1308530 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種車燈照明光學系統，且特別是有 關於一種以LED為光源，並包含遠光燈模組與近光燈模組 之高效率光學系統。 【先前技術】 目前汽車照明設計是以符合歐洲經濟委員會 (Economic Commission for Europe，ECE)法規配光標準 為主，其中遠光燈的配光要求為具有足夠大的發光強度與 足夠寬的照明範圍，而且還要求遠光光束（最大照度點） 儘量靠近中心（HV點），所以歐規標準對於配光屏幕上檢驗 點的照度值要求如表1及第1圖所示，僅有亮區照度五個 測試點要求，而且測試點皆位於水平線上、左右最遠僅至 5.14度（最少需6 Lux) ’因此屬於集中扁平光型。 測試點或測試區域 照度要求（Lux ) H-5.14R 6 min H-2.57R 24 min H-V Emax x 0.8 min H-2.57L 24 min H-5.14L 6 min Emax 48 〜240 ------1 表1歐規汽車遠光燈之配光標準 歐規對於近光燈的光型與主要亮度要求如表2及第2 圖所示，在於使駕駛人可以看清前方的路面與右方的狀況 如標識牌、行人等，但卻不至於對前太击k a ' 对刖方車輛或對向來車的 1308530 駕駛人造成不適的眩光，所以光型的上方暗區（B50L和 Zone III)要求不得過亮，而亮區則集中於右下方（50R和 75R)。 測試點 認證規格（Lux ) 1 Point B50L ^0.4 2 Point 75R ^ 12 3 Point 75L ^ 12 4 Point 50L ^ 15 5 Point 50R ^ 12 6 Point 50V 7 Point 25L ^ 2 8 Point 25R Any point in zone III ^ 0.7 Any point in zone IV Any point in zone I £2 x (E50R) 表2歐規右行車系近光燈配光標準 因此在設計汽車頭前燈之遠光燈與近光燈的時候，皆 應朝符合ECE法規之配光標準來設計。由於遠光燈規範中 僅亮區照度要求（並無明暗截止線），因此光學設計上的 彈性較大，目前一般（傳統光源）採用H4燈泡（内有含 遮片之近光燈燈絲與無遮片之遠光燈燈絲）之多重反射面 式（Multi-Reflector，MR )設計或是獨立遠光燈MR設計或 是投射式（Poly-Ellipsoid System,簡稱PES)設計中將近光 燈光型所需的遮光片以機構打平形成遠光燈光型，這些方 式皆需額外增加遮光片亦或是推動遮光片之機構，對於生 產上不只成本較高，同時也增加了設計的複雜性。 由於遠光燈配光測試點皆位於水平線上、左右最遠僅 至5.14度，因此屬於集中扁平光型，開始會令人先想以具 1308530 有聚光效果的拋物面來當成反射鏡面。當反射鏡設計採用 拋物面時（LED光源設定為140流明），其中6 Lux等照 度範圍僅至2度，而且最大值約為1425 Lux，亦遠遠超過 照度最大值不得超過240 Lux要求，可見拋物面反射鏡產 生的配光太集中致使過亮且分佈範圍不夠寬廣，顯然不符 合ECE遠光燈配光規範，因此即使LED光源提高流明數 亦無法產生符合法規的配光。當反射鏡設計採用雙曲面 (具有擴散光束的特性）時，產生轴對稱之配光，可產生 符合法規的配光，惟LED光源流明最低需求為600 Lm， 由於一位駕駛者需要的是一個寬廣但不高的配光，軸對稱 之光型在上下方向將形成過高之分佈（配光浪費），因此 造成LED光源流明數需求高。 