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研究生： 蔡宇盛
Tsai, Yu-Sheng
論文名稱： 使用複合橢圓反射鏡之車燈設計
Design of automotive headlamps using compound elliptic reflectors
指導教授： 朱淑君
Chu, Shu-Chun
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 理學院 - 物理學系
Department of Physics
論文出版年： 2013
畢業學年度： 101
語文別： 中文
論文頁數： 129
中文關鍵詞： 複合式橢圓反射鏡 、車燈
外文關鍵詞： compound elliptic reflector, headlamps
相關次數： 點閱：81  下載：7 
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    • Florian R. Fournier提出了一個可利用複合橢圓反射鏡，針對擴展光源進行照明設計的方法。此複合橢圓反射鏡由許多子橢圓反射鏡所構成。本論文依據此方法建構複合橢圓反射鏡的計算程式。並利用此程式設計符合歐規汽車頭燈R112法規的LED車燈。本論文的設計流程如下：根據目標面的照度分布於目標面配置各子橢圓反射鏡的焦點及通量權重。利用程式迭代計算各子橢圓焦參數使各子橢圓透鏡通量符合需求，再於LightTools中建立複合橢圓反射鏡模型並進行光追跡以驗證其性能。最後，本論文提出了一個利用複合橢圓反射鏡搭配凹透鏡的架構，成功地設計出符合歐規車輛法規之汽車頭燈。

    Florian R. Fournier proposed a method to design illumination systems with extended sources using compound elliptic reflectors. The compound elliptic reflector is composed of several elliptic sub-reflectors. This thesis drafts simulation codes for building up the compound elliptic reflector. And, this thesis use the codes to design LED automotive headlamps using compound elliptic reflectors that satisfying Europe ECE R112 regulations for automotive headlamps. The design process is addressed as the followings. Firstly, we arrange focuses of elliptic sub-reflectors at the target illumination surface according the target illumination distribution. Secondly, we calculate the focal parameters of all elliptic sub-reflectors using the iteration simulation codes we drafted. The iteration codes can find suitable focal parameters which make sure that optical fluxes passing through all elliptic sub-reflectors is closed the values as we wanted. Finally, we build up the models of automotive headlamps using the software LightTools, and trace rays to verify if the illumination distributions of our automotive headlamp designs fulfill the ECE R112 regulations. At last, this thesis provides automotive headlamp designs that comprises a compound elliptic reflector and a concave lens. And illumination distributions of the designs satisfy ECE R112 regulations for automotive headlamps.

