1、白光 LED 汽車頭燈的技術發展- 電氣論文白光 LED 汽車頭燈的技術發展吳騰奇華南師范大學目前全球各大汽車展中，都能看到以白光LED 作為汽車頭燈的概念車款，不僅花哨得引人注目，也在實用化方面注人不少研發心血，包括: 豐田汽本作為雷克薩斯品牌旗艦轎車推出的概念車LFSh ，及豐田品牌下一代微型面包車的概念車等，也都搭配了白光LED 頭燈，在在都使人感覺離白光LED 頭燈的未來已經非常接近。不過。欲使白光LED 成為汽車頭燈的主要光源，相關部份的交通法條必須將其修訂。例如，聯合國歐洲經濟委員會審議汽車頭燈的GRE 法條，預計會在 2 年之后才能允許使用白光LED 作為汽車頭燈的主光源， 倘若

2、法規修訂尚未通過，汽車市場導入白光LED 頭燈的過程將會待續延宕下去。細數當前國際汽車廠商， 例如 :BMW 、Mercedes-Benz、Audi 、Lxus 等一級車廠，相繼推出各類型新款汽車，藉以吸引消費者。其中最富變化性、最引人注目的便是炫光奪目的白光LED 車燈款式。過去，曾經有人將LED 瞬為第 4 代汽車照明光源，這是因為LED 頭燈除了一次性投入較高之外，在壽命、亮度、低耗電方面，都是傳統白熾燈、鹵素燈等照明設備無法相比擬的競爭優勢。汽車頭燈必須要興起才能帶動車用LED 產業過去 10 年中，高亮度的LED 陸續被應用在汽車、卡車及大型游覽車的內外車燈等領域。根據 Eyespl

3、yJapan市場調查指出， 在 2004年大約有 30%的新車款以 LED 作飾車尾燈 (reartail lamp)或 CMHSL(CenterHigh-MountStopLamps) 。大部份新出廠汽車及大型交通工具己開始使用LED 當作方向指示燈及第三煞車辨識燈。在此趨勢發展下。車用LED 在 2003年的市場規模超過 2億美元， 2004 年比 2003 年成長 24.2% ，市場規模約為2.36 億美元，2005年比 2004 年成長 19.1% ，市場規模則超過了 3 億美元·隨著采用LED 的新車款逐年擴張，許多專家一致認為往后數年中，仍可望維持二位數的成長率，預估 2

4、008年時市場現模將突破4.5 億美元。倘若白光 LED 汽車頭燈若能順利開發出新的產品及技術，汽車用LED 市場規模將持續擴大，各方預測也將提早發生。一般來說、汽車頭燈屬于本車外使用的LED 種類。其技術特性指標跟掌上型等消費設備所使用的白光LED 類似、不過，對LED 發光角度、色差、亮度、閥位電壓、電流等光學、電學性能的一致性和可靠性，要求更高目前LED 在車外的主要應用在于制動燈、前方轉向燈、后方轉向燈、左右兩側轉向燈、 后方霧燈和倒車燈方面， 而在頭燈還處在研究開發階段，雖然已有部分先進廠商已有展出樣品頭燈，但還沒有達到商業化批量生產的程度，其主要原因，包括 : 單個白光 LED 元

5、件的亮度不足，而頭燈所使用的LED 尚有易衰減、價格過高等問題存在。白光 LED 如何因應車上特殊要求長期以來，車上所使用的頭燈是以白熾燈、鹵素頭燈或氙氣頭燈(HighIntensity DischargeHeadlamps； HID)作為主發光源，并參照汽車燈的光學、電學及形狀為主要標準，另一方面在頭燈的反射鏡設計基礎上，是采用3 種光形的反射鏡來達成LED 頭燈的近光燈基本光形設計，另外再加上遠光光形的反射鏡，使光形分布可依照頭燈模組不同需求，再由反射鏡加上遮片后徘列組合而成。在分析設計完成最佳化LED 投射式單元后，開始進行智慧型LED 頭燈雛型的系統功能設計，依照AFS 規范要求，在雛

6、型設計時，就必須以4 種不同光形的近光燈光形及1 個遠光燈光形， 其中 LED PES 模組分為上中下共3 排，并以此為模組配對來達成適路性的光線需求。根據汽車制造業的習慣來看，傳統的車燈設計中是利用幾何光學的光路追跡法來設計而成， 并不會將物理光學理論中的干涉衍射，及色散對光能量的影響則不納入考慮，因此頭燈白光LED 的強度與通過該點的光線數目成正比，且不受光程影響。 另外，線光源能量也要達到分布均勻，功率密度也必須與總功率與長度成正比。業界實際應用案例目前，絕大部分汽車頭燈具的廠家， 一般只在近光燈上搭配白光LED 模組，而遠光燈則使用HID燈。此外，與豐田、本田汽車合作的白光LED 廠家

