高功率LED 汽車霧燈之設計與分析 - 高雄應用科技大學

工 程 科 技 與 教 育 學 刊 第 七 卷 第 一 期民 國 九 十 九 年 三 月 第 21~36 頁高 功 率 LED 汽 車 霧 燈 之 設 計 與 分 析尹 裕 庭 、 黃 世 疇國 立 高 雄 應 用 科 技 大 學 機 械 工 程 系E-mail : shuang@cc.kuas.edu.tw摘 要本 研 究 探 討 投 射 式 頭 燈 結 構 與 設 計 方 式 , 文 中 選 用 Lumileds Lambertian 白 光 半 導 體 二 極 體(Light-Emitting Diode,LED), 並 利 用 變 焦 橢 圓 光 學 面 搭 配 非 球 面 透 鏡 與 隔 板 組 合 成 燈 具 。 因 LED 的 發光 角 度 與 鹵 素 燈 泡 不 同 , 爲 搭 配 LED 的 發 光 特 性 , 將 LED 放 置 的 位 置 角 度 旋 轉 90 度 , 利 用 變 焦 橢 圓 反射 透 鏡 聚 光 的 特 性 , 求 得 光 型 設 計 。 文 中 探 討 非 球 面 透 鏡 焦 距 與 光 型 成 像 的 關 係 , 遮 光 罩 與 水 平 X 軸 距離 大 小 對 光 型 亮 度 的 影 響 , 並 針 對 變 焦 橢 圓 曲 面 中 , 水 平 橢 圓 剖 面 曲 線 焦 距 與 垂 直 橢 圓 剖 曲 面 線 焦 距 的相 對 位 置 對 光 型 的 影 響 加 以 分 析 。 最 後 利 用 三 顆 3W-high power LED 以 並 排 陣 列 的 方 式 設 計 出 符 合 法 規的 汽 車 前 霧 燈 。關 鍵 詞 :LED、 變 焦 橢 圓 、 非 球 面 透 鏡1. 前 言汽 車 照 明 的 發 展 與 各 式 光 源 的 進 步 有 著 密 不 可 分 的 關 係 , 在 30~40 年 前 汽 車 的 照 明 僅 有 200~300 流明 的 光 通 亮 , 充 其 量 也 僅 能 提 供 駕 駛 者 於 夜 間 的 主 要 視 界 之 照 明 。1960 年 代 問 世 之 鹵 素 燈 泡 大 大 增 進 了汽 車 照 明 的 光 學 品 質 。1980 年 代 採 用 雙 反 射 鏡 頭 燈 以 獨 立 提 供 近 光 、 遠 光 光 束 , 以 及 反 射 鏡 的 進 步 增 加了 可 使 用 之 光 通 量 , 將 近 光 燈 光 通 量 推 展 至 500 流 明 以 上 [1]。1990 年 代 引 進 汽 車 照 明 的 氣 體 放 電 式 燈 泡(High Intensive Discharge, HID), 其 光 通 量 達 到 2500 流 明 以 上 , 更 為 汽 車 照 明 寫 下 新 的 里 程 碑 。繼 氣 體 放 電 式 燈 泡 (HID) 大 量 使 用 後 , 另 ㄧ 個 重 要 的 新 興 產 品 半 導 體 二 極 體 (Light-Emitting Diode,LED) 可 能 取 代 各 種 傳 統 光 源 , 而 成 為 下 一 個 新 寵 兒 。 因 為 它 具 備 低 耗 能 ( 僅 約 10%)、 壽 命 長 ( 約 為 傳 統 燈泡 的 10 倍 )、 反 應 速 度 快 ( 約 330 倍 )、 體 積 小 等 優 點 。 這 幾 年 有 色 LED 光 源 已 廣 泛 地 使 用 在 汽 車 信 號 上 ,如 第 三 煞 車 燈 、 煞 車 燈 、 行 車 燈 、 方 向 燈 等 ; 隨 著 LED 亮 度 水 準 的 提 升 , 價 格 合 理 化 , 近 年 來 , 已 在 汽車 尾 燈 佔 有 一 席 之 地 [2]。 伴 隨 著 高 達 30 流 明 / 瓦 的 白 光 LED 光 源 被 引 進 市 場 [3], 白 光 LED 光 源 在 需 要較 高 亮 度 的 近 光 燈 、 遠 光 燈 、 前 霧 燈 等 前 燈 上 逐 漸 引 起 設 計 單 位 的 研 究 [4-6], 而 各 種 LED 光 源 的 頭 燈 系統 也 開 始 廣 泛 的 出 現 在 各 車 展 的 概 念 車 上 , 進 而 推 廣 到 少 數 進 口 市 售 車 上 。2. LED 光 源 的 投 射 式 設 計2.1 LED 光 源 的 選 擇使 用 市 售 高 亮 度 LED 元 件 進 行 設 計 , 在 霧 燈 模 組 建 構 過 程 中 , 先 進 行 光 跡 分 析 , 設 計 符 合 汽 車 霧 燈光 型 法 規 要 求 的 LED 霧 燈 系 統 。 由 於 目 前 市 面 上 的 白 光 LED 其 亮 度 並 不 能 達 到 一 般 車 用 燈 泡 如 H3 等之 規 格 燈 泡 亮 度 。 因 此 本 文 使 用 Lumileds 公 司 所 生 產 的 3Watt Lambertian 白 光 LED, 做 為 採 用 的 LED光 源 , 當 驅 動 電 流 為 750mA 時 , 其 總 光 通 量 可 達 70~80 流 明 左 右 。 圖 1 為 此 LED 的 輸 入 能 量 及 輸 出 光通 量 的 發 光 效 率 。©2010 National Kaohsiung University of Applied Sciences, ISSN 1813-3851

