博碩士論文 106226029 詳細資訊




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姓名 吳同(Tung Wu)  查詢紙本館藏   畢業系所 光電科學與工程學系
論文名稱 失效LED車頭燈的截止線光形重建之研究
(Study of Reconstruction of Sharp Cut-off line for a Disqualified LED Headlight)
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摘要(中) 本論文主要針對欲通過德國 StVZO法規 (K-mark)與歐洲ECE法規 (E-mark - CLASS B) 之LED車前燈做分析,搭配一般市售高功率白光LED為光源,探討二次光學機構在光學設計空間上的極限。針對法規要求,在設計光形的截止線上方需有一塊暗區區域,此暗區被要求低於某一照度值。在越緊縮的光學設計空間中,經由二次光學機構投射出來的光形會有暈開的雜散光,使原先設計之暗區能量過高而無法通過法規,如何由模擬中分析出雜光來源,並在實驗中將之以不同的優化實驗方式做處理修復,是本篇論文之要點之一。
相較於一般市售的車前燈,常是以一塊不透光之擋板,以損耗能量的方式去塑造出一條銳利的截止線。而本論文設計之車前燈是採用8塊光學面,以能量疊加的方式塑造出截止線,在功率約2.1瓦特的條件下Emax達50 lux以上,暗區照度僅1.6 lux,且具一清晰銳利之截止線並通過德國K-mark法規規範之高亮度照明光學設計產品。
我們並提出點光源追跡與眼球成像系統的概念,探討在複雜的照明系統中,能得到一精準的初階光學設計模擬結果,且將暗區雜光來源抽絲剝繭,進而修復出可通過法規之光形。
摘要(英) In this thesis, the space limit of the secondary optical mechanism in the optic design has been extensively explored with the commercial high power white LEDs which follow the German StVZO regulations (K-mark) and the European ECE regulations (E-mark - CLASS B). According to these regulations, a dark area of illuminance less than a certain value is required to present above the cutoff line of the projecting light pattern. Within a limited space for optical design, the resulting projecting light patterns through the secondary optical mechanism will become very dizzy. As a result, the illuminance of the dark area goes too high and fails over the regulations. We have proposed a practical process to trace out the source of stray lights from the reflector by simulation and eliminated the stray lights by alternative optimization. In the meantime, the concept of point source tracking and eyes imaging system is also developed for a more precise primary optic design of a complex lighting system. In such a way, the sources of stray lights can be easily traced out, and then eliminated as to follower the regulations.
關鍵字(中) ★ 車頭燈
★ 截止線
★ 光學設計
★ K-mark
★ E-mark
關鍵字(英) ★ headlamps
★ cut-off line
★ optic design
★ K-mark
★ E-mark
論文目次 摘要 i
Abstract ii
致謝 iv
目錄 vii
圖目錄 x
表目錄 xv
第一章 緒論 1
1-1 研究背景 1
1-2 車前燈發展史 3
1-3 論文大綱 9
第二章 基礎原理 11
2-1 光度學 11
2-2 中場擬合法 17
2-3 光展量 19
第三章 LED車前燈之法規介紹 22
3-1 德國 StVZO 22A No. 23法規 23
3-2 歐洲ECE規範No. 113法規 25
第四章 二次光學機構之光學設計與光學特性分析 30
4-1 研究動機與設計目的 30
4-2 二次光學機構尺寸對於光場之調制能力 33
4-3 初階二次光學設計模擬與其他下打式反射杯之差異比較 36
第五章 下打式反射杯之雜散光模擬分析 44
5-1 點光源追跡 44
5-2 眼球成像系統 45
5-3 下打式高亮光杯之遮擋模擬結果 48
第六章 多款下打式反射光杯之抑制雜光優化實驗 49
6-1 Type - A下打式高亮光杯之位移光源之微失焦處理 49
6-2 通過K-mark 之Type - B 下打式Mini光杯 53
6-2-1 光學面之遮擋抑制雜散光處理 53
6-2-2 光學面之噴塗銀漆霧化處理 55
6-2-3 限縮光源發散角之遮擋處理 58
6-3 通過ECE CLASS-B下打式Type-C光杯之接縫處遮擋處理 61
6-4 總結 63
第七章 結論 66
參考文獻 69
中英文名詞對照表 73




