车辆头灯照明设计之发展与研究课件

車輛頭燈照明設計之車輛頭燈照明設計之發展與研究發展與研究報告學生：張文昇報告學生：張文昇指導老師：康智傑指導老師：康智傑車輛頭燈照明設計之發展與研究報告學生：張文昇1報告目錄報告目錄n n一、前言n n二、光及照明名詞解釋n n三、光與眩光相關之研究n n四、反射面設計n n五、發光燈絲差異性討論n n六、波長、色溫與亮度的關係n n七、汽車頭燈法規（ECE）之說明n n八、軟體模擬n n九、結論報告目錄一、前言2一、前言一、前言n n安全、小型化、外型流線的車用燈具，乃是車燈研究發展的目標和未來設計的趨勢。n n廠商基於以上的要求，進而發展出各種不同型式的頭燈，目的是為了提高照明安全與效率。n n儘管此類的需求在改變，而現在之路況照明評定，亦朝更安全之目標訂定。一、前言安全、小型化、外型流線的車用燈具，乃是車燈研究發展的3n n藉由車燈的輔助提供駕駛者清楚的道路情況，並且降低照明光線對別車輛與行人產生昡光的危險和不舒適。n n燈具除了照明功能外，採用流線造型或大傾斜角度的頭燈，也有降低風阻係數，進而改善油耗情況，提高行車效率的作用。藉由車燈的輔助提供駕駛者清楚的道路情況，並且降低照明光線對別4n n車燈光學系統從傳統的拋物面反射鏡型式（具備複雜花紋燈罩式）漸漸的演變成多重反射鏡型式、多橢圓反射鏡型式、自由曲面反射鏡型式到未來可望成為主流的LED照明系統。來符合更高之路況照明標準以及達到流線外型之需求。車燈光學系統從傳統的拋物面反射鏡型式（具備複雜花紋燈罩式）漸5n n應用特殊形狀的反射器設計理念，或搭配複雜花紋使用的拋物面反射器，在設計與製造上，總存在著些許誤差，尤其在公差分析上，更難以作正確的判斷應用特殊形狀的反射器設計理念，或搭配複雜花紋使用的拋物面反射6二、光學基本概念二、光學基本概念n n光及照明名詞解釋n n一、光通量（一、光通量（F F：Luminous FluxLuminous Flux）定義：光源在單位時間內所發出的光之能量，亦定義：光源在單位時間內所發出的光之能量，亦稱為光束。稱為光束。單位：流明（單位：流明（lmlm：LumenLumen）一流明一燭光的光源在一立體弧度角內所發出一流明一燭光的光源在一立體弧度角內所發出的光通量。的光通量。關係式：關係式：F F4I4I*(STATS,STATS POSITION,STATS DIRECTION)*(STATS,STATS POSITION,STATS DIRECTION)二、光學基本概念光及照明名詞解釋7n n光及照明名詞解釋n n二、光度（二、光度（Luminous IntensityLuminous Intensity）定義：光源的發光密度。在某一方向單位立體角定義：光源的發光密度。在某一方向單位立體角內，所發射出來的光束或光通量。內，所發射出來的光束或光通量。單位：燭光（單位：燭光（cdcd：CandelaCandela）。）。一燭光每小時燃去一燭光每小時燃去7.776 7.776 克標準燭所發出的光。克標準燭所發出的光。*(SPOTS DIRECTION,RADIANT)*(SPOTS DIRECTION,RADIANT)光及照明名詞解釋8n n光及照明名詞解釋n n三、照度（三、照度（E E：IlluminationIllumination）定義：被照體單位面積上所受的光通量。定義：被照體單位面積上所受的光通量。單位：勒克斯（單位：勒克斯（LuxLux）流明）流明/平方公尺平方公尺 關係式：照度光度關係式：照度光度/距離距離*(SPOTS POSITION)*(SPOTS POSITION)光及照明名詞解釋9n n光及照明名詞解釋n n四、亮度（四、亮度（MM：Luminous Emittance Luminous Emittance 或或 BrightnessBrightness）定義：光源每單位面積上所發出之光通量。亮度定義：光源每單位面積上所發出之光通量。亮度亦可稱為光束發散度。亦即：被照體單位受照面亦可稱為光束發散度。亦即：被照體單位受照面積所反射之光通量。積所反射之光通量。單位：朗伯（單位：朗伯（lambertlambert）1 1 朗伯朗伯1 1 流明流明/1/1 平方厘平方厘米。