22伊 裕 庭 、 黃 世 疇圖 1Lumileds Lambertian 白 光 LED 的 發 光 效 率 〔3〕文 中 選 用 的 LED 是 由 Lumileds 公 司 所 出 產 的 Luxeon 系 列 中 的 Emitter 產 品 ,Luxeon Emitter 有 以 下的 特 點 , 最 亮 可 以 達 80 流 明 , 並 有 超 長 的 使 用 週 期 , 大 約 十 萬 小 時 , 且 有 多 種 顏 色 如 白 色 、 藍 色 、 深藍 色 、 青 綠 色 、 紅 色 、 紅 橘 色 、 琥 珀 色 等 多 樣 化 的 選 擇 , 極 低 電 壓 操 作 , 冷 光 的 特 性 , 使 用 上 相 當 安 全 ,所 發 出 的 光 並 沒 有 對 人 體 有 害 的 紫 外 線 。 文 中 所 使 用 LED 為 Lumileds 公 司 所 生 產 之 高 功 率 白 光 LED,屬 於 藍 光 LED 加 上 黃 色 螢 光 粉 之 形 式 。 由 圖 2 光 型 輻 射 分 佈 圖 可 得 知 LED 發 光 時 在 每 各 角 度 所 擁 有 的能 量 分 佈 。圖 2Lumileds Lambertian 光 型 輻 射 分 佈 圖 〔3〕2.2 投 射 式 頭 燈 技 術投 射 式 頭 燈 系 統 (Poly-Ellipsoid Headlamp System, PES) 主 要 由 以 下 三 元 件 所 構 成 :1. 非 球 面 透 鏡 (Aspheric Lens),2. 遮 光 片 (Shield Screen),3. 複 合 橢 圓 反 射 曲 面 (Poly-EllipsoidReflector), 其 相 關 位 置 如 圖 3 所 示 。