    目錄 摘要 I Abstract II 誌謝 III 目錄 IV 圖表目錄 VIII 第一章 1 前言 1 第二章 5 相關原理介紹 5 2.1輻度學與光度學 5 2.2幾何光學傳遞矩陣 7 2.2.1折射矩陣 8 2.2.2傳播矩陣 8 2.2.3單透鏡系統矩陣 9 2.3車燈設計方式簡介 11 2.4光源介紹 13 第三章 15 Fournier複合橢圓反射鏡設計方法 15 3.1複合橢圓反射鏡設計方法 15 3.1.1 單橢圓反射鏡 17 3.1.2 複合橢圓反射鏡[9][10] 19 3.1.3 複合式橢圓反射鏡的建法 22 3.2 複合橢圓反射鏡計算流程 26 3.3四點均勻照度模型 28 3.3.1 計算複合橢圓反射鏡 28 3.3.2 驗證複合橢圓反射鏡性能 29 3.3.3 模擬結果 30 第四章 33 複合橢圓反射鏡於車燈設計之應用 33 4.1 汽車近燈 / 遠燈法規介紹 33 4.1.1 近光燈法規 33 4.1.2 遠光燈法規 35 4.2 近光燈設計：複合橢圓反射鏡 36 4.2.1 目標面佈點設計 36 4.2.2 光源選擇 38 4.2.3反射鏡模型 39 4.2.4 模擬結果 41 4.2.5 小結 42 4.3近光燈設計：複合橢圓反射鏡搭配凹透鏡 43 4.3.1 目標面佈點設計 45 4.3.2 光源選擇 47 4.3.3 反射鏡模型 48 4.3.4 凹透鏡設置 50 4.3.5 模擬結果 51 4.4遠光燈設計：複合橢圓反射鏡搭配凹透鏡 54 4.4.1 目標面佈點設計 54 4.4.2 光源選擇 56 4.4.3 反射鏡模型 57 4.4.4 凹透鏡設置 59 4.4.5 模擬結果 59 4.4.6 小結 62 4.5小角度出光設計近光燈 63 4.5.1 目標面佈點設計 63 4.5.2 光源選擇 65 4.5.3 反射鏡模型 67 4.5.4 凹透鏡設置 68 4.5.5 模擬結果 69 4.6小角度出光設計遠光燈 72 4.6.1 目標面佈點設計 72 4.6.2 光源選擇 74 4.6.3 反射鏡模型 74 4.6.4 凹透鏡設置 76 4.6.5 模擬結果 76 4.6.6 小結 79 4.7第四章小結 80 第五章 81 使用複合透鏡產生小角度光場以設計前車燈 81 5.1使用複合透鏡產生小角度光場以設計近光燈 81 5.1.1 目標面佈點設計 81 5.1.2 光源選擇 85 5.1.3 反射鏡模型 87 5.1.4 凹透鏡設置 91 5.1.5 模擬結果 92 5.2近光燈誤差分析 98 5.2.1 光源位置xyz軸方向偏移 98 5.2.2 透鏡xyz軸方向偏移 100 5.2.3 光源相對反射鏡角度偏差 104 5.2.4 近光燈誤差分析結論 105 5.3使用複合透鏡產生小角度光場以設計遠光燈 106 5.3.1 目標面佈點設計 106 5.3.2 光源選擇 107 5.3.3 反射鏡模型 109 5.3.4 凹透鏡設置 111 5.3.5 模擬結果 111 5.4遠光燈誤差分析 115 5.4.1 光源位置xyz軸方向偏移 115 5.4.2 透鏡xyz軸方向偏移 117 5.4.3 光源相對反射鏡角度偏差 121 5.4.4 遠光燈誤差分析結論 122 5.5與先前技術之比較 123 5.5.1 車燈模型比較 123 5.5.2 照明結果比較 124 第六章 127 結論和未來展望 127 6.1結論 127 6.2未來展望 128 參考資料 129   圖表目錄 圖2.2.1幾何光學光追跡圖[6] 7 圖2.2.2幾何透鏡成像圖[6] 9 圖2.3.1 MR晶鑽車燈 11 圖2.3.2投影式車燈架構 12 圖2.4.1 Lambertian光源示意圖 13 圖2.4.2在二維笛卡爾座標，Lambertian光源強度分布 14 圖2.4.3在極座標，Lambertian光源強度分布 14 圖3.1.1橢圓反射鏡示意圖[4] 16 圖3.1.2橢圓極半徑示意圖(一) 17 圖3.1.3橢圓極半徑示意圖(二) 18 圖3.1.4橢圓交集示意圖 20 圖3.1.5橢圓性質示意圖 21 圖3.1.6 V(v1)與V(v2)在S上所佔比例[10] 21 圖3.1.7自體遮蔽示意圖 25 圖3.2.1程式流程圖 27 表3.3.1目標面4點座標 28 表3.3.2目標面4點焦參數 29 圖3.3.1反射鏡模型圖 29 