7、也展出了汽車白光LED 頭燈光源，給人留下了白光LED 模組正在走向大功率化的印象。在此，擷取 Stanley、OSRAINI 及日本小系等廠商所發表的白光LED頭燈目前的設計與產品發展狀況。在 2008 年后，白光 LED 發光效率將超過 HID: 斯坦利電氣 (Stanley)推出的汽車頭燈是與德國Hella聯合開發的。該頭燈樣品是將4 個大型 LED 晶片封裝成一個大功率白光LED 模組，在近光燈上配備5 個這種模組、 遠光燈上配備2 個。近光燈點亮時的光束總計為7001m ，據該公司公布資料表示，在未來必須確保白光 LED 能達到 HID 剛上市時的亮度，每個白光LED 模組發出140

8、1m 左右的光束。在實驗后的樣品消耗的電力與同等亮度的HID 燈相比，初步評估為 HID 的 1.4 至 1.6 倍。白光 LED 的發光效率的提高， 雖然在過去一段時間白光LED 的發光效率出現遲緩的發展， 但在此之后又有了令人期待的發展。 Stanley內部人員更大膽頂言，到了 2008年后，白光 LED 頭燈將會與 HID 燈的發光效率并駕齊驅。適路性白光 LED 設計 : 日本小系（ Koito) 制作所推出的汽車頭燈配備有11 個白光 LED 模組，包括，近光燈 6 個、在遠光燈時則另加 5 個。據該廠商表示，在近光燈點亮時的光束可達到 8001m 至 10001m 另外，也可根據行

9、駛狀態，對近光燈用的白光 LED 模組點亮進行控制。比方說，在高速駕駛行為中 ( 超過100 公里 )，頭燈中央部分的 5 個點亮，便能使頭燈所投射的光束降低其照射范圍，使光線具有遠射的照明效果。另一方面，若在市區行駛時，中央部分的上邊3 個與中央部兩側配備的1 個近光燈用白光LED 模組點亮，擴大汽車頭燈光線照射角度。因此，使這項智慧型的頭燈設計兼具AFS 功能，可使行駛在彎道時燈光的投射角度會隨著汽車轉向方同進行判斷照明范圍，也在頭燈中央部位設計具有活動性。白光 LED 光源系統的能量轉換效率為65%:歐司朗 (Osram)也在這 2年經由 LED 廠、汽車廠商及汽車協會大力推廣下逐步而緩

10、慢地改變。曾有汽車廠商電氣專家表示，汽車廠其實很樂見以白光LED 光源來代替白熾燈的LED汽車頭燈，不過，在設計上必須要參照傳統頭燈的發光源標準來設計，但LED 光源的基點屬于陣列式，因此白光LED 頭燈而言，則是一項全新的思路。其技術路線必須要應用白光LED 光源的單色性，不加濾色片直接選用不同波長的多個高效 LED 元件設計成分，才能滿足汽車頭燈具設計及加工的特殊性。反射型與投射型LED 發光源 3D 模型仿真圖。 對 LED 元件的主要有 3項要求，分別為 :LED 必須具有高效、大功率、高可靠性（ -40 - 125 ); 另外，就是符合電學、光學參數穩定性、一致性的高要求，譬如，在同

11、一批元件的閥值電壓不一致性必須要小于0.1V; 最后，則是 LED 元件在直流電點亮后，其使用壽命必須超過1,000小時，發光強度衰減值要小于20% 對于白光 LED 頭燈在配線板及組件加工也有3 項特點 :一、車上的配線板形狀較為不規則，因此，必須要具有良好的導熱、導電功能三維陣列結構 ;二、具有耐高溫、耐沖擊振動和電流超載等;三、設計有優良值電流及恒電壓等控制電路。白光 LED 須突破瓶頸汽車頭燈才有前景未來汽車頭燈開發的開發演進過程中，LED 光源必須符合先進汽車照明設計，然而造型、體積與效率為當前主要設計LED 頭燈的當前之務，如何將此目標做最佳化的設計， 將會是未來 LED 車燈設計

