車載光学部品開発を支援する CAEと測定器 - サイバネットシステム

車載光学部品開発を支援する
CAEと測定器
デバイス特性評価～設計/解析～実測まで
サイバネットシステム株式会社
応用システム第2事業部
オプティカルソリューション部
LightTools技術グループ
紹介概要
■ サイバネットシステム会社紹介
■ CAEの使用例
● 携帯電話
● 車両に搭載されている光学部品
■ 設計シミュレーション
● 照明設計解析ソフトウェア LightTools とは
● H11バルブ（ハロゲン電球）のシミュレーション
■ 光に関わる測定器
● Radiant Imaging社製測定器
■ 測定結果のフィードバック
● 測定結果のCAE（LightTools）へフィードバック
■ まとめ
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事業全体図
CAEトータル・ソリューション・プロバイダー
ネットワーク・
ソリューション
制御
機械
光学
技術サポート
ＣＡＥ教育
ユーザー技術教育
導入・運用コンサルタント
エンジニアリングサービス
統合/カスタマイズ・サービス
最適設計サービス
業務プロセス改革
ｅラーニング支援
設計/開発会議システム
（Ｗｅｂ会議）
…
PC資産管理
PC接続ソフト
ネットワーク・
セキュリティ
建築・土木
電子回路
創薬・生命工学
ナノテク
ソフトウェアのライセンス販売と共に、多くの付加価値サービスをもって事業展開
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CAEの使用例：携帯電話
明るく・見やすい液晶画面
液晶ディスプレイ・バックライト照明解析
LightTools
高周波の人体への影響
アンテナから発せられる高周波電磁場
による発熱エネルギーの人体温度上昇
シミュレーション
ANSYS
外装設計
ANSYS LS-DYNA
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CODE V
プリント基板熱解析
ICパッケージ熱解析
MoldStudio3D
落下衝撃シミュレーション
CCDカメラレンズ設計シミュレーション
画像処理システムの開発・設計
熱の影響
プラスチック射出成型解析
強度設計
カメラ機能
ANSYS TASPCB
ANSYS PTD
回路設計・通信制御
アナログ・デジタル回路設計
アナログ・デジタル信号処理
プリント基板設計
OrCAD PSpice, MATLAB,
Cadence® Allegroシリーズ
高周波通信システム設計
アンテナを含む電気回路
通信システムの設計・検証
AWR Microwave Office
車両に搭載されている光学部品
光源
・ハロゲン球
・放電灯
・LED など
スピードメーター
ハロゲン電球
LED
メーター
ディスプレイ関係
主に導波路系
・導光板
・ライトガイド
ヘッドムランプ
各種照明装置（外装照明）
主にリフレクターやレンズによる配光制御
・ヘッドランプ
・リアコンビネーションランプ
・室内用照明ランプ
オーディオ照明
ルームランプのレンズ
リアコンビネーションランプ
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その他：
・ナイトビジョン（赤外線投光機）
・車載カメラ
など
設計とシミュレーション
配光分布
3Dモデル
H11バルブ（ハロゲン球）の配光分布解析
メーターパネルの輝度分布解析
3D_CADモデルを使用して光学シ
ミュレーションを行うことができる。
各種物性値（屈折率、透過率、反
射率など）を設定することで事前の
性能把握を精度高くする。
試作回数の低減と開発工数・期間
の短縮を可能とする。
ヘッドランプの配光設計
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LightToolsとは
LED
迷光解析
照明器具
光のデザインを追及するエンジニアを
支援するソフトウェア
LCDディスプレイ
ライトパイプ
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自動車関連
シミュレーションのイメージ
鋸歯形状
（LEDからの光を拡げる）
ドットパターン
LED
空間輝度分布
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H１１バルブ（ハロゲン電球）のシミュレーション
強
弱
弱
バルブの壁はフレネル
損失モード、フィラメント
の支柱は混合散乱体
モード(拡散とスペキュ
70
ラー成分)に設定
60
○物体の光学特性
■
正確な光学特性の定義を行うことで正しい性能が得られます
●
●
■
反射/透過, フレネル損失, 面の散乱, スペクトル吸収を指定するこ
とが可能です
ガラス・透明プラスチックでは、屈折率・透過率（分光特性）は重要です。
ランプの土台は、(必要ならば)
“ラフ“な面として扱うために混合散乱体として設定することも
可能です
Flux Value (lumens)
H11バルブ
（CADモデル）
50
40
30
20
10
0
-10
-5
0
5
Position on Filament (mm)
○コイル端のクールオフ
コイルの端部は中心に比べて若干、発光する
光束が落ちます。
このような細かな設定も実測値と比較する上
では重要になります。
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10
実測とシミュレーション結果の比較
■ 放射方向の強度(光度)分布
● 平均強度
● 黒の点線はメーカーデータによ
る＋10%の誤差の幅を示します
● ばらつきの結果は下記の公差が
原因です：
■
■
■
■
幾何形状
フィラメント
配置(計測器)
少ない光線追跡(角度分解能2度で
誤差5%の結果を得るには8,000,000
本近くの光線を追跡する必要があり
ます)
■ 注意: LightTools上では詳細な
実測情報/実測時の誤差は確
認できません
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測定方向(参照: Philips catalog)
実測とシミュレーション結果の比較
■ 水平方向の強度(光度)分布
● 平均強度
● 黒の点線はメーカーデータによる
＋10%の誤差の幅を示します
● カットオフはトップキャップ(黒)と
土台の遮へい形状に依存しま
す。つまりシミュレーションにお
いてはランプの土台方向の光
線は吸収特性のディスクにブ
ロックされます
測定方向(参照: Philips catalog)
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コイル外側のクールオフ
■ 組み込みのUtilityを使って光束の重み付けが可能です
