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研究生： 柯佩雯
Pei Wen Ke
論文名稱： 創新發光二極體頭燈設計與分析
Innovative Design and Analysis of Headlamp Powered by Light Emitting Diodes
指導教授： 王培仁
Pei Jen Wang
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 動力機械工程學系
Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年： 2007
畢業學年度： 95
語文別： 中文
論文頁數： 84
中文關鍵詞： 頭燈 、光學模擬 、發光二極體
外文關鍵詞： Headlamp, Optical Simulation, Light Emitting Diode
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    • 近年來，除了功能性、實用性之外，美觀、造型亦成為產品設計之需求，車燈產業也顯示了此種現象。由於傳統拋物面反射鏡車燈之外觀設計受限，因此衍生出新型多重反射面鏡、多橢圓反射面鏡車燈等設計。其共通點在於光線偏折的功能由反射鏡執行，燈罩部分可以是透明的，不需加上凹槽，在進行外觀設計時就能有較大的發揮空間。由於功率型發光二極體生產製造技術進步、發光強度提升，且因為其具備體積小、重量輕、省電、壽命長、發熱度低、反應速度快及抗震性能好等優點，在各種產品的應用愈來愈多，如顯示器、手電筒、背光板……等，目前也已經有汽車車尾燈及方向燈等產品問世，故將發光二極體應用於頭燈並進行量產是為研究人員努力之目標。
    本研究將以商用電腦輔助光學軟體分析模擬，再進行實體樣本之驗證，首先確認使用之建模與模擬分析方法之可行。隨後依據現有頭燈之分析經驗，輔以發光二極體為光源進行設計，達成符合法規之機車用頭燈，完成完整設計及其電腦模擬配光分析之流程，期以創新之設計與分析方法提供未來相關系統之分析與研究之參考。

    In recent years, automotive industry has been crazing for appearance in product design in addition to functionality and practicability; and, the typical example is the lightings design. Because conventional lighting-design in cars is constrained by placement of focusing lenses, several new design approaches, namely multi-reflector and poly-ellipsoid design, have been adopted for automotive lightings. Due to the adoption of multi-reflector for ray focusing, the outer lens can be smooth and transparent without grooving so that design alternatives can be achieved at appearance design stage. The recent technology achievements in LED industry, such as high power, high illumination efficiency, and longevity in life cycle, has made many new applications as well as automotive applications in LED headlamps.
    In this thesis, we analyze a headlamp with an optical analysis program for confirming the simulation method together with experimental data. Based upon the design experiences of the headlamp, we further adopted LED as light sources for innovative designs of motorcycle headlamps according to the ECE regulations. Finally, a new design method is proposed and completely analyzed for headlamps powered by LED for future engineering references.

