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一种新型低眩光氙气金卤灯车前灯设计(图)

2008-12-23 作者:杨正名,柴国生,张明,高光义 来源:广东雪莱特光电科技股份有限公司 浏览量: 网友评论: 0

摘要: 论述了市售的用作车前灯的氙气金卤灯产生大量眩光的机理,提出了一种大比例减少眩光的新车灯结构设计,给出了二者的实测数据及对比。

  Ⅰ 引言

  目前市售车用氙气金卤灯多为按菲利浦专利设计[1][2][3][4][5][6][7]。这种灯俗称氙气大灯、前大灯、HID灯等。由于其相对于传统卤钨灯的诸多优点而倍受欢迎并日益普及,其最主要的优点可由下表数据明证与卤钨灯相比氙气金卤灯以十倍的寿命、一半的功率、发出三倍的光通。日本的统计还表明,这种高强度放电车灯的采用已使夜间行车的事故率明显下降。这样明显的优势使之以如此之快的速度取代传统卤钨灯是可以理解的。

  Philips的这种灯结构是一个非常成功的设计,其标准结构示如图1。其电弧管的等效内径小于4mm,这样小的电弧管尺寸竟然达到90 lm/w以上甚至超过100 lm/w的光效。而且寿命能达3000-4000小时,这是设计上的成功、也是靠极严格的材料配方和极其精湛、严格的处理工艺保证的。虽然目前市售车用氙气金卤灯的质量普遍低劣、但这不是设计的错误,是粗劣的工艺技术所致。

  在以氙气金卤灯广泛取代卤钨灯的同时发现这种灯用于车前灯照明时出现了一个明显问题就是眩光太强,这影响迎面而来的车辆驾驶者的视觉,并影响行车安全。某些地区的交通管理部门为此对此采取各种限制,例如不允许车辆将卤钨灯改装为氙气金卤灯或不允许将这种高效长寿命灯用作远光照明等。

  不少车灯专家认为氙气金卤灯太亮,因此必然产生大量眩光,眩光是这种灯与生俱来有必然产物,要用其优点就得容忍其缺点。事实证明这种看法并不全面。

  Ⅱ 不完善的设计是导致大量眩光的根源。

  按Philips专利生产的氙气金卤灯,其外罩壳采用直筒状石英管,专利并规定外壳与电弧管之间的距离在0.5-2㎜之间(实际尺寸在0.5mm左右)。由于电弧管管壳与外罩壳并非平行,电弧管幅向发出的光在到达外罩壳时因入射角i≠0而将产生反射和折射。斜入射光束在介质表面反射和折射的情况示如图2。一束以i角入射的光经玻璃反射、折射后将转化为以i角反射并沿A方向衰减的反射光带和以i′角出射同样是沿A方向衰减的透射光带。

  推理到氙气金卤灯中,由图3可见对于直管形外罩壳灯、只有从电弧管中心部位辐射、方向处在通过该中心并与灯轴垂直的平面S内的光才会不径反射直接辐射出去。所有辐射方向与该平面不重合的光均将成为偏离原辐射地点并沿电弧管二端颈体向四周辐射并向二端伸延的杂散光。可见通常应为灯具收集的如图1所示的2α立体角(110)内的光并不能全部进入光束向前投射,其中由于外罩壳折射、反射而向二端散射的光将加入到2α角以外,即以灯轴为轴的35锥角以内的无效辐射光中。此外外壳的石英壁、电弧管二端的收缩颈体均将形成光导管将光导向二端并辐射出去。上述所有杂散光中的1/4以上将成为向前上方辐射的眩光。这是此种光源产生较强眩光的原因。

  Ⅲ 我们的设计[8][9][10][11]

  我们的设计是将氙气金卤灯外罩壳的与电弧管球泡对应的部位制成与电弧管球泡相似并同心的球泡状,使二者的壁面大致平行。其结构见图4。图5表明从这样的电弧管的电弧区辐射出的光基本与电弧管管壁及外罩壳壁面垂直,其中大部分均将按原直线直接辐射出去,只有较少部分辐射可能在两层石英管壳之间或在石英泡壳的壁层内部反射和折射形成散向两端的杂散光。显 然我们设计的这种结构的灯所形成的眩光会少得多。除此之外这种结构的电弧管与外罩壳之间的距离处处相等,电弧管温度分布均匀,因而其热稳定性以及其它光电参数的稳定性要高得多,灯的寿命也较长。