高 功 率 LED 汽 車 霧 燈 之 設 計 與 分 析 23圖 3 投 射 式 頭 燈 的 主 要 構 件投 射 式 頭 燈 一 般 稱 為 多 橢 圓 反 射 鏡 式 頭 燈 , 其 設 計 方 式 是 利 用 橢 圓 方 程 式 的 特 性 將 燈 絲 置 於 反 射 鏡的 第 一 焦 點 附 近 , 讓 光 線 經 過 橢 圓 反 射 集 中 至 第 二 焦 點 位 置 , 再 利 用 遮 片 及 非 球 面 透 鏡 使 光 線 成 像 , 產生 清 楚 的 明 暗 截 止 線 。相 較 於 傳 統 的 頭 燈 設 計 , 投 射 式 頭 燈 有 較 小 的 面 積 , 只 要 能 有 相 當 的 深 度 提 供 光 線 反 射 , 多 能 有 不錯 的 效 果 。 同 樣 的 , 投 射 式 頭 燈 的 燈 罩 並 非 用 來 擴 散 或 偏 析 光 線 用 , 因 此 可 以 使 用 較 大 傾 斜 角 度 之 燈 罩 。這 些 特 性 特 別 適 合 應 用 於 頭 燈 扁 平 狀 或 面 積 因 汽 車 外 型 限 制 而 必 須 縮 小 之 情 況 。2.3 變 焦 多 橢 圓 反 射 鏡 面 的 設 計一 個 標 準 的 橢 圓 反 射 鏡 因 為 其 垂 直 截 面 與 水 平 截 面 相 互 對 稱 , 其 產 生 的 光 型 為 一 個 旋 轉 對 稱 的 光型 , 如 此 的 光 型 並 無 法 滿 足 行 車 需 求 。 一 般 在 道 路 上 行 車 所 需 的 光 型 是 寬 廣 且 不 高 的 , 所 以 單 獨 使 用 一個 橢 圓 反 射 體 是 不 可 行 的 , 因 此 一 個 可 用 的 橢 圓 反 射 體 車 燈 必 須 是 用 兩 個 以 上 的 橢 圓 程 式 來 構 成 , 利 用垂 直 截 面 與 水 平 截 面 的 不 同 來 達 成 扁 平 的 光 型 需 求 。基 於 此 , 反 射 鏡 必 須 設 計 成 垂 直 剖 面 與 水 平 剖 面 不 同 形 狀 的 外 形 , 即 垂 直 剖 面 與 水 平 剖 面 的 焦 點 和橢 圓 中 心 點 的 距 離 是 不 同 的 。 如 此 使 得 反 射 面 由 多 個 不 同 焦 距 ( 焦 點 至 中 心 點 的 距 離 ) 的 橢 圓 形 成 , 而 形成 多 橢 圓 反 射 面 (Po1yellipsoid)。 因 此 必 須 分 析 垂 直 剖 面 與 水 平 剖 面 的 個 別 幾 何 參 數 、 兩 剖 面 間 的 轉 變 方武 、 及 相 關 參 數 對 於 配 光 之 影 響 。+ 水 平 剖 面 焦 點O 垂 直 剖 面 焦 點圖 4 水 平 剖 面 與 垂 直 剖 面 的 幾 何 參 數 〔9〕