而在近光燈之設計方面，為了使近光燈之光型與光度 符合配光標準，其反射鏡主要功能為將光源發出的光線聚 集到點，因此基本上是橢圓曲面（Ellipsoid )，但此方 式設計出來的反射鏡是—個旋轉對稱的外形（反射鏡開口 為圓形），將產生一個旋轉對稱的光型，如此是無法符合 行車需求的’―位駕驶者需要的是—個寬廣但並不高的配 光（非旋轉對稱的光形），基於這個理由，使得反射鏡必 須成叶成垂直截面與水平截面為不同參數，因此過去採用 的橢圓曲面設計方式必須加以修改，修改後所設計出來的 反射鏡之垂直截面與水平截面為參數不同之橢圓，每個擴 。光軸方向（Z軸上）有前後兩個焦點，惟個別的焦點 置不同因此來自光源的光束經此反射鏡後會聚光於不 7 1308530 同焦點選定不同的參數組合，將產生不同曲率的複合 橢圓曲面從而造成；j；同的光型與光度分配，所以如何找出 此複曲㈣當的參數組合、搭配投射透鏡焦點位置 的決疋、光源正確位置的決定，係設計上最困難的部分， 需累積相田的設&十經驗並花費相當多的嘗試與錯誤（Try and Error )過程，才能完成。 【發明内容】 因此本發明的目的就是在提供一種車輛前方照明光 干系統本發明中所提出之遠光燈模組，只需採用非軸對 稱非拋物面方程式設計之反射面，並與透明燈殼搭配，便 可達至j法規要求之配光標準，無須像習知的方法中以燈泡 内加遮片或外加機構帶動遮片的方式來產生遠光燈之光 型，所以在成本上可相形降低。 本發明的另一目的就是在提供一種高效率車輛前方 照明光學系、统’利用非軸對稱非拋物φ方程式及變轴多擴 圓方程式設計之遠光燈反射面與近光燈反射面，皆可有效 地反射發光一極體光源的光線，大幅提高了光源利用率， 使得LED光源之流明數需求很低，即能達到ECE法規之 配光要求。 本發明的又一目的是在提供一種車輛前方照明光學 系統之近光燈模組，該近光燈模組之反射面之設計方法特 別適用於減少光學設計的複雜性，無需經由耗時費力之嘗 試與錯誤（Try and Error)過程，只要決定反射鏡之設計參
1308530 數’便能得到所需的配光控制以及各光學元件（遮光片、 投射透鏡等）間之位置關係，因而提高設計成果的實用性。 本發明之車輛前方照明光學系統，包含有遠光燈模組 及近光燈模組。其中的遠光燈模組包含有第一 LED光源及 第一反射鏡。近光燈模組包含有第二LED光源、第二反射 鏡、遮光片及投射透鏡。該第一反射鏡具有一第一反射面 係由一非軸對稱非拋物面方程式設計，其中，非軸對稱非 拋物面方程式為： r2 4 Z=77+C^><_~r ” 64/3 其中 c(6) = cx cos2 θ + cY sin2 θ r :徑向 Z :光轴方向 f :抛物面的焦距 0 :角度 可隨角度0而改變的配光調整係數，決定反射 鏡面的光型範圍。 而該第二反射鏡具有一第二反射面係由一變軸多橢 圓的方程式設計，其中，變軸多橢圓反射鏡面的方程式以 圓挺座標（r，夂Z )表示為： 1308530 α {φ) = αχ cos4/n φ + Ωγ sin4/w φ r :徑向 z:光轴方向 多：光軸截面上之角度 * β⑻：橢圓長轴之半軸長 ' :橢圓短軸之半軸長 • 〜：办)位於水平時的值 〜：α⑹位於垂直時的值 η:可調整的係數，決定邊界效應延伸 至内部的多寡， 當η愈大時〜效應變大而〜效應變小，為了增加控制光線 分佈的彈性。反射鏡設計參數= 。 藉此，本發明所提出之光學系統之光源利用率很高， 第一反射鏡與第二反射鏡皆可有效地反射發光二極體光 源的光線，將使該兩反射鏡產生的配光光型與光度在各方 位皆能符合ECE法規的配光要求，可更有效提高配光效 率，降低發光二極體光源所需的流明數。而且本發明中所 提出的近光燈之反射鏡設計方法可以在很有效率的方式 下，決定反射鏡的參數組合、投射透鏡焦點的位置及光源 的正確位置，而得到所需的配光控制。 由上述本發明較佳實施例可知，應用本發明具有下列 功效： 1.本發明所提出之光學系統之光源利用率报高，因此 10