圖3.3.2 LightTools建構之目標面(z=300mm)及部分光線路徑 30 表3.3.3四點目標面照度表 30 圖3.3.3目標面照度分佈圖(一) 31 圖3.3.4目標面照度分佈圖(二) 31 圖4.1.1 ECE R112 車輛近光燈光形[5] 34 表4.1.2近光燈 25M 屏幕量測點照度需求[5] 34 圖4.1.2 ECE R112 車輛遠光燈光形 35 表4.2.1於z=25000mm目標面61點座標 37 圖4.2.1於z=25m目標面目標點配置設計圖 38 圖4.2.2矩形光源圖 39 表4.2.2近光燈橢圓焦參數值 40 圖4.2.3(a) LightTools中建構之複合橢圓反射鏡模型(b)反射鏡內部圖 40 圖4.2.4於z=25000mm接收面之照度分布圖 41 圖4.2.5於z=25000mm接收面之灰階照度分布圖 41 圖4.3.1於目標面與光源間加入凹透鏡示意圖 45 表4.3.1於z=125mm目標面66點座標 46 圖4.3.2近光燈z=125mm佈點位置 47 圖4.3.3近光燈Lambertian面光源設置示意圖 48 表4.3.2近光燈搭配凹透鏡橢圓焦參數值 49 圖4.3.4 (a)近光燈反射鏡模型圖(b) 近光燈反射鏡內部圖 49 圖4.3.5近光燈凹透鏡放置圖 50 圖4.3.6近光燈未加上凹透鏡，於z=125mm接收面之照度分布圖 51 圖4.3.7近光燈未加上凹透鏡，於z=125mm接收面之灰階照度分布圖 52 圖4.3.8近光燈加上凹透鏡，於z=25000mm接收面之照度分布圖 52 圖4.3.9近光燈加上凹透鏡，於z=25000mm之灰階照度分布圖 53 表4.3.3 ECE R112近光燈加上凹透鏡法規對照表 53 表4.4.1於z = 250mm目標面43點座標 55 圖4.4.1於z = 250mm目標面目標點配置設計圖 56 圖4.4.2遠光燈Lambertian面光源設置 57 表4.4.2遠光燈搭配凹透鏡橢圓焦參數值 58 圖4.4.3 (a)遠光燈反射鏡模型圖(b)遠光燈反射鏡內部圖 58 圖4.4.4遠光燈凹透鏡放置圖 59 圖4.4.5遠光燈未加上凹透鏡，於z=250mm接受面之照度分布圖 60 圖4.4.6遠光燈未加上凹透鏡，於z=250mm接受面之灰階照度分布圖 61 圖4.4.7遠光燈加上凹透鏡，於z=25000mm接受面之照度分布圖 61 圖4.4.8遠光燈加上凹透鏡，於z=25000mm接受面之灰階照度分布圖 62 表4.5.1於z=125mm目標面66點座標 63 圖4.5.1於z = 125mm目標面目標點配置設計圖 64 表4.5.2型號LA-W55M LED出光角度與強度分布關係 65 圖4.5.2型號LA-W55M LED小角度光源極座標強度分布 66 圖4.5.3近光燈光源設置 66 表4.5.3小角度出光近光燈橢圓焦參數值 67 圖4.5.4 (a)近光燈反射鏡模型圖(b)近光燈反射鏡內部圖 68 圖4.5.5凹透鏡放置圖 69 圖4.5.6近光燈未加上凹透鏡，於z=125mm接受面之照度分布圖 70 圖4.5.7近光燈未加上凹透鏡，於z=125mm接受面之灰階照度分布圖 70 圖4.5.8近光燈加上凹透鏡，於z=25000mm接受面之照度分布圖 71 圖4.5.9近光燈加上凹透鏡，於z=25000mm接受面之灰階照度分布圖 71 表4.5.4 ECE R112 近光燈照度 72 表4.6.1於z=250mm目標面43點座標 73 圖4.6.1於z = 250mm目標面目標點配置設計圖 73 圖4.6.2遠光燈光源設置 74 表4.6.2遠光燈搭配osram LED橢圓焦參數值 75 圖4.6.3 (a)遠光燈反射鏡模型圖(b)遠光燈反射鏡內部圖 75 圖4.6.4凹透鏡放置圖 76 圖4.6.5遠光燈未加上凹透鏡，於z=250mm接受面之照度分布圖 77 圖4.6.6遠光燈未加上凹透鏡，於z=250mm接受面之灰階照度分布圖 78 圖4.6.7遠光燈加上凹透鏡，於z=25000mm接受面之照度分布圖 78 圖4.6.8遠光燈加上凹透鏡，於z=25000mm接受面之灰階照度分布圖 79 表5.1.1(a)於z=125mm修正前目標面53點座標 82 表5.1.1(b)於z=125mm修正後目標面53點座標 83 圖5.1.1(a)於z = 125mm修正前目標面目標點配置設計圖 84 圖5.1.1(b)於z = 125mm修正後目標面目標點配置設計圖 84 圖5.1.2近光燈複合透鏡強度分布圖 85 圖5.1.3近光燈複合透鏡光源設置(a)xy平面(b) xz平面(c) yz平面 86 表5.1.2(a)修正前複合透鏡近光燈橢圓焦參數值 