24伊 裕 庭 、 黃 世 疇各 剖 面 的 幾 何 參 數 如 圖 4 所 示 , 兩 剖 面 有 一 相 同 的 頂 點 、 方 程 式 分 別 為 :水 平 剖 面 [9]:Xb22x+( Z − a )2x2xa= 1(1)垂 直 剖 面 :Yb22y+( Z − a )a2yy2= 1(2)式 中 a、b 分 別 為 長 軸 與 短 軸 的 半 長 , 而 水 平 橢 圓 的 第 一 個 焦 點 應 位 於 燈 絲 端 點 以 獲 得 擴 散 的 光 型 分佈 ( 寬 廣 的 配 光 )、 而 垂 直 橢 圓 的 第 一 個 焦 點 應 定 於 燈 絲 中 點 以 獲 得 最 小 角 度 的 光 型 分 佈 以 得 到 聚 光 的 效2 2果 ( 不 高 的 配 光 ), 兩 焦 點 相 距 兩 焦 點 相 距 d = 2c y− 2c, 其 中 焦 距 c = a − b , 由 於 d ≠ 0 所 以ax≠ a y、 b , 可 見 兩 剖 面 為 不 同 形 狀 的 橢 圓 , 而 橢 圓 的 第 二 個 焦 點 亦 應 為 投 射 透 鏡 的 焦 點 位 置 ,x≠ by所 以 應 設 定 兩 橢 圓 的 第 二 個 焦 點 位 置 相 同 , 即 :xax+ cx= ay+ cy= 常 數(3)接 下 來 考 慮 水 平 剖 面 如 何 漸 變 成 垂 直 剖 面 ? 在 此 使 用 之 軸 長 漸 變 方 程 式 為 :2a ( θ)= a xcos θ + aysin2θ(4)xx[ a( ) − ( a c )]b θ ) = ( a + c 2 θ +( (5)xx式 中θ : 光 軸 截 面 上 之 角 度a (θ) : 半 長 軸 軸 長b(θ ) : 半 短 軸 軸 長橢 圓 的 軸 長 與 焦 距 皆 非 固 定 之 常 數 而 是 隨 光 軸 截 面 上 之 角 度 θ 變 化 , 例 如 θ = 0°長 軸 為 a x, θ = 90°時 表 示 垂 直 位 置 , 半 長 軸 為 ax, 不 同 之 θ 角 度 對 應 之 軸 長 a (θ )的 特 性 是 隨 角 度 的 變 化 , 成 S 形 的 非 線 性 關 係 。 在 起 點 θ = 0°及 終 點 θ = 90°表 示 水 平 位 置 , 半如 圖 5 所 示 。 曲 線附 近 變 化 和 緩 、 中 間 則 變化 較 多 , 因 此 兩 端 點 附 近 之 曲 面 變 化 亦 趨 和 緩 , 當 與 鄰 塊 連 接 時 交 接 處 兩 邊 曲 率 變 化 便 不 致 過 劇 。 由 於此 曲 面 由 無 限 多 個 不 同 軸 長 的 橢 圓 所 形 成 , 故 屬 於 多 橢 圓 反 射 鏡 面 , 應 用 於 投 射 式 頭 燈 之 反 射 鏡 設 計時 , 取 θ = 0° ~ 360°, 整 個 反 射 鏡 面 將 為 無 任 何 段 差 之 完 整 平 滑 曲 面 , 如 圖 6 所 示 , 圖 中 顯 示 多 複 合橢 圓 反 射 鏡 利 用 好 幾 塊 不 同 焦 距 的 橢 圓 反 射 曲 面 組 合 而 成 , 塊 面 與 面 之 間 是 沒 有 斷 差 平 滑 且 相 連 住 的 ,設 計 方 式 是 由 靠 近 燈 泡 的 曲 面 往 外 設 計 。

高 功 率 LED 汽 車 霧 燈 之 設 計 與 分 析 25圖 5 不 同 之 θ 角 度 對 應 之 軸 長 〔9〕圖 6 多 複 合 變 焦 橢 圓 反 射 鏡2.4 非 球 面 透 鏡 的 設 計非 球 面 鏡 是 由 不 同 曲 率 構 成 , 要 考 慮 的 參 數 包 含 焦 距 、 透 鏡 大 小 、 聚 焦 誤 差 等 , 圖 7 為 光 跡 經 由 非球 面 透 鏡 折 射 聚 焦 情 形 。 非 球 面 透 鏡 即 是 鏡 片 的 曲 面 和 通 過 軸 心 的 橫 斷 面 交 集 為 簡 單 的 雙 曲 線 、 拋 物 線或 橢 圓 的 多 項 式 曲 線 , 或 者 為 更 複 雜 的 曲 線 , 一 般 通 用 的 非 球 面 方 程 式 為 :Z=R +R± X22− (1 + k)X2+ A4X4+ A6X6+ A8X8+… (6)式 中X: 距 非 球 面 軸 的 水 平 距 離Z: 對 應 X 之 垂 直 距 離R: 非 球 面 頂 點 曲 率 半 徑K: 圓 錐 常 數±:+ 表 凸 面 、- 表 凹 面A4、A6、A8…: 非 球 面 修 正 係 數當 A4、A6、A8… = 0 時 , 即 變 為 二 次 圓 錐 曲 線 方 程 式 , 上 式 可 得Z =R +R± X22- (1+k)X2(7)所 以 當 K < -1 時 為 雙 曲 面 (Hyperboloid),K = -1 時 為 拋 物 面 (Paraboloid),0 > K > -1 時 為 橢 圓 面