米。光及照明名詞解釋10n n光及照明名詞解釋n n五、輝度（五、輝度（L L：luminanceluminance）定義：光源體在某一方向上，每單位投影面積，定義：光源體在某一方向上，每單位投影面積，所發出的光度。所發出的光度。代表一光源或發光面，對人眼所造成的視覺效果。代表一光源或發光面，對人眼所造成的視覺效果。光及照明名詞解釋11三、光與眩光相關之研究三、光與眩光相關之研究n n佈光的特性佈光的特性 依光源佈光特性可以分漫射性或指向性光源，依光源佈光特性可以分漫射性或指向性光源，如普通鎢絲燈泡及螢光燈皆為漫射性；而某些投如普通鎢絲燈泡及螢光燈皆為漫射性；而某些投射用光源本身光束較為集中，而朝特定方向投光，射用光源本身光束較為集中，而朝特定方向投光，則為指向性光源，其光束特性可以光束度來說明，則為指向性光源，其光束特性可以光束度來說明，或直接標示光束角度，光源光軸方向的最大發光或直接標示光束角度，光源光軸方向的最大發光強度，稱為中心光度。強度，稱為中心光度。三、光與眩光相關之研究佈光的特性13n n光束幅度：光束幅度：一般在光源正下方即一般在光源正下方即00時可得最大光度，而朝側時可得最大光度，而朝側邊遞減，光束幅度即用來邊遞減，光束幅度即用來說明光源的光束特性為集說明光源的光束特性為集光或是散光。光或是散光。光束幅度：14n n視野：視野：眼睛所能看到的區域稱眼睛所能看到的區域稱為視野。整個視野範為視野。整個視野範圍涵蓋左右共圍涵蓋左右共180(180(雙眼重雙眼重疊的區域為疊的區域為120)120)，中央視，中央視線往上線往上6060、往下、往下7070。最。最有效的視力範圍在中央有效的視力範圍在中央3030。視野：15n n眩光Glare Glare：視野內如有極端高輝度，或過強的輝度比存在，視野內如有極端高輝度，或過強的輝度比存在，會產生不快感眩光影響視覺功效，並刺激眼睛造會產生不快感眩光影響視覺功效，並刺激眼睛造成不適，使眼睛疲勞及產生視力損害。成不適，使眼睛疲勞及產生視力損害。眩光Glare：16n n眩光的種類眩光的種類 直接眩光直接眩光直接眩光直接眩光：眼睛直視光源時感到的刺眼眩光，如眼睛直視光源時感到的刺眼眩光，如 直視太陽或夜間對方來車車燈直視太陽或夜間對方來車車燈等等等等 反射眩光反射眩光反射眩光反射眩光：光源投射物件後物件後反射至眼睛的光源投射物件後物件後反射至眼睛的 次驗光線，一般常稱為反光，次驗光線，一般常稱為反光，此種眩此種眩 光對舒適影響最大。光對舒適影響最大。對比眩光對比眩光對比眩光對比眩光：室內主燈與桌燈明暗比過大時，即會室內主燈與桌燈明暗比過大時，即會 有對比眩光，故不可只開檯燈。有對比眩光，故不可只開檯燈。眩光的種類 17n n直接眩光肇因於光源或燈具發出過度的光線直射直接眩光肇因於光源或燈具發出過度的光線直射人眼，自垂直面人眼，自垂直面45-85 45-85 為人眼睛直視眩光區。為人眼睛直視眩光區。直接眩光肇因於光源或燈具發出過度的光線直射人眼，自垂直面4518n n探討不同的眩光偏角下，眩光對視覺效率的影響，研究指探討不同的眩光偏角下，眩光對視覺效率的影響，研究指出，當眩光偏角越小時，其視覺清晰度的影響越大。出，當眩光偏角越小時，其視覺清晰度的影響越大。探討不同的眩光偏角下，眩光對視覺效率的影響，研究指出，當眩光19n n改善眩光的方式:1.1.減少光源本身的輝度減少光源本身的輝度:不要那麼亮不要那麼亮 ，暗一點。暗一點。2.2.增加周圍環境的輝度增加周圍環境的輝度:將周圍環境的亮度值設到將周圍環境的亮度值設到 與發光體發出的亮度相近。與發光體發出的亮度相近。3.3.增加視角增加視角:將亮度的發光角度加大，不要過於集將亮度的發光角度加大，不要過於集 中在同一區域。中在同一區域。4.4.調整光源的角度或位置調整光源的角度或位置 改善眩光的方式:1.減少光源本身的輝度:不要那麼亮 20四、反射面設計四、反射面設計n n反射面設計的目的就是樣讓從光源發出的光線產生匯聚或散射的動作來改變光線分佈的情形，使光的能量分佈設計至所需的要求值，這也是車燈設計中最主要的一環，相同的光源下利用不同的反射面設計來符合車燈造型及能量的要求。