● フィラメントに沿う光束の密度を指定するために2つのパラメータを
使用します
● 与えられたフィラメント(1つあるいは多数)の“cold”端をシミュレー
ションすることができます
光源モデル
相対パワー
Flux Value (lumens)
70
60
50
40
30
20
10
0
-10
-5
0
5
Position on Filament (mm)
位置
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Radiant Imaging社製測定器
輝度・照度・色度測定システム
ProMetric
○高ダイナミックレンジCCD採用
○輝度や色度の絶対値測定
○ムラ解析機能
○Active-Xによるカスタマイズ
カーナビなどのディスプレイ評価
バックライト
上段：輝度分布
下段：ムラ解析
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測定結果の確認
ヘッドランプロービーム
スクリーンに投影した状態
ProMetricを用いての測定
評価画面
路面へ照射した時の等照度曲線図
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測定結果の解析：例ECE Reg20の合否判定
ECE Reg 20 Left-Hand Traffic Test
測定結果をソフトウェアにて解析する事ができます。
・測定ポイントの合否判定
・測定領域の最大値、最小値
とそのロケーションの確認
・カットオフラインのG値の計算
これらカスタマイズは目的に合わせて変更・修正・追
加を行う事が可能であり、お客様の使い易い仕様に
あわせる事ができます。
左図の例はヘッドランプの配光規格：ECE_Reg20の
各ポイントの合否判定を行う物です。
必要に応じ、他のReg_NOやFMVSSなどにも対応
可能です。
・ランプ取り付け状態の設定
・路面の範囲の設定
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光源実測の手法
<測定方法②>
<測定方法①>
光源
面輝度計
拡散材質の
半球
2軸の
ゴニオ
メータ
固定した
受光器
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ミラー
光源
Radiant Imaging社製測定器
ニアフィールド測定システム
Source Imaging Goniometer
○2軸のゴニオメーターとProMetricを組み合わせた二アフィールド測定器
○LED/バルブ/HID等実光源の発光輝度・空間分布を評価
○測定可能範囲□0.5㎜～□200㎜
○測定データはLightTools等の照明設計解析ソフトウェア上で光源データとして
活用・シュミレーションに生かす事が可能
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事例：H4バルブの測定：
（Source Imaging Goniometer（SIG）を用いた測定）
Hiビーム用フィラメント
グレースケール表示
A
A
カラー表示
C：バルブ後端
B：バルブ先端
Hiビーム用配光分布：上図断面AA
C
B
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C
フィラメントの位置による発光の
強弱の確認が可能
＊クールオフ効果の確認
Radiant Imaging社製測定器
高速配光測定システム
Imaging Sphere
面輝度計
○配光分布を瞬時に測定
○三種類の評価が可能
・光源の配光分布
・ディスプレイの視野角特性
・拡散板の散乱特性
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拡散材質の
半球
ミラー
光源
事例：LED測定（Imaging Sphereを用いた測定）
<指向性の強いLED>
配光分布と断面出力
<指向性の弱いLED>
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三次元画像
色度図へのプロット
測定結果のフィードバック1：LEDの配光分布の取り込み
SourceＩｍａｇｉｎｇGoniometerによる測定結果
LightToolsによるシミュレーション結果
配光分布
実際に設計に使う光源のデータをそのままシミュレーションへ適用することで
より精度の高いシミュレーションが可能になります。
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測定結果のフィードバック2：
現物での不具合を解析ソフトで検証するには？
意図しない光などがあった場合
・実際に対象物を目で見ながら光がくる
箇所を確かめる
・CAD/CAEにて光路の確認を行う。
ヘッドランプロービーム配光分布
測定結果から、性能の良否を判断することは可能ですが、
不具合があったときに「何が原因か？」までは、教えて
くれません。
現物を見ながら原因を探るのが現状かと考えます。
シミュレーションを活用することで、その原因を探る手助け
をすることが可能と考えます。
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LightToolsの活用例
配光分布
シミュレーションと測定のイメージ
光線経路の表示
原因となる光路
LightToolsでは、シミュレーション結果から特定の場所に集まる光路とその影響を確認
することが行えます。また、特定の部品の特定の領域による影響など様々な解析を行う
ことが可能です。
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まとめ
・CAEは形状・物性値を現物に近づけることでより精度の高い予測を行える。
・各種ツールは常用する機能だけに目が行きがちであるが、見えていな
かった機能などを理解することで業務効率を上げることできることがある。
・測定結果は、物作りにおける大事な資産である。
・どのようなデータが欲しいかで必要な測定器が変わってくる。
・CAEと測定器は独立しているようでいて、相互の結果を反映し合う事が
可能である。
本日ご紹介の製品については下記までご連絡ください。または、弊社ブース
（番号116）までご来場ください。
サイバネットシステム株式会社
応用システム第2事業部オプティカルソリューション部
Tel：03-5297-3405/E-mail：[email protected]
Webサイト：サイバネットシステム http://www.cybernet.co.jp/
オプティカルソリューション
http://www.cybernet.co.jp/optical/automotive/
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