26伊 裕 庭 、 黃 世 疇(Ellipsoid),K = 0 為 球 面 (Sphere),K > 0 為 橢 圓 面 (Oblate ellipsoid), 圖 8 為 非 球 面 方 程 式 各 K 值 曲 線聚 焦 情 形 。圖 7 非 球 面 透 鏡 光 跡 折 射 示 意 圖 (9)圖 8 非 球 面 方 程 式 各 K 值 曲 線 聚 焦 情 形 圖 〔7〕業 界 玻 璃 廠 對 投 射 式 車 燈 的 一 些 常 用 於 投 射 燈 的 非 球 面 透 鏡 已 有 規 格 品 , 只 要 跟 玻 璃 廠 拿 到 非 球 面透 鏡 的 相 關 參 數 , 如 焦 距 、 穿 透 率 、 折 射 率 、 外 觀 尺 寸 , 即 可 很 容 易 與 複 合 橢 圓 反 射 體 搭 配 使 用 , 如 此的 設 計 方 式 運 用 在 業 界 燈 廠 或 工 作 室 已 相 當 成 熟 。 圖 9 為 利 用 3D 軟 體 顯 示 出 LED 霧 燈 設 計 所 使 用 的 透鏡 聚 焦 情 形 , 與 圖 8 比 對 K 值 是 界 於 0~-1 之 間 。

高 功 率 LED 汽 車 霧 燈 之 設 計 與 分 析 27圖 9 LED 霧 燈 透 鏡 聚 焦 情 形2.5、 遮 光 罩 的 設 計SAE 霧 燈 法 規 要 求 的 光 型 左 半 邊 與 右 半 邊 為 水 平 分 佈 , 而 一 般 光 源 經 過 變 焦 橢 圓 反 射 鏡 面 聚 焦 至 投射 透 鏡 後 產 生 的 光 域 分 佈 為 橢 圓 形 , 需 藉 由 在 透 鏡 焦 點 附 近 放 ㄧ 特 定 形 狀 之 遮 光 罩 , 遮 擋 來 自 反 射 鏡 面部 份 光 線 , 以 便 投 射 出 法 規 需 求 的 光 型 。 圖 10、11 分 別 為 未 放 置 遮 光 罩 及 放 置 遮 光 罩 之 之 等 線 圖圖 10 未 放 置 遮 光 罩 之 等 線 圖圖 11 放 置 遮 光 罩 之 等 線 圖遮 光 罩 有 的 設 計 成 曲 面 、 有 的 設 計 成 平 面 , 在 此 採 用 如 圖 所 示 平 面 設 計 以 減 少 製 造 上 的 難 度 , 遮 光罩 的 形 狀 左 、 右 皆 為 水 平 , 圖 12 中 為 遮 光 罩 上 緣 距 離 水 平 線 之 高 度 。

28伊 裕 庭 、 黃 世 疇圖 12 平 面 設 計 之 遮 光 罩接 下 來 探 討 距 離 S 之 設 計 , 遮 光 罩 下 移 對 於 遮 擋 橢 圓 光 型 之 結 果 如 圖 14 所 示 , 下 移 太 多 , 會 破 壞原 有 的 水 平 明 暗 截 止 線 , 因 通 過 的 光 束 增 加 太 多 , 如 上 移 太 多 , 則 通 過 的 光 束 減 少 , 則 中 心 強 光 部 分 亮度 減 弱 , 如 圖 15 所 示 , 因 此 本 例 中 如 圖 13 所 示 ,S=0 時 所 得 到 的 梯 度 與 亮 度 值 是 最 適 宜 的 。圖 13 遮 光 罩 S=0 等 線 圖圖 14 遮 光 罩 下 移 S=-0.5 等 線 圖

高 功 率 LED 汽 車 霧 燈 之 設 計 與 分 析 29圖 15 遮 光 罩 上 移 S=1.0 等 線 圖3.1 LED 霧 燈 設 計 流 程3. LED 霧 燈 設 計 分 析圖 16 LED 霧 燈 設 計 流 程 圖在 建 構 光 學 面 之 前 , 先 將 設 計 固 定 參 數 值 訂 定 好 , 固 定 參 數 值 包 含 透 鏡 材 質 折 射 率 、 透 鏡 焦 距 、 反射 鏡 尺 寸 大 小 , 就 可 開 始 建 構 光 學 面 , 光 學 面 建 構 的 原 則 利 用 適 當 焦 點 得 到 水 平 橢 圓 剖 面 曲 線 與 垂 直 橢圓 剖 面 曲 線 , 再 將 兩 曲 線 掃 略 成 一 個 變 焦 橢 圓 反 射 面 , 因 需 要 強 光 與 擴 散 同 時 滿 足 , 需 將 其 反 射 面 切 成若 干 單 元 後 , 再 利 用 焦 點 的 不 同 微 調 單 元 反 射 面 後 , 使 用 光 學 模 擬 軟 體 ASAP 模 擬 出 是 否 符 合 要 求 , 如NG 不 過 的 話 , 再 重 回 之 前 的 步 驟 , 再 重 新 設 計 , 如 果 OK 的 話 , 就 可 繼 續 下 ㄧ 步 設 計 下 一 塊 單 一 光 學