四、反射面設計反射面設計的目的就是樣讓從光源發出的光線產生匯21常見車燈反射器種類常見車燈反射器種類n n拋物面式頭燈 傳統拋物面式頭燈，是將燈絲放置於拋物面焦點附近，以產生接近平行之光束，此一光束在經過反射器前方，由許多小塊透鏡組合成的燈罩擴散（divergence）或偏折（refraction）後，調整成頭燈所需要的強度分佈。常見車燈反射器種類拋物面式頭燈22n n傳統拋物面式頭燈光學系統傳統拋物面式頭燈光學系統23n n傳統式頭燈的優點是對於光形的分佈可以做較簡易的調整，且其可應用雙燈絲燈泡，使得遠近燈皆可存在於一組燈具內。n n其缺點則如下：1.1.在降低頭燈高度上有一限制在降低頭燈高度上有一限制 2.2.在增加燈罩的傾斜度有一限制在增加燈罩的傾斜度有一限制傳統式頭燈的優點是對於光形的分佈可以做較簡易的調整，且其可應24n n投射式頭燈 投射燈式汽車頭燈，設計是以多橢圓面系統方投射燈式汽車頭燈，設計是以多橢圓面系統方式進行，原理是標準橢圓反射面能將第一焦點上式進行，原理是標準橢圓反射面能將第一焦點上的光源經過反射面後聚集在第二焦點上，只要將的光源經過反射面後聚集在第二焦點上，只要將特定形狀之遮片置於第二焦點上，再將投射透鏡特定形狀之遮片置於第二焦點上，再將投射透鏡的焦點對準橢圓第二焦點即可將遮片形狀構成之的焦點對準橢圓第二焦點即可將遮片形狀構成之光型投射出去。光型投射出去。投射式頭燈25n n（左圖）投射式車燈光學系統圖（左圖）投射式車燈光學系統圖 n n（右圖）具備多橢圓反射器之頭燈系統（右圖）具備多橢圓反射器之頭燈系統（左圖）投射式車燈光學系統圖 26n n投射式頭燈的優點是可以是較低的頭燈高度（高度由透鏡的大小決定），並產生比傳統式頭燈清楚的明暗截止線。而且燈罩並非用來擴散或偏折光線用，因此可以使用較大傾斜角之燈罩。投射式頭燈的優點是可以是較低的頭燈高度（高度由透鏡的大小決定27n n投射式頭燈也有其缺點如下：1.1.無法同時產生遠光與近光光形，因此頭燈必無法同時產生遠光與近光光形，因此頭燈必 須具備多組投射式燈具。須具備多組投射式燈具。2.2.由透鏡產生的色差，會使得在近光的明暗截由透鏡產生的色差，會使得在近光的明暗截 止線附近，有色散的情形。止線附近，有色散的情形。3.3.頭燈需要有較深的空間安裝，因此長度較一頭燈需要有較深的空間安裝，因此長度較一 般傳統式頭燈大。般傳統式頭燈大。投射式頭燈也有其缺點如下：28n n多重反射器式頭燈 多重反射器式頭燈，其系統架構有如傳統式頭燈一般，但其燈罩可以無須任何花紋的。至與反射器則並非是平順曲面的拋物面，只是將做好之拋物面反射體做分割，切成許多個反射面，而每個柱狀反射鏡可分別用來做不同區域光型之配光。多重反射器式頭燈29n n多重反射鏡設計方式是利用燈絲影像堆疊的方式產生，堆疊的地方越多亮度越高，設計分析時需針對每一小塊的反射鏡著手，控制其角度及拋物圓柱面的半徑值讓光線反射至的設計位置，再利用堆疊的方式增加其亮度值多重反射鏡設計方式是利用燈絲影像堆疊的方式產生，堆疊的地方越30车辆头灯照明设计之发展与研究课件31n n（左圖）相鄰反射器區塊間之落差（左圖）相鄰反射器區塊間之落差n n（右圖）（右圖）MRMR頭燈反射器之區隔情形頭燈反射器之區隔情形（左圖）相鄰反射器區塊間之落差32n nMR式頭燈，無需靠燈罩來達到擴散或折射光線的目的，所以可以讓燈罩有較大的傾斜角度，但仍無法使得頭燈高度降低。n n由於每個反射器區塊的交接處，會由於每個區塊反射器的擴散與偏折光線的角度不同，此落差極有可能在加工後造成漫射光，進而增加頭燈的眩光強度。MR式頭燈，無需靠燈罩來達到擴散或折射光線的目的，所以可以讓33五、發光燈絲差異性討論五、發光燈絲差異性討論H1 Headlamp Model五、發光燈絲差異性討論H1 Headlamp Model34H3W55 Lamp ModelH3W55 Lamp Model35縱向燈絲與橫向燈絲發光效益縱向燈絲與橫向燈絲發光效益36六、波長、色溫與亮度的關係六、波長、色溫與亮度的關係n n一般來說，光波在介質中的穿透率，和光波的波長是成正相關的；也就是說.