1308530 該車輛前方照明光學系統的第一反射面與第二反射面，皆 可有效地反射發光二極體光源的光線，使得LED光源之流 明數需求很低，即能達到ECE法規之配光標準。 2·本發明提出之近光燈模組設計方法可以減少光學 設計的複雜性，因而提高設計成果的實用性。 3.本發明所提出之遠光燈模組之設計方法可以降低 生產的成本，因此提高產品商業化後的競爭力。 【實施方式】 請參照第3圖，其繪示依照本發明一較佳實施例的一 種車輛則方照明光學系統100，包含有遠光燈模組i 1〇與
近光燈模組120。其中的遠光燈模組11〇係設有第一 LED 光源111及第一反射鏡112。近光燈模組12〇係設有第二 LED光源121、第二反射鏡122、遮光片123及投射透鏡 124。 為了達到符合ECE法規之遠光燈配光標準，其配光要 求為具有一足夠大的發光強度與足夠寬的照明範圍，因 此，第一反射鏡112需針對此一特性設計。該第一反射鏡 112具有—第一反射面係使用一非軸對稱非抛物面方程式 設計，該方程式如式（1)所示為： 其中 €(θ) = cx cos2 θ + cY sin2 θ 11 1308530 r :徑向 Z :光轴方向 f :拋物面的焦距 Θ :角度 c(0):可隨角度0而改變的配光調整係數，決定反射 鏡的光型範圍。 當0=0度，表示水平位置，咖)=cx ; θ = 90度時，表 示垂直位置，c(0) =〜；當設定cz = cr，第一反射鏡112將 是軸對稱’因此產生之配光亦將是軸對稱，屬於軸對稱的 光型設計。當，在水平方向與垂直方向光線分佈的 聚散效應不同，因而可設計出非軸對稱的光型。為了符合 配光標準需要的是一個寬廣但不高的配光，因此，係數需 取C/ * cy較適合。 進一步參照第4圖，其繪示依照本發明一較佳實施例 之遠光燈模組之立體組合示意圖，在本發明之較佳實施例 中，該第一反射鏡112之縱身為9.5cm、開口約12cm、 f=9mm、〜=-0‘06和Cy=〇，而且第一 LED光源ιη置於該 第一反射面之焦點上並朝光軸方向z=9mm，並設 〇 流明’產生之配光如第5圖戶斤示’上下分佈約為+2度、左 右分佈約為±6度，呈現扁平分佈將十分適合遠光燈的法規 規犯。表3為本實施例遠光燈模組之實測值，比較表【， 本實施例中最大值為52Lux符合法規要求，每個測試點或 測試區域皆可符合法規需求。 12 1308530
測試點或 測試區域 本實施例 實測值 Η - 5.14 R 7 Η - 2.57 R 50 Η - V 42 Η - 2.57 L 50 Η - 5.14 L 7 Emax 52 表3本實施例遠光燈模組之實測值 請參照第6圖，其繪示依照本發明一較佳實施例之近 光燈模組之立體組合示意圖。其中之近光燈模組12〇包括 第二LED光源121、第二反射鏡122、遮光片123及投射 透鏡124。 投射透鏡124以高聚焦非球面透鏡方程式設計，該方 程式如式（2)所示為： 其中R為頂點曲率半徑、κ為可調整之係數，其聚焦能力 較所有二次圓錐面為佳，惟當透鏡之口徑或厚度改變時， 調整係數Κ須重新尋找以獲得最佳之聚焦結果。透鏡材質 夕為玻璃壓克力或聚石厌酸酯PC(P〇lycarb〇nate)，其中投 射透鏡124-般為玻璃#質，所以取折射率》158，當投 射透鏡【24的口徑為66 mm，並取頂點曲率半徑r=33 mm，藉由折射定律並以數學計算推導 及電腦程式設計模擬 平行光束通過透鏡之光跡路徑，分析聚焦情形，經過一系 列測試得知當κ = 0.5 4 上最大的球差值僅0.5 時對於光束的會聚效果最佳，光軸 mm、焦距為46 mm、投射透鏡124 13 1308530 的厚度為18.7 mm ’此透鏡球面像差保持报小而且焦距長 度不長對於整體燈具縱深的降低十分有利。因此本發明一 較佳實施例中’該投射透鏡124之K值取0.54。 第二反射鏡122具有一第二反射面係使用一變軸多橢 圓的方程式設計’該方程式以圓柱座標（r，0，Z )表 示，如式（3)所示為： f \ r 2 (Z ^ +