  除了采用球泡形罩壳外,我们的外罩壳与电弧管的密封方式也与Philips不同。由图1可见Philips专利灯泡是将罩壳外端熔融向内收缩再与电弧管外端的颈体部位融封的,但是这种结构使灯的端顶成了向外发射杂散光的辐射源头,这个源头必然增加了眩光的份额。

  我们的封接方式是将电弧管外端的石英管端头向外翻扩成喇叭形,使与外罩壳缘口接触再融熔封接。与图1结构相比这种结构同样减少了灯管外端轴向辐射的眩光。

  Ⅳ 实验结果

  我们对二只参数相近的D2S型氙气金卤灯进行了试验

  灯I为直管型外壳,灯压降87V光通3160 lm,色温4100K

  灯Ⅱ为球泡型外壳,灯压降86V光通3240 lm,色温4200K

  采用主要设备:CT200分布式光度计(杭州远方仪器公司产品)

  测试距离:4M

  测试范围及内容:以灯轴为轴测量绕轴45角范围内的前向辐射分布(光强度分布、照度分布及光通分布)图1和图3中表明了以电弧管中心点为原点的垂直于灯轴的平面S。在S平面两侧的α立体角(55)以内的光辐射构成了前灯照明的光源。2α角以外,即以灯轴为轴的前向和后向35锥角以内的光辐射构成杂散光,其中一部分原来就是2α角以外的辐射,另一部分则是原为2α立体角内,但由于外罩壳的折射和反射而溢出2α角的辐射。这部分光中向外端并向上辐射的部分构成了眩光。对灯I、灯Ⅱ的主要测试结果表明在图6、图7中由二图的比较清晰可见球形外罩壳灯的35角以内的前向辐射强度(图7)比直管外壳灯(图6)明显要低。在35角处球形灯的光强度约为172.4cd等强度线4),而直管外罩壳灯同样在35角处光强度已超过205.7cd(等强度线5)。此外明显可见的另一点是图7所示等光强线更接近同心圆环,这说明这种结构的灯,光辐射更为均匀、这对灯具设计和形成高质量光束更为有利。

  由于测试灯Ⅱ时灯的安装位置略微偏离中心,光的等强度线亦略微偏心,可能会引起些微误差。

  可以认为在以灯轴为轴的10锥体角以内的前向辐射可以视为包括在前灯照明的光束之中、为有效辐射。而在锥角10到35以内的光辐射则为杂散光。根据测得的光通量区域分布数据、在以灯轴为轴的 10角至35角的锥体以内、直管形外罩壳灯的前向辐射光通量为416 lm,而球形外壳的灯则为368 lm。考虑到后向辐射(这部分光经反射器反射后也将变为杂散光),这两个数据均应加倍。即直管形外壳灯的2α立体角以外的杂散光约为2416=832 lm约占总光通量(3160 lm)的26.3%。对于球泡形外壳的灯,则总杂散光为737 lm约占总辐射光通量(3240 lm)的22.7%,由此可见直管形外壳改为球形外壳后灯的有效光通增加了约3.6%,即约115 lm,而眩光则降低了13.8%。进一步改进外罩壳设计、情况将会得到进一步改善。

  以上测试数据表明将氙气金卤灯的直管形外罩壳改为球形外罩壳是十分有利的,这不仅明显增加了可贵的有效光通,而且更大比例地降低了有害眩光。

  Ⅴ 结论

  车用氙气金卤灯的眩光可以通过改进灯的设计而大幅改进,从而使灯具的设计难度降低,华星光电生产的Cnlight(雪莱特)品牌的车用氙气金卤灯就是按这一设计开发的产品。这不仅在很大程度上改进了灯的光特性,提高了热稳定性并使灯的光电特性的稳定性有所提高。同样重要的是这是一种有自主知识产权的产品,是市面上唯一的非Philips专利的同类型车灯。

  参改文献

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