시각화를 사용하여 조명이 켜진 모양과 조명이 없는 모양을 시뮬레이션합니다. 물리학 기반 시뮬레이션은 광학 엔지니어링 결정에 도달하는 데 필요한 사실적인 품질을 달성하는 데 필수적입니다. 설계자가 정확한 가상 프로토타입을 개발, 테스트 및 검증할 수 있으면 제품 개발 시간과 비용을 크게 줄일 수 있습니다.

Additional Special-Purpose Vehicle Lighting

추가 특수 목적 차량 조명

전방 및 신호등 외에도 차량의 특수 목적 램프를 볼 수 있습니다. 예를 들어 번호판 램프는 야간이나 기상 조건에서 가시성이 어려울 때 다른 운전자와 법 집행관이 번호판을 쉽게 볼 수 있도록 합니다. 또한 차량의 내부 및 외부에 OEM 브랜드의 로고와 같은 시그니처 램프가 표시될 수 있습니다.

Vehicle-to-X(V2X) 조명은 자율 주행 및 전기 자동차의 도입으로 주목을 받고 있는 새로운 유형의 조명으로 거의 소음이 없는 차량 또는 운전자가 없는 차량이 보행자 또는 다른 운전자에게 주변의 의도를 알리는 조명 기반의 시각적 통신 시스템을 제공합니다. V2X 조명 기능은 센서 시스템(예: 카메라, LiDAR 및 레이더)과 함께 현재 연구 및 관심 주제입니다.

민간 차량에는 사용되지 않지만 상업용, 정부 또는 긴급 차량에 중요한 다른 램프에는 위험 운송 경고용 노란색 램프, 소방차, 경찰차, 구급차용 파란색 램프 그리고 도로 유지 보수 차량의 점멸등 및 대형 차량을 나타내는 램프가 포함됩니다.

다른 유형의 외부 조명 기능에는 차량에 접근할 때 빛을 제공하는 웰컴 라이트, 자동차 문에 있는 퍼들 라이트, 현관까지 안전하게 걸어갈 수 있도록 조명을 제공하는 팔로우 미-홈 라이트가 있습니다.

LightTools 소프트웨어에서 로고 프로젝션을 포함한 실내 자동차 조명 시뮬레이션

Developing Automotive Lighting Products

자동차 조명 제품 개발

실내 및 실외 조명 제품을 설계할 때 설계자와 광학 엔지니어가 염두에 두어야 할 많은 요소가 있습니다. 정확한 시뮬레이션 결과를 얻으려면 광산란, 분산 및 흡수 효과를 포함하여 정확한 재료 및 매체 특성화가 필요합니다. 모든 광학 요구 사항을 검증하기 위해 램프별 광 분포를 정량적으로 예측할 수 있는 몬테 카를로 광선 추적 방법을 사용합니다. 시뮬레이션 결과를 사용하여 요구 사항 준수를 평가하기 위해 다양한 메트릭을 확인해야 합니다. 분석의 복잡성과 대부분의 제품에 필요한 많은 설계 반복을 감안할 때 엔지니어는 필요한 정보와 평가를 효율적으로 추출하기 위한 전문화된 도구를 갖추는 것이 필수적입니다.

다음 이미지는 자동차 조명 산업의 요구 사항을 위해 특별히 개발된 포괄적인 광학 설계, 시뮬레이션 및 분석 플랫폼인 LucidShape CAA V5 기반에서 시뮬레이션된 헤드램프 모델을 보여줍니다.

LucidShape CAA V5 기반 소프트웨어에서 외부 렌즈 및 베젤의 반사로 인해 발생하는 미광 경로를 보여주는 로우 빔 프로젝터 모듈의 시뮬레이션

다음 이미지는 몬테 카를로 시뮬레이션으로 생성된 로우 빔 광 분포에 대한 일반적인 테스트 포인트 분석을 보여줍니다.

LucidShape 소프트웨어의 로우 빔 배광에 대한 규정 준수 분석

Automotive Lighting Design Tools

자동차 조명 설계 도구

자동차 조명 제품은 광범위한 응용 분야에 적용되며 광학 엔지니어의 설계 요구 사항은 이러한 세부 사항에 따라 달라집니다. Synopsys는 LucidShape, LucidShape CAA V5 기반 및 LightTools 소프트웨어를 포함하는 광학 솔루션 제품 포트폴리오로 이러한 요구를 충족하는 광범위한 전문 도구 세트를 제공합니다.

LucidShape CAA의 설계 모듈은 자동차 조명 엔지니어와 설계자가 조명 설계 기준을 기반으로 기능적 형상을 생성하고 이러한 사양 및 기타 사양을 기반으로 복잡한 자유형 표면을 생성할 수 있도록 하여 설계 프로세스를 간소화합니다. 이러한 기능은 우수한 광학 설계를 생성하는 데 필요한 세부적인 제어 기능를 제공하여 최고의 효율성, 광학 성능, 스타일 유연성은 물론 공차에 대한 견고성을 보여줍니다.