30伊 裕 庭 、 黃 世 疇面 的 反 射 面 , 在 所 有 光 學 面 設 計 完 成 後 , 將 其 所 有 的 若 干 單 元 光 學 面 組 合 成 一 個 總 成 , 再 將 其 總 成 利 用光 學 模 擬 軟 體 ASAP 模 擬 出 是 否 符 合 要 求 , 如 果 OK 則 可 產 出 製 作 模 型 驗 證 , 如 果 NG 的 話 就 在 返 回 第3 步 驟 微 調 反 射 面 , 如 上 圖 16 所 示 。3.2 光 學 模 擬 軟 體ASAP (Advanced System Analysis Program) 是 目 前 常 用 的 光 學 模 擬 軟 體 , 可 以 解 決 光 學 設 計 和 分 析問 題 。 軟 體 可 模 型 化 每 一 個 從 簡 單 的 反 光 鏡 、 鏡 片 到 複 雜 的 成 像 和 聚 光 的 儀 器 系 統 , 可 利 用 燈 源 影 像 、點 光 源 、 平 行 光 源 和 扇 形 光 創 造 高 準 確 的 光 源 模 型 , 或 是 模 型 化 完 整 的 光 源 幾 何 模 型 和 其 結 合 的 光 學 特性 來 模 擬 白 熱 燈 炮 、LED、 冷 陰 極 螢 光 燈 , 和 高 強 度 的 放 電 弧 形 燈 炮 。 其 分 析 步 驟 如 圖 17 所 示 , 光 學 模擬 的 三 大 要 素 , 為 光 源 、 反 射 面 、 屏 幕 。 光 源 的 部 份 包 含 燈 泡 型 式 、 流 明 值 , 反 射 面 包 含 了 反 射 率 、 反射 面 角 度 、 反 射 面 R 值 , 模 擬 結 果 就 會 顯 示 在 屏 幕 上 。圖 17 ASAP 光 學 模 擬 的 要 素 〔8〕3.3 以 LED 為 光 源 的 變 焦 多 橢 圓 反 射 鏡 設 計本 文 以 LED 光 源 取 代 傳 統 光 源 , 但 設 計 上 選 擇 LED 光 源 以 使 光 線 能 被 多 橢 圓 反 射 面 所 反 射 , 所 以變 焦 多 橢 圓 反 射 面 的 曲 面 方 程 式 仍 可 延 。 但 因 傳 統 燈 泡 的 輻 射 分 佈 圖 覆 蓋 範 圍 為 4π , 而 LED 光 源 基 本上 其 輻 射 分 佈 圖 覆 蓋 範 圍 在 2π 以 內 , 所 以 基 本 上 θ 應 介 於 0 ° 與 180°之 間 。 以 本 文 所 假 設 的 光 源 , 因其 可 視 角 (View Angle) 不 大 , 所 以 選 擇 10° < θ < 170°既 可 。 圖 18 是 將 本 文 所 假 設 的 光 源 放 在 θ 介 於 10度 與 170 度 之 標 準 橢 圓 的 第 一 焦 點 上 , 經 光 跡 尋 覓 (Ray Tracing) 可 看 出 大 部 份 的 光 跡 (Ray) 仍 可 經 由 變 焦橢 圓 反 射 面 所 反 射 。圖 18 LED 光 源 置 於 橢 圓 反 射 面 的 第 ㄧ 焦 點 上 的 光 跡 尋 覓 (Ray Tracing)