其中 (4) a = ax cos4/n φ + ay sin4/w φ r :徑向 Z ·光轴方向 ^:光轴截面上之角度 :橢圓長軸之半轴長 :橢圓短轴之半軸長 〜：《⑷位於水平時的值 S : ^⑷位於垂直時的值 n.可調整的係數，決定邊界效應延伸至内部的多募， 导η愈大時〜效應變大而—效應變小，為了增加控制光線 分佈的彈性。 請進一步參照第7圖’其繪示依照本發明一較佳實施 例的—種變軸多橢圓曲面設計之幾何關係圖。第7圖說明 14 1308530 本發明所提出的第二反射面是設計成垂直橢圓與水平橢 圓不同形狀的外形，任一 *截面之每個橢圓皆有相同之頂 點210 (在座標原點處）與兩橢圓的第二焦點260 (兩橢 圓的焦點在同一位置所以以㊉表示）。垂直橢圓的第一焦 點220(垂直橢圓焦點符號為〇）與水平橢圓的第一焦點 2 3 0 (水平擴圓焦點符號為+ )兩焦點相距j _ 2C ，其中 焦距，由於〇〇所以\ ，可見兩剖面 為不同形狀的橢圓，並且垂直橢圓中心點240和水平橢圓 中心點250的距離也是不同的。如此也使得第二反射面是 由無限多個不同焦距（焦點至中心點的距離）的橢圓所形 成’而形成多橢圓反射面（p〇ly-ellipsoid )。由此便可以明 確且輕易決定投射透鏡124之第三焦點位置應置於此兩橢 圓之共同的第二個焦點260處，以通過較多由第二反射面 所反射第二LED光源121之光線。而第二LED光源121 應位於垂直橢圓的第一焦點220以獲得上下方向最聚光的 效果。而配光控制便交由反射鏡設計參數β = （由 第7圖中之幾何關係可推導得之）來決定。此半軸長a(幻 如式（4)的設計目的是隨角度$的變化並非線性關係，而是 如S形的非線性關係，在〜〜〜之間缓和變化；半軸長b 可由橢圓幾何關係式決定，其中c為焦距，因此 半轴長a、b皆隨角度$而異。 反射鏡設計參數d會影響光型分佈，當d == 〇表示 第二反射面恢復為一般標準橢圓面，產生左右約 4_5度、上下約3度的光型分佈，由於第二反射面在圓周 15 1308530 方向範圍較光轴方向大’因此產生的配光範圍左右大於上 下’並形成左右對稱及上下不全然對稱的光型，但此配光 範圍遠小於近光燈所需（± 9度以上）的分佈；當d关0表 不A，第二反射面的水平橢圓與垂直橢圓為不同轴 長’而且當d越來越大時’水平橢圓比垂直橢圓越來越大。 d越大時光型分佈越往左右兩側擴散，呈現兩側翹起、左 右對稱的弧形配光，由於垂直橢圓大小一值維持不變，因 此在HV點仍維持上下約3度的配光。在本發明一較佳實 細例中，為了產生駕駛者需要的一個寬廣但並不高的近光 燈配光光型且符合法規之要求，選擇d=2 mm (如第8圖 所示），此時光域左右擴大到9度，已符合近光燈光型的 基本要求（左右超過9度以上）之寬廣扁平的配光，但尚 需借助遮光片123的設計阻擋暗區部份的光束以產生清晰 之明暗截止線。 遮光片123採用平面設計，以減少製造上的難度並降 低實際製造上的門檻，而且能適合LED光源特性，遮光片 123的形狀呈朝下之扇形，左侧上緣呈丨5度向下傾斜右 側上緣為水平並與水平線相距D之高度，遮光片123的位 置Z=96 mm，D = 〇.6 mm時上緣略高於水平線〇 6 mm產 生的配光洽位於水平線下方。 