波長越長的光線，越不容易在空氣中散射；相對的，穿透率也越好。n n而就光線的波長而言，紅光 黃光 綠光 藍光 紫光。六、波長、色溫與亮度的關係一般來說，光波在介質中的穿透率，和37n n在濃霧中，穿透率最好的是紅光，因此紅綠燈要用紅燈來表示停止，煞車燈也要用紅燈因為在濃霧中，穿透率好，容易被人家看到；但是因為紅光要作為“照明”時對人的“視效”不佳，所以照明時選用第二名的黃光作為主要的發光來源。在濃霧中，穿透率最好的是紅光，因此紅綠燈要用紅燈來表示停止，38n n色溫顧名思義就是各種色彩的溫度，是用來測量光源色彩的度量單位。n n度量依據為將理想黑體的純黑物體加熱到使它發出與光源相同色彩光線時的溫度。n n度量單位以 K(Kelvin)表示，度量色溫可用色溫錶來測量計算較為精確簡便 色溫顧名思義就是各種色彩的溫度，是用來測量光源色彩的度量單位39n nK數代表的是色溫，但是K數與亮度無關，決定亮度是流明(lux)。n nk數(色溫)跟亮度(流明值)是成反比的；也就是同樣55瓦的燈泡，6000k會比3000k暗很多，只是因為6000k視覺效果好。n n而車燈燈泡k數越高，光的波長越短，越容易被折射掉。（如：雨、霧、粉塵）K數代表的是色溫，但是K數與亮度無關，決定亮度是流明(lux40车辆头灯照明设计之发展与研究课件41色溫較高時，色彩偏藍、紫，稱為冷色調(Cold Tone)色溫較低時，色彩偏黃、紅，稱為暖色調(Warm Tone)色溫較高時，色彩偏藍、紫，稱為冷色調(Cold Ton42n n當色溫較低，顏色偏向紅色、黃色；而色溫越高，便越接近藍色、白色。當色溫較低，顏色偏向紅色、黃色；而色溫越高，便越接近藍色、白色。當色溫較低，顏色偏向紅色、黃色；而色溫越高，便越接近藍色、白43n n亮度（光線強度）透明高瓦數燈泡鍍膜高瓦數燈泡一般鍍膜燈泡透明高瓦數燈泡鍍膜高瓦數燈泡一般鍍膜燈泡n n色度（偏藍的程度）鍍膜燈泡透明高瓦數燈泡（接近原廠色溫）鍍膜燈泡透明高瓦數燈泡（接近原廠色溫）n n鍍膜顏色深度決定偏藍程度，越藍越暗。(高瓦數燈泡色溫比原廠的高一點高瓦數燈泡色溫比原廠的高一點)亮度（光線強度）44七、汽車頭燈法規（七、汽車頭燈法規（ECE）之說明）之說明歐洲經濟委員會(Economic Commisssion of Europe 簡稱ECE)頒佈的法規(Regulation)ECE R112（適用左駕右側行駛）七、汽車頭燈法規（ECE）之說明歐洲經濟委員會(Econom45八、軟體模擬八、軟體模擬n nASAP(Advanced System Analysis Program)ASAP(Advanced System Analysis Program)n nReflector CADReflector CAD八、軟體模擬ASAP(Advanced System An469003H4 Lamp Model9003H4 Lamp Model47Low beamLow beam48High beamHigh beam49Bro 3D ViewBro 3D View50ELTM-Low beamELTM-Low beam51ELTM-High beamELTM-High beam52九、結論九、結論n n今日以能藉由電腦輔助進行車燈照明設計，可以今日以能藉由電腦輔助進行車燈照明設計，可以減少修改次數與新型式頭燈產品的研發時間。故減少修改次數與新型式頭燈產品的研發時間。故應用電腦輔助設計各類型頭燈，已是目前潮流所應用電腦輔助設計各類型頭燈，已是目前潮流所趨。未來的車燈開發，趨。未來的車燈開發，3D3D模型建構將會變為更重模型建構將會變為更重要的工作，因為車燈的反射鏡不再只是傳統的拋要的工作，因為車燈的反射鏡不再只是傳統的拋物面反射鏡或是橢圓式投射燈，隨著光源的變化，物面反射鏡或是橢圓式投射燈，隨著光源的變化，從鹵素燈、高強度氣體放電燈從鹵素燈、高強度氣體放電燈HIDHID到到LEDLED燈的設燈的設計需求，亦是未來在模擬分析技術上應再尋求突計需求，亦是未來在模擬分析技術上應再尋求突破的重要工作之一。破的重要工作之一。九、結論今日以能藉由電腦輔助進行車燈照明設計，可以減少修改次53