高 功 率 LED 汽 車 霧 燈 之 設 計 與 分 析 31因 LED 光 源 較 一 般 鹵 素 燈 泡 較 小 , 所 組 成 的 燈 具 機 構 也 相 對 的 較 小 , 先 設 計 單 一 光 源 單 一 模 組 , 依法 規 所 規 定 的 光 型 為 第 一 優 先 , 其 亮 度 再 利 用 組 合 模 組 的 方 式 將 亮 度 值 提 升 , 本 研 究 是 用 3W-hi power 單晶 片 LED。選 用 直 徑 50mm 焦 距 20mm 的 透 鏡 , 預 計 各 別 設 計 單 ㄧ 變 焦 多 橢 圓 反 射 曲 面 , 每 ㄧ 片 光 學 面 利 用 不同 的 焦 點 設 計 得 到 寬 扁 不 一 的 光 型 , 再 將 每 塊 光 學 面 的 光 型 疊 成 符 合 法 規 的 光 型 。 如 圖 19 所 示 , 首 先LED 光 源 中 心 設 定 為 第 一 焦 點 , 透 鏡 焦 點 設 定 為 第 二 焦 點 ( 隔 板 上 ), 第 二 焦 點 L 距 離 第 一 焦 點 設 定 為15mm( 透 鏡 焦 點 上 ), 第 ㄧ 片 光 學 面 能 量 大 部 分 集 中 在 中 央 強 光 部 分 , 所 以 垂 直 跟 水 平 焦 點 設 為 同 ㄧ 點 。圖 19 變 焦 橢 圓 光 學 面 設 計圖 20 所 示 在 經 由 ASAP 模 擬 得 知 第 二 焦 點 設 在 L=20mm 的 光 型 已 超 過 垂 直 3 度 , 能 量 分 散 亮 度 值減 少 , 所 以 最 佳 的 焦 點 位 置 為 L=15mm 的 位 置 上 , 光 型 較 集 中 可 得 到 較 佳 的 亮 度 值 , 如 圖 21 所 示 。圖 20 ASAP 等 線 圖 模 擬 (L=20mm)圖 21 ASAP 等 線 圖 模 擬 (L=15mm)

32伊 裕 庭 、 黃 世 疇如 圖 22 所 示 , 將 水 平 焦 點 往 前 移 , 與 垂 直 焦 點 的 距 離 加 大 時 , 則 光 型 水 平 擴 散 角 度 跟 著 增 大 , 依實 際 模 擬 出 來 的 數 據 與 光 型 ( 見 圖 23、 圖 24), 選 擇 最 有 利 的 焦 距 。ㄧ 般 設 計 時 會 考 量 的 兩 大 要 素 , 第 一是 亮 度 , 第 二 是 光 型 , 由 圖 23 與 圖 24 所 示 可 以 了 解 到亮 度 與 光 型 的 差 異 性 , 要 選 用 哪 一 個 焦 距 去 組 成 也 沒 有 絕 對 的 好 跟 不 好 , 而 是 取 決 於 設 計 者 的 決 定 。圖 22 垂 直 與 水 平 橢 圓 繪 製圖 23 ASAP 等 線 圖 模 擬 (d=9.5mm)圖 24 ASAP 等 線 圖 模 擬 (d=14.5mm)將 所 要 設 計 的 變 焦 橢 圓 反 射 曲 面 依 照 光 型 分 佈 區 域 分 為 七 塊 光 學 面 , 下 面 將 探 討 每 塊 光 學 面 焦 距 設定 位 置 與 光 型 的 變 化 , 如 圖 25 所 示 , 示 意 水 平 與 垂 直 橢 圓 剖 面 焦 點 的 相 對 位 置 , 並 將 每 塊 光 學 面 給 予它 編 號 , 如 圖 26 所 示 , 以 下 述 說 將 以 所 屬 編 號 來 表 示 , 光 學 面 編 號 1~7 以 右 到 左 排 列 , 整 體 設 計 步 驟以 1~7 依 序 完 成 , 如 表 1 所 示 為 每 塊 光 學 面 所 設 定 的 水 平 橢 圓 剖 面 曲 線 焦 點 與 垂 直 橢 圓 剖 面 曲 線 焦 點 的差 距 d(mm), 及 光 型 擴 散 角 度 , 圖 27 所 示 為 設 計 完 成 的 ASAP 模 擬 等 線 圖 。