在本發明一較佳實施例中’該近光燈模組丨2〇中之第 一反射鏡I22其縱身55mm、開口寬約85mm、高約40mm、 S=58mm、s=57mm，第二 LED 光源 121 的位置 z=18 mm、朝上，並設定為2〇〇流明，投射透鏡i24之位置z—42 16 1308530 mm、厚度18.7 mm、開口 66mm。本較佳實施例中，在設 計此近光燈模組120的各主要光學元件及各元件間的整合 測試時，皆朝符合歐洲法規近光燈規範的光型分佈設計， 最後的光域分佈如第9圖所示，左右分佈各約Π度、最下 方只到4度之寬廣但不高之配光、明暗截止線十分清楚。 表4為本實施例近光燈模組之實測值，比較表2，結果證 實本發明之近光燈模組設計實施例的每個量測點與區域 皆可符合法規需求。 測試點 本文設計值 1 Point B50L 0 2 Point 75R 12.2 3 Point 75L 8.6 4 Point 50L 13.1 5 Point 50R 13.9 6 Point 50V 12.9 7 Point 25L 2.8 8 Point 25R 2.7 Any point in zone III <0.7 Any point in zone IV >3 Any point in zone I < 2 χ13.9 表4本實施例近光燈模組之實測值 藉此，本發明所提出之光學系統之光源利用率很高， 因此當LED流明數設定為14a lm (遠光燈）、200 lm (近 光燈）以上時，配光結果即可符合ECE法規配光標準，意 即若採用目前全世界最亮的白光LED ( Lumileds所產出的 最新產品一LUXEON® K2 Emitter，最亮可達140 lm)遠 17 1308530 光燈僅需1顆、近光燈2顆，都是目前習知方法中使用最 少LED數量，所以本發明之光學系統十分實用。並由上述 結果可知該近光燈模組之反射鏡的配光控制僅需調整一 個設計參數，便可達到所需之配光要求，所以相當有效率。 雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用 以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精 神和範圍内，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保 護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例 能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下： 第1圖是歐規遠光燈配光測試圖。 第2圖是歐規近光燈規範要求的光型與測試點圖。 第3幽係繪示依照本發明一較佳實施例的一種車輛前 方照明光學系統之分解圖。 第4圖係繪示依照本發明一較佳實施例的遠光燈模組 之立體示意圖。 弟5圖係繪示依照本發明一較佳實施例的遠光燈模組 之最佳光型示意圖。 弟6圖係繪示依照本發明一較佳實施例的近光燈模組 之分解圖。 第7圖本發明一較佳實施例的—種反射鏡的變軸多橢 圓曲面設計之幾何關係示意圖 18 1308530 第8圖係繪示依照本發明一較佳實施例的近光燈模組 當反射鏡設計參數d=2mm時之配光光型示意圖。 第9圖係繪示依照本發明一較佳實施例的近光燈模組 之最佳光型示意圖。 【主要元件符號說明】
100:車輛前方照明光學系統110 :遠光燈模組 111 :第一 LED光源 112 :第一反射鏡 120 :近光燈模組 121 :第二LED光源 122 ·第一反射鏡 123 :遮光片 124 :投射透鏡 210 :頂點 220 :第一焦點 230 :第一焦點 240 :中心點 250 :中心點 260 :第二焦點 19