12、上，應再尋求突破的主要工作。雖然目前距離白光LED 頭燈商品化仍有段距離，可是國外車燈大廠仍不斷推出新型之LED 頭燈雛型，有鑒于此，諸多傳統的車燈廠商莫不加緊腳步，開發白光LED 頭燈，未來配合高亮度LED 陸續推出，才能在最快的時間內掌握 LED 頭燈產品的開發時機。不過，相較于目前汽車廠所使用的HID或鹵素燈，在成本上白光 LED 價格還是高出許多，而在規范上所要求的法規亮度，必須使用多組的白光LED 才能達到亮度需求。LED 與傳統燈具結合降低原始汽車改變設計路徑傳統的汽車頭前燈的設計方式，是以平滑拋物面所構成的反射效果，再搭配上花紋透明燈殼， 將光源集中置于拋物面的焦距，以便形成平行

13、光束，再經過小凸透鏡而形成雕塑光源。以目前兩大主要汽車頭燈應用主流，分為多重反射鏡面車燈(Multi-Reflector;MR)與投射式汽車頭燈 (Projection System)。雖然這 2 種款式的汽車頭燈設計方式，都能符合LED 的發光原理及設計方式，不過， LED 是以面光源形式來產生光源，其發光立體角只是傳統光源，不到鎢絲燈泡的50% 的發光效率，因此，光學設計必須再經過重新改良。這是因為頭燈必須要在唯一反射鏡可以加以運用的情況下，反射鏡設計也就相形重要， 遠比傳統頭燈設計方式更富有難度及挑戰性。因此，如何將反射鏡獲得最佳化的處理過程，使LED 投射燈的模組體積尺寸縮到最小，以符

14、合陣列式 LED 頭燈設計的空間需求。這當中最關鍵便是在于汽車頭燈設計概念的改變，在光束聚焦的工作不再靠透鏡，而是由白光LED 的周圍反射面來負責。其反射面是輕質塑膠表面涂裝了非常光亮的鋁層，曲面形狀光學設計非常復雜，其表面可能是光滑面，或是格狀，多面狀的組合。這也將會是白光LED 汽車頭燈在設計上技術及照明藝術的重大改變;此后，汽車頭燈的形狀將不再局限汽車造型設計師在先天上限制，而汽車的近光燈、遠光燈、方向燈將可整合成一體的燈組，從汽車頭燈到汽車尾燈的造型便能真正成為汽車造型的一部份， 可以與車頭、車尾的造型平滑無接縫地整合于一身。適路性照明與白光LED 頭燈未來發展趨勢適路性汽車頭燈照明系

15、統(AdaptiveFront-lightingSystem;AFS)已成為未來智慧型白光LED 車燈照明發展趨勢，目前各國車燈制造廠商也對此照明系統大力投入研究開發。在 90 年代初期，由于以下兩大領域的新科技運用，使得車輛前方照明系統得以朝提升駕駛視野，及改進其他用路人視覺舒適及安全兩方面進一步發展。其中，以新的白光 LED 作為主要發光材料，以先進感測器及車用電子與作動器相結合成新興的照明光源與電腦輔助工具，可使白光 LED 頭燈設計更為貼近汽車產業應用， 并提供汽車頭燈特殊照明。 因此，適路性頭燈照明系統在發展一段時間后，歐洲法規方面對適路性前方照明系統也訂定出了一些原則特性， 原則中

16、，提出適路前方照系統包含三大元素， 位于車輛右側及左側之照明元件、 系統控制與供應及操作裝置。如何依據 AFS 法規原則加以研究開發， 目前雛型白光 LED 燈包含了三項功能，可視不同路況，包括 : 一般路面、都市路面、高速路面、濕路路面進行光線調整、失效模式 ( 回復原始設定 ) 與遠光燈，以達到不同光線的設置其中的光線變化則可是利用白光 LED 光形迭加的概念，點亮不同的 LED 單元模組，而不是利用傳統車燈以驅動馬達原理來達到適路性照明的功能。在進行陣列式白光 LED 頭燈設計前，只具單一功能白光 LED 模組設計將必須先行納入考慮，主要是因為白光 LED 頭燈功能，要求能符合 AFS 可變光形的分布情況， 因此必須由數個不同反射鏡模組來加以組合， 才能達到此項設計要求。另一方面在頭燈的反射鏡設計基礎上， 是采用 3 種光形的反射鏡來達成LED 頭燈的近光燈基本光形設計，另外再加上遠光光形的反射鏡，使光形分布可依照頭燈模組不同需求， 再由反射鏡加上遮片后排列組合而成在分折設計完成最佳化 LED 投射式