スマートスピーカー向け照明システムの最適化​

本資料は、スマートスピーカー向け照明システムの最適化解析事例を示します。3次元光学解析ソフトウェアAnsys Speos 2025 R1以降を用い、設計最適化、色度評価、仮想アニメーション、グレア評価の各ステップを通じて、照明の見かけ品質の向上と試作コスト・評価時間の削減を実現するプロセスを解説します。

Ansys Speos Pro以降

従来の照明システムの設計と性能検証は、試作や実測に大きな工数がかかり、均一な発光分布の評価が困難でした。本解析の目的は、シミュレーション技術により設計変数を最適化し、発光の均一性と見かけ品質を高精度に評価することで、コストと時間の削減を実現することです。

本解析では、Ansys Speosのシミュレーション機能を活用して、以下の手順で解析を実施します。
Step 1: 設計の最適化
Step 2: 照明システムの色度評価
Step 3: バーチャルアニメーション
Step 4: グレアの評価

• 図1のとおり、モデルを読み込みます。
• 光源にはRGB-LEDを使用しています。
• 次の最適化でLighting Ringの形状を最適化し、発光の均一化を試みます。

• 一度解析実行します。
• RMSコントラストを7点作成します。
• 照度受光器にXMP templateを設定します。

• 「Light Simulation」タブに移動し、「Optimization」オプションを選択します。
• 3Dビュー内で、最適化対象となる「Lit」シミュレーション（直接シミュレーション）を選びます。

• 最適化定義セクションで、Modeドロップダウンから「Random Search」など適切なモードを選択し、停止条件を設定します。
• 「Document Variables」タブを開き、プラスアイコンをクリックして最適化する設計変数を追加します。
  • 主な変数として、ライティングリング内の内部パターンと外部パターンの曲率の上部半径を設定します。
• さらに、Virtual Photometric Laｂで「Lit」シミュレーション結果から7点でRMSコントラストを測定し、その測定結果をテンプレート化して、放射照度センサーに統合。これをメリット関数として設定します。

• シミュレーションツリー上で最適化機能を右クリックし、「Compute」または「GPU Compute」を選択して最適化を実行します。
• 最適化が完了すると、HTML形式のレポートが生成され、最適な設計変数が提案されます。
• 提案された最適解に基づき、初期の変数値を更新し、シミュレーションを再計算して、30度視点からの放射照度結果を確認します

• シミュレーションツリーから「Light_Sim.Radiance 30deg.xmp」をダブルクリックし、Virtual Photometric Labで輝度マップを開きます。

• Photometric Lab内のChromatic Data Toolを使用し、拡散領域（ディフューザー部分）における色度データを表示します。
• 色度空間を「xyY」に設定し、各ピクセルまたは測定エリアの色度座標を確認します。

• 「Reference color」チェックボックスを有効にし、基準色を0.33 / 0.33 / 100に設定。
• ΔE xyYを計算して、現状の色と基準色との差を評価します。

• 色度図のメニューから「Colorimetric Standards」を選択し、例えば自動車用のSAE J578規格ファイル（.cls）を適用します。
• スマートスピーカーのディフューザー領域の色が、指定された白色標準範囲内にあるか確認します。

• 色が基準範囲から外れている場合、バーチャルライティングコントローラーを利用し、各LEDの出力比率を微調整して色の適合性を高めます。
• 調整後、結果を保存して次のステップへ進みます。

• シミュレーションツリーで「Light_Sim.Animation」シミュレーションを右クリックし、「Compute」または「GPU Compute」を選択して、60度視点の放射輝度結果を生成します。

• 「Light_Sim.Animation.Radiance 60deg.xmp」をダブルクリックし、仮想測光ラボで放射マップを開きます。

• ツールタブから「Virtual Lighting Animation」を選択し、仮想アニメーションウィンドウを開きます。

• 仮想アニメーションウィンドウのファイルメニューから「開く」を選択し、「Speos output file」フォルダ内の「Light_Sim.Radiance 60deg.xmp」をロードします。

• 同じくファイルメニューから「Import」を選択し、あらかじめ作成されたアニメーションテンプレート「SS-Anime.csv」を「Speos output files」フォルダから読み込みます。

• 仮想アニメーションウィンドウで「Edit」タブをクリックし、「Preferences」を選択します。
• 表示された設定ウィンドウで、仮想測光ラボのデータを使用する設定にし、最大値を11000、アニメーションパラメータを5 FPSに設定して適用します。

• 「Operation」タブをクリックし、「Generate animation」を選択します。
• これにより、XMPファイルと同じフォルダにAVI形式の動画ファイルが作成されます。

• シミュレーションツリーから、Light_Sim_Animeシミュレーションの「Light_Sim.Radiance 60deg.XMP」結果を右クリックし、「Open with Virtual Human Vision Lab」 を選択します。

• Human Vision Labで放射マップが表示されたら、上部メニューから「Glare effect」を選択します。
• これにより、人間の眼で知覚されるグレア効果が表示され、照明システムの視認性や快適性が評価できます。