88 表5.1.2(b)修正後複合透鏡近光燈橢圓焦參數值 89 圖5.1.4(a)修正前近光燈反射鏡模型圖(b)修正前近光燈反射鏡內部圖 90 圖5.1.4(c)修正後近光燈反射鏡模型圖(d)修正後近光燈反射鏡內部圖 90 圖5.1.5(a)修正前凹透鏡放置圖 91 圖5.1.5(b)修正後凹透鏡放置圖 92 圖5.1.6(a)修正前近光燈未加上凹透鏡，於z=125mm接受面之照度分布圖 93 圖5.1.6(b)修正前近光燈未加上凹透鏡，於z=125mm接受面之灰階照度分布圖 93 圖5.1.7(a)修正後近光燈未加上凹透鏡，於z=125mm接受面之照度分布圖 94 圖5.1.7(b)修正後近光燈未加上凹透鏡，於z=125mm接受面之灰階照度分布圖 94 圖5.1.8(a)修正前近光燈加上凹透鏡，於z=25000mm接受面之照度分布圖 95 圖5.1.8(b)修正前近光燈加上凹透鏡，於z=25000mm接受面灰階照度分布圖 95 圖5.1.9(a)修正後近光燈加上凹透鏡，於z=25000mm接受面之照度分布圖 96 圖5.1.9(b)修正後近光燈加上凹透鏡，於z=25000mm接受面灰階照度分布圖 96 表5.1.3 ECE R112 近光燈照度 97 圖5.2.1光源在x軸方向偏移(a)0.5mm(b)-0.5mm(c)0.2mm(d)-0.2mm之照度分佈 98 圖5.2.2光源在y軸方向偏移(a)0.5mm(b)-0.5mm(c)0.1mm(d)-0.1mm之照度分佈 99 圖5.2.3光源在z軸方向偏移(a)0.5mm(b)-0.5mm(c)0.05mm(d)-0.05mm之照度分佈 100 圖5.2.4透鏡在x軸方向偏移(a)1mm(b)-1mm(c)0.5mm(d)-0.5mm之照度分佈 101 圖5.2.5透鏡在y軸方向偏移(a)1mm(b)-1mm(c)0.5mm(d)-0.5mm之照度分佈 102 圖5.2.6透鏡在z軸方向偏移(a)1mm(b)-1mm(c)0.5mm(d)-0.5mm之照度分佈 102 圖5.2.7光源相對反射鏡角度偏差(a)正4度(b)負4度(c)正2度(d)負2度(e)正1度(f)負1度之照度分佈圖 105 表5.3.1於z=200mm目標面41點座標 106 圖5.3.1於z=200mm目標面目標點配置設計圖 107 圖5.3.2 遠光燈複合透鏡強度分布圖 108 圖5.3.3遠光燈複合透鏡光源設置(a)xy平面(b) xz平面(c) yz平面 109 表5.3.2複合透鏡遠光燈橢圓焦參數值 110 圖5.3.4 (a)遠光燈反射鏡模型圖(b)遠光燈反射鏡內部圖 110 圖5.3.5 凹透鏡放置圖 111 圖5.3.6遠光燈未加上凹透鏡，於z=200mm接受面之照度分布圖 112 圖5.3.7遠光燈未加上凹透鏡，於z=200mm接受面之灰階照度分布圖 113 圖5.3.8遠光燈加上凹透鏡，於z=25000mm接受面之照度分布圖 113 圖5.3.9遠光燈加上凹透鏡，於z=25000mm接受面之灰階照度分布圖 114 圖5.4.1光源在x軸方向偏移(a)1mm(b)-1mm(c)0.5mm(d)-0.5mm之照度分佈 115 圖5.4.2光源在y軸方向偏移(a)1mm(b)-1mm(c)0.5mm(d)-0.5mm之照度分佈 116 圖5.4.3光源在z軸方向偏移(a)0.5mm(b)-0.5mm(c)0.3mm(d)-0.3mm之照度分佈 117 圖5.4.4透鏡在x軸方向偏移(a)1mm(b)-1mm(c)0.5mm(d)-0.5mm之照度分佈 118 圖5.4.5透鏡在y軸方向偏移(a)1mm(b)-1mm(c)0.5mm(d)-0.5mm之照度分佈 119 圖5.4.6透鏡在z軸方向偏移(a)1mm(b)-1mm(c)0.5mm(d)-0.5mm之照度分佈 119 圖5.4.7光源相對反射鏡角度偏差(a)正4度(b)負4度(c)正2度(d)負2度(e)正1度(f)負1度之照度分佈圖 122 圖5.5.1文獻車燈模型圖[12] 123 圖5.5.2反射鏡模型圖 124 圖5.5.3文獻近光燈之照度分布圖[12] 125 圖5.5.4複合透鏡近光燈之照度分布圖 125 圖5.5.5文獻中ECE法規量測[12] 126 表5.5.1複合透鏡近光燈 ECE 法規量測 126

    參考資料
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    下載圖示 校內：2018-08-19公開
    校外：2018-08-19公開
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