    目 錄 摘 要…. I Abstract.. II 誌謝…… III 目 錄….. IV 圖 目 錄 VII 表 目 錄 XII 第一章 簡介 1 1-1 研究背景 1 1-2 研究目的 2 1-3 文獻回顧 4 第二章 理論介紹 7 2-1 光度學單位名詞解釋 7 2-2 光學設計原理 8 2-3 白熾燈泡與氣體放電燈簡介 9 2-4 發光二極體簡介 10 2-5 多重反射鏡建構方式 11 2-6 多橢圓反射鏡建構方式 12 2-7 電腦配光模擬分析 12 2-8 車燈法規簡介 14 第三章 問題分析 24 3-1 照度量測實驗 24 3-1-1 實驗規劃 24 3-1-2 實驗設備 25 3-1-3 實驗結果 26 3-1-4 多重反射鏡型式車頭燈經驗 27 3-2 逆向工程-車燈模型建立 28 3-2-1 三次元量測儀 28 3-2-2 工程建模軟體 29 3-3 電腦配光模擬分析 30 3-3-1 光學設計分析軟體 31 3-3-2 模型匯入光學設計分析軟體之結果 31 3-3-3 光源建立及光線追跡 32 3-3-4 結果分析 32 3-3-5 效率計算 33 3-3-6 誤差討論 34 第四章 機車頭燈設計 54 4-1 設計目標 54 4-2 功率型發光二極體選擇 54 4-3 近光燈設計 55 4-3-1 發光二極體顆粒排列 56 4-3-2 反射面設計 56 4-3-3 電腦配光模擬分析 58 4-3-4 模擬照度量測 59 4-4 遠光燈設計 59 4-4-1 發光二極體及反射面配置 60 4-4-2 電腦配光模擬分析 60 4-4-3 模擬照度量測 61 4-5 效率計算 61 第五章 結論與未來工作 80 5-1 結果與討論 80 5-2 未來工作 82 參考文獻 83 圖 目 錄 圖 1 1 LED實品圖[11] 6 圖 1 2 新型LED實品圖[12] 6 圖 1 3 多重反射鏡之車燈示意圖[13] 6 圖 1 4 多橢圓反射鏡之車燈示意圖[13] 6 圖 2 1 照度與距離平方成反比示意圖 18 圖 2 2 輝度中所指的正射影面積示意圖 18 圖 2 3 反射定律示意圖 19 圖 2 4 折射定律示意圖 19 圖 2 5 Plane of Incidence [5] 20 圖 2 6 LED電壓-電流圖 [7] 20 圖 2 7 電腦配光模擬分析流程圖 21 圖 2 8 ECE R112右行交通近光燈配光光形及照度量測點位置[14] 22 圖 2 9 ECE R112右行交通近光燈照度量測點位置[14] 23 圖 3 1 實驗頭燈支架裝置 38 圖 3 2 車頭燈近光燈光形 38 圖 3 3 車頭燈遠光燈光形 39 圖 3 4 車燈反射面分區域示意圖 39 圖 3 5 車燈反射面區域FL01產生光形 40 圖 3 6 車燈反射面區域FL02產生光形 40 圖 3 7 車燈反射面區域FL03_L產生光形 40 圖 3 8 車燈反射面區域FL03_R產生光形 41 圖 3 9 車燈反射面區域FL04產生光形 41 圖 3 10 車燈反射面區域FL05產生光形 41 圖 3 11 H4燈泡在車燈反射面上產生的光線分佈 42 圖 3 12 車頭燈逆向工程流程圖 43 圖 3 13可攜式3D掃描系統[16] 44 圖 3 14 車頭燈反射面形狀之石膏模 44 圖 3 15 量測所得車燈反射面3D網格圖(右方為網格放大圖) 45 圖 3 16 量測所得車燈反射面點資料(右方為點資料位置放大圖) 45 圖 3 17 Rhino建立的車頭燈點資料嵌面 46 圖 3 18 Rhino建立的車頭燈點資料大區域嵌面 46 圖 3 19 Rhino建立的車頭燈遮片 47 圖 3 20 Rhino模型匯入ASAP之結果 47 圖 3 21 車頭燈模型裝置ASAP內建H4燈源 48 圖 3 22 H4燈泡近光燈燈絲發光角度示意圖 48 圖 3 23 H4燈泡近光燈燈絲與內部遮片上視圖 49 圖 3 24 H4近光燈光線經拋物面反射後所產生之光形 49 圖 3 25 近光燈光線於車頭燈反射面上分佈情況 50 圖 3 26 近光燈光線於車頭燈反射面上分佈對照 50 圖 3 27 車頭燈區域FL01產生之近光燈光形 51 圖 3 28車頭燈區域FL02產生之近光燈光形 51 圖 3 29車頭燈區域FL03_L產生之近光燈光形 52 圖 3 30車頭燈區域FL03_R產生之近光燈光形 52 圖 3 31 車頭燈模形產生之近光燈光形 53 圖 3 32 車頭燈模形產生之遠光燈光形 53 圖 4 1 LUMILEDS公司之LUXEON K2 LED[20] 64 圖 4 2 LUXEON K2尺寸三視圖(單位:㎜)[20] 64 圖 4 3 LUXEON K2白光LED發光光型圖[20] 65 圖 4 4 ASAP以切值法建立LUXEON K2 LED之光型 65 圖 4 5 LUXEON K2發光光型分佈 66 圖 4 6 近光燈LED排列。