高 功 率 LED 汽 車 霧 燈 之 設 計 與 分 析 33圖 25焦 點 位 置 標 示 圖圖 26 LED 模 組 3D CAD表 1 距 離 d 與 擴 散 角 度 列 表H-H 光 型 擴 散 角 度d(mm)( 度 )1 0 5.52 8 73 20 144 20 165 20 186 22 237 22 25

34伊 裕 庭 、 黃 世 疇圖 27 LED 模 組 ASAP 等 線 圖 模 擬3.4 多 個 光 學 模 組 所 組 成 的 光 學 系 統雖 然 白 光 LED 的 總 光 通 量 近 年 來 有 長 足 的 進 步 , 但 是 單 顆 白 光 LED 要 達 到 傳 統 鹵 素 燈 泡 的 總 光 通量 還 有 一 段 距 離 。 所 幸 因 為 LED 光 源 尺 寸 小 , 可 配 合 設 計 成 小 尺 寸 的 投 射 式 頭 燈 模 組 , 再 累 積 多 個 模 組而 成 一 個 合 於 法 規 的 頭 燈 系 統 。 本 文 以 三 個 如 圖 28 的 模 組 來 探 討 光 型 的 分 佈 情 形 。 每 個 模 組 使 用 一 個白 光 LED 光 源 , 光 源 的 總 光 通 量 假 設 為 100 流 明 , 每 個 模 組 間 相 隔 55mm, 以 ASAP 作 模 擬 時 ,X=55mm及 X=-55mm 的 模 擬 可 得 到 如 圖 29 及 如 圖 30 的 光 型 分 佈 。 比 較 圖 29、 圖 30 及 圖 31 可 知 相 對 於 25m 的投 射 距 離 而 言 , 各 模 組 間 相 隔 55mm 的 影 響 是 很 有 限 的 , 而 當 三 個 模 組 同 時 投 射 到 25m 的 屏 幕 時 可 得 到如 圖 32 所 示 , 光 型 投 射 到 25m 的 屏 幕 時 光 型 是 重 合 的 , 然 而 此 光 型 可 符 合 法 規 的 要 求 。圖 28三 個 模 組 所 組 成 的 霧 燈 系 統圖 29 X=55 光 型 分 佈

高 功 率 LED 汽 車 霧 燈 之 設 計 與 分 析 35圖 30 X=-55 光 型 分 佈圖 31 X=0 光 型 分 佈圖 32 三 個 霧 燈 模 組 的 光 型 分 佈4. 結 論本 文 以 光 通 量 為 100 流 明 的 高 亮 度 LED 為 光 源 在 PES 的 光 學 設 計 上 作 探 討 , 實 際 上 的 完 整 設 計 需要 考 量 更 多 因 素 , 包 括 多 橢 圓 曲 面 的 反 射 率 、 燈 殼 的 穿 透 率 、 折 射 率 及 LED 光 源 的 發 光 效 率 等 因 素 。 其中 LED 的 發 光 效 率 與 環 境 溫 度 有 很 大 的 關 係 更 是 不 可 不 注 意 。 如 何 設 計 一 個 車 用 高 亮 度 LED 光 源 散 熱機 構 是 實 用 上 必 需 克 服 的 問 題 , 本 文 所 設 計 之 霧 燈 是 針 對 光 學 設 計 來 做 研 討 , 然 而 尺 寸 需 要 再 進 一 步 縮小 才 能 符 合 現 階 段 的 實 用 性 , 這 些 需 要 LED 的 單 顆 發 光 效 率 能 在 進 一 步 提 高 時 候 , 就 能 設 計 出 符 合 現 階段 的 實 用 性 霧 燈 。參 考 文 獻[1] 楊 晨 初 ,” 汽 車 頭 燈 系 統 之 發 展 ”, 車 輛 沿 測 資 訊 ,Page 23-29,1988。[2] Lukas Schwenkschuster, Eella KG Hueck & Co., Germany, “Automotive LED-Applications Using High-PowerLEDs”, PAL 2003, Page1013-1031, 20003.[3] http://www.lumilded.com.[4] Pierre Albou, Valeo Lighting Systems,France, ”LED Module for Headlamp”, SAE2003-01-0556, Page65-69, 2003.

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