다음 이미지는 이러한 설계 기능 중 일부를 보여줍니다. 로우 빔 프로젝터 모듈의 반사경 및 렌즈 설계 기능뿐만 아니라 정교한 다면 반사경 광학을 생성하기 위한 설계 기능도 제공합니다.

LucidShape CAA V5 기반 소프트웨어에서 프로젝터 유닛 및 면 반사기의 조명 시뮬레이션

또한 LucidShape CAA는 자동차 조명 엔지니어와 설계자가 제품 개발 프로세스 전반에 걸쳐 물리적으로 정확한 사실적 이미지를 생성하여 인간의 눈에 조명 시스템이 인식되는 방식을 정확하게 예측할 수 있는 Visualize 모듈을 제공합니다. 개발 프로세스 초기에 실사 이미지를 사용하여 설계 또는 재료 대안을 평가하고 스타일 목표를 충족하는지 여부를 평가합니다. 설계 개념이 선택되면 모든 요구 사항을 충족하도록 설계를 발전시키는 광학 엔지니어에게 귀중한 피드백을 제공하고 물리적으로 정확한 이미지를 확보하면 목표 설계 변경이 용이해집니다. 설계가 동결되기 전에 제품 팀은 관리 팀, 고객 및 기타 이해 관계자와 함께 이를 검토하여 모든 사람이 제품의 시각적 외관에 만족하는지 확인하고 최종 제품에 대한 명확한 기대치를 설정할 수 있습니다.

Acura ILX 헤드램프 CAD 모델(왼쪽)과

DRL 및 방향지시등이 활성화된 헤드램프의 사실적인 시뮬레이션(오른쪽)

차량 전면(왼쪽) 및 테일램프 시각화(오른쪽)의 일부를 포함하는 Acura ILX 헤드램프의 사실적인 시뮬레이션

전체 Acura ILX 차량의 사실적인 시뮬레이션

LucidShape CAA는 주간 주행등, 방향지시등, 후미등과 같은 애플리케이션을 위한 자동차 라이트 가이드 설계를 용이하게 하는 라이트 가이드 디자인 모듈을 제공합니다. 이 도구를 사용하면 균일한 모양과 규정 준수를 위해 라이트 가이드 시스템을 만들고 최적화할 수 있습니다. 라이트 가이드 설계자는 라이트 가이드 지오메트리에 대한 매우 반복적인 수동 조정이 최적화 알고리즘으로 자동화되고 수동으로 만든 전문가 설계보다 우수한 광학 설계를 달성할 수 있기 때문에 라이트 가이드를 개발하는 데 필요한 시간을 크게 줄일 수 있습니다.

LucidShape CAA 라이트 가이드 설계 모듈로 생성된 DRL 라이트 가이드 모델

DRL 라이트 가이드의 시뮬레이션된 휘도(멀티뷰 애니메이션)

LightTools 조명 설계 소프트웨어는 실내 조명을 위해 우수한 자동차 광학 부품 설계를 위한 추가 설계, 시뮬레이션 및 분석 도구를 제공합니다. 아래 그림은 디스플레이 전체에 균일한 조명을 구현하기 위해 3D 미세 구조를 사용하는 디스플레이 애플리케이션을 보여줍니다.

LucidShape CAA는 주간 주행등, 방향지시등, 후미등과 같은 애플리케이션을 위한 자동차 라이트 가이드 설계를 용이하게 하는 라이트 가이드 디자인 모듈을 제공합니다. 이 도구를 사용하면 균일한 모양과 규정 준수를 위해 라이트 가이드 시스템을 만들고 최적화할 수 있습니다. 라이트 가이드 설계자는 라이트 가이드 지오메트리에 대한 매우 반복적인 수동 조정이 최적화 알고리즘으로 자동화되고 수동으로 만든 전문가 설계보다 우수한 광학 설계를 달성할 수 있기 때문에 라이트 가이드를 개발하는 데 필요한 시간을 크게 줄일 수 있습니다.

LightTools 소프트웨어에서 디스플레이 시뮬레이션 모델(왼쪽) 및

최적화 전후의 3D 텍스처 시뮬레이션(오른쪽)

자동차 조명은 운전자의 편안함과 안전을 향상시키는 데 필수적인 요소입니다. 기술 발전과 공학적 독창성은 몇 년 전만 해도 상상할 수 없었던 자동차 조명 혁신으로 이어졌습니다. Synopsys에서는 미래의 엔지니어링 문제를 해결하기 위한 도구를 제공함으로써 업계가 한계를 더욱 뛰어넘을 수 있는 많은 기회를 볼 수 있습니다.

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