圖中紅色線條表示LED及其發光角度 和 的位置，藍色線條表示遮片位置。 66 圖 4 7 近光燈LED排列模型之光線追跡情況 67 圖 4 8 近光燈LED排列模型於前方觀測屏幕產生之光線分佈 67 圖 4 9 反射面兩側傾斜設計概念示意圖 68 圖 4 10 反射面三視圖及立體圖 68 圖 4 11 反射面與LED配置圖 69 圖 4 12 反射面漏光示意圖 69 圖 4 13 反射面及其前方增設斜平面反射面三視圖 70 圖 4 14 第一個反射面(用於水平截止線)產光光形圖 71 圖 4 15 第一個反射面之光源移動Z=-0.1㎜後產生光形圖 71 圖 4 16 第一個反射面之光源移動Z=-0.2㎜後產生光形圖 72 圖 4 17 第一個反射面之光源移動Z=-0.3㎜後產生光形圖 72 圖 4 18 近光燈兩反射面產光光形圖(其中第一反射面移動Z=-0.2㎜) 73 圖 4 19 第二個反射面之光源移動Z=-0.3後產生光形圖 73 圖 4 20 第二個反射面之光源移動Z=-0.4後產生光形圖 74 圖 4 21 第二個反射面之光源移動Z=-0.5後產生光形圖 74 圖 4 22 近光燈兩反射面移除LED遮片後產生光形圖(其中第一反射面移動Z=-0.2㎜，第二反射面移動Z=-0.4㎜) 75 圖 4 23 反射面及其前方增設斜平面反射面後產生光形 75 圖 4 24 遠光燈LED及反射面排列位置示意圖 76 圖 4 25 遠光燈LED及反射面立體圖 76 圖 4 26 遠光燈增加的三個反射面產光光形圖 77 圖 4 27 遠光燈三個反射面光源移動Z=0.5後產生光形圖 77 圖 4 28 遠光燈三個反射面光源移動Z=0.6後產生光形圖 78 圖 4 29 遠光燈三個反射面光源移動Z=0.7後產生光形圖 78 圖4 30遠光燈光形圖 79 表 目 錄 表 2 1 ECE R112近光燈照度規定值[14] 16 表 2 2 ECE R112遠光燈照度規定值[13] 17 表 3 1 近光燈照度量測值-1 35 表 3 2 近光燈照度量測值-2 36 表 3 3 遠光燈照度量測值 37 表 4 1近光燈模擬照度值-1 62 表 4 2 近光燈模擬照度值-2 63 表 4 3 遠光燈模擬照度值 63

    [1] 王溫良，「車燈電腦輔助模擬配光分析」，財團法人車輛研究測試中心，2004。

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    [3] 德國歐斯朗(OSRAM)，http://www.osram-os.com/，2006。

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    [16] 馬路科技顧問股份有限公司-3D工程事業部門，
    http://www.rat.com.tw/ch/index.htm，2006。

    [17] 工業技術研究院，http://www.itri.org.tw，2006。

    [18] 「Rhinoceros使用者手冊」，Robert McNeel & Associates，3.0版，1993~2004。

    [19] Breault Research Organization, “Advanced Automotive Lighting Illumination Modeling”， 「ASAP原廠進階教育訓練-車燈照明分析設計」課程講義，December 18~20，2006。

    [20] Philips Lumileds LED Lighting：LUXEON LEDs，http://www.lumileds.com/，2007。

    [21] Hiroyuki Ishida, Shizuoka (JP), “Vehicle Illumination Lamp,” U.S. Patent 7,207,705 B2, Koito Manufacturing Co., Ltd., Tokyo(JP), Apr. 24, 2007.

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