圖目錄
圖1 1英國倫敦自行車與汽車使用者之比例柱狀圖。 2
圖1 2 (a)為使用蠟燭之馬燈,(b)為使用煤油燈之馬燈 。 5
圖 1 3硬直合金車前燈 。 6
圖 1 4 (a)為單孔噴嘴之乙炔燈,圖(b)雙孔噴嘴之乙炔燈。 6
圖 1 5 (a)為白熾燈泡,圖(b)為白熾燈改良過後的鹵素燈泡。 8
圖 1 6 LED頭燈Cateye EL-300。 9
圖 2 1視效函數與光譜關係圖。 12
圖 2 2 照度定義圖。 14
圖 2 3立體角之定義。 15
圖 2 4 輝度定義圖。 16
圖 2 5 中場示意圖。 18
圖 2 6朗伯光源與接收面之相對位置夾角示意圖。 20
圖 3 1 法規檢測距離示意圖。 23
圖 3 2 StVZO 22A No.23法規檢測位置示意圖。 23
圖 3 3 E-mark 車前燈Class B之檢測位置。 27
圖 3 4 E-mark截止線檢測方式說明,灰色區域為截止線線性區,間格每0.1°垂直掃描-3°~ 3°的垂直線。 28
圖 4 1 光學有效利用率示意圖。 34
圖 4 2 延展光源置於一拋物線反射杯所造成之發散角。 35
圖 4 3反射杯之光學面設計(a)反射杯正面寬、高度,與(b)反射杯側面深度。 37
圖 4 4光源經二次光學機構所投射出之(a)目標面光形,以及(b)路面光形。 38
圖 4 5下打式反射杯在模擬中K-mark目標面上之照明表現。 39
圖 4 6 H. J. Park團隊所設計之二次光學機構正面及側面圖。 41
圖 4 7兩款車前燈位於K-mark目標面上之實驗照度值比較。 41
圖 4 8 H. J. Park團隊所設計之下打式反射杯量測之實驗結果。(a)車前燈正打於目標面上,(b)車前燈正打於路面上之路照,(c)車前燈向左傾10°之路照。 42
圖 4 9中央大學孫慶成教授所領導的光學設計團隊所開發的下打式反射杯LED車前燈,符合德國K-mark 法規之具截止線光形。 42
圖 5 1 (a)以XP-E2-R4面光源與(b)以理想點光源進行模擬光形,其模擬的條件為2000萬條光線數,反射杯出光面與目標牆面的距離為10 m。 45
圖 5 2 (a)眼球成像系統之模擬架構與(b)眼球成像系統之偵測方式。 46
圖 5 3-1 二次光學機構產生之雜光區域模擬結果。 47
圖 5 3-2 經眼球成像系統所反饋的產生雜光之反射杯光學面成像模擬結果。 47
圖 5 4 (a) 原始之反射杯模擬光形與(b)反射杯下緣做遮擋處理之模擬光形。 48
圖 6 1 反射杯與光源之位移架構實驗系統。 50
圖 6 2 (a)為光杯側視圖,(b)為反射杯俯視圖,光源定位之孔徑中心位置。 51
圖 6-3 (a)為光源向Z方向位移-0.2 mm之側視圖,(b)為反射杯為光源向Z方向位移-0.2 mm之俯視圖。 52
圖 6 4 (a)光源位移前之照度分布與(b)光源向Z方向位移-0.2 mm之照度分布。 52
圖 6 5 (a)遮擋光學面中間倒三角形區域與(b)遮擋反射杯下緣。 53
圖 6 6 (a)未做光學面遮擋之光形,(b)未做光學面遮擋之光杯機構,(c)光杯下緣做遮擋之光形,(d)光杯下緣做遮擋之光杯機構,(e)遮擋反射杯中間倒三角形部分之光形,(f) 遮擋中間倒三角形部分之光杯機構。相互比較可知(d)的遮擋方式對光形影響較小,故此款光杯較適合做遮擋反射杯下緣的優化處理。。 54
圖 6 7 (a)未做光學面遮擋,(b)光杯下緣做遮擋,(c)遮擋反射杯中間倒三角形部分,(d)數據由左至右為(a) ~ (c)之實驗照度比較,可知(b)之遮擋方式可使Zone 1照度有效下降,且不會使HV點之照度大幅下降,數據單位為lux。 55
圖 6 8 Type-B下打式反射杯之霧化實驗,(a)為保護光學面的霧化前置處理,(b)為低密度之霧化處理,(c)為高密度之霧化處理。 56
圖 6 9 (a)為霧化前之光形,(b)為霧化後之光形,(c)為做霧化處理前後的實驗照度數據。由Zone1之照度比較可知,霧化後能有效抑制暗區照度。 57
圖 6 10 (a)為霧化前之光形,(b)為高密度的霧化處理之光形,(c)為高密度之霧化處理前後的實驗照度數據。由Zone1之照度比較可知,霧化密度越高則抑制暗區之效果越顯著。 58
圖 6 11 Type-B光杯之限縮光源發散角處理,將投射至反射杯接縫處之光源面積以貼黑膠處理。 59
圖 6 12 以黑膠遮擋下打式光源限縮其發散角之示意圖,虛線表示之θ1為遮擋前之發散角,實線表示之θ2為遮擋後之發散角,θ2 < θ1。 59
圖 6 13 (a)為原始的光形,(b)為光源限縮其發散角後的光形,(c)為照度比較之實驗數據,其中左方數據代表原始光形之照度,右方數據代表優化後光形之照度。比較Zone1照度可知,暗區照度經由限縮部分光源發散角後,獲得顯著抑制效果。 61
圖 6 14 ECE CLASS B 法規之實驗量測(a)無任何優化處理與(b)反射杯下緣以黑膠黏貼遮擋,由Zone1比較可知,在光學面下緣增加黑膠遮擋後,暗區能量有顯著的下降。 62
圖 6 15 ECE CLASS B法規之實驗量測(a)反射杯下緣及中間橫向間隙之遮擋處理與(b)反射杯下緣及中間橫向間隙加寬之優化處理,由Zone 1與G值的比較可知,增加中間橫向間隙之遮擋,可使暗區能量有顯著的下降,且提升G值銳利度。 63
圖 6 16 空間頻率vs.光的傳播方向(a)準直光直線行進(b)光行進水平間隙產生垂直方向偏折(c)光行進較密之水平間隙,產生更大角度之垂直方向偏折(d)光行進之垂直間隙,產生水平方向偏折。 65


表目錄
表2-1 輻射學與光度學計量對照表。 17
表3-1 E-mark 車輛車前燈檢測等級分類。 26
表3-2 Class B 檢測面上各點規範之光強度。 27
表 4-1 反射式車前燈之路照表現。 39
表6-1 各項雜散光優化處理方式之優
缺點歸納比較表。 64
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指導教授 孫慶成(Ching-Cherng Sun) 審核日期 2019-8-26
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