白光LED頭燈技術(shù)發(fā)展與目前研究現(xiàn)況 細(xì)數(shù)當(dāng)前國際汽車廠商，例如：BMW、Mercedes-Benz、Audi、Lexus等一級(jí)車廠，相繼推出各類型新款汽車，藉以吸引消費(fèi)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(jīng)有人將LED稱為第4代汽車照明光源，這是因?yàn)長ED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(tǒng)白熾燈、鹵素?zé)舻日彰髟O(shè)備無法相比擬的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
■汽車頭燈必須要興起才能帶動(dòng)車用LED產(chǎn)業(yè)
過去10年中，高亮度的LED陸續(xù)被應(yīng)用在汽車、卡車及大型遊覽車的內(nèi)外車燈等領(lǐng)域。根據(jù)Eyesply Japan市場(chǎng)調(diào)查指出，在2004年大約有30％的新車款以LED作為車尾燈（rear tail lamp）或CMHSL（Center High-Mount Stop Lamps），大部份新出廠汽車及大型交通工具已開始使用LED當(dāng)作方向指示燈及第三煞車辨識(shí)燈。
在此趨勢(shì)發(fā)展下，車用LED在2003年的市場(chǎng)規(guī)模超過2億美元，2004年比2003年成長24.2％，市場(chǎng)規(guī)模約為2.36億美元，2005年比2004年成長19.1％，市場(chǎng)規(guī)模則超過了3億美元。
隨著採用LED的新車款逐年擴(kuò)張，許多專家一致認(rèn)為往後數(shù)年中，仍可望維持二位數(shù)的成長率，預(yù)估2008年時(shí)市場(chǎng)規(guī)模將突破4.5億美元。倘若白光LED汽車頭燈若能順利開發(fā)出新的產(chǎn)品及技術(shù)，汽車用LED市場(chǎng)規(guī)模將持續(xù)擴(kuò)大，各方預(yù)測(cè)也將提早發(fā)生。
一般來說，汽車頭燈屬於車外使用的LED種類，其技術(shù)特性指標(biāo)跟手持式等消費(fèi)設(shè)備所使用的白光LED類似，不過，對(duì)LED發(fā)光角度、色差、亮度、閥值電壓、電流等光學(xué)、電學(xué)性能的一致性和可靠性要求更高。
目前LED在車外的主要應(yīng)用在於制動(dòng)燈、前方轉(zhuǎn)向燈、後方轉(zhuǎn)向燈、左右兩側(cè)轉(zhuǎn)向燈、後方霧燈和倒車燈方面，而在頭燈還處在研究開發(fā)階段，雖然已有部分先進(jìn)廠商已有展出樣品頭燈，但還沒有達(dá)到商業(yè)化批量生產(chǎn)的程度，其主要原因，包括：?jiǎn)蝹�(gè)白光LED元件的亮度不足，而頭燈所使用的LED尚有易衰減、價(jià)格過高等問題存在。
■白光LED如何因應(yīng)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（High Inten-sity Discharge headlamps；HID）作為主發(fā)光源，並參照汽車燈的光學(xué)、電學(xué)及形狀為主要標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)也在這2年經(jīng)由LED廠、汽車廠商及汽車協(xié)會(huì)大力推廣下逐步而緩慢地改變。
曾有汽車廠商電氣專家表示，汽車廠其實(shí)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(shè)計(jì)上必須要參照傳統(tǒng)頭燈的發(fā)光源標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)，但LED光源的基點(diǎn)屬於陣列式，因此白光LED頭燈而言，則是一項(xiàng)全新的思路。其技術(shù)路線必須要應(yīng)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(gè)高效LED元件設(shè)計(jì)成分，才能滿足汽車頭燈具設(shè)計(jì)及加工的特殊性。
 ▲反射型與投射型LED發(fā)光源3D模型模擬圖。（資料來源：財(cái)團(tuán)法人車輛研究中心）
對(duì)LED元件的主要有3項(xiàng)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(xué)、光學(xué)參數(shù)穩(wěn)定性、一致性的高要求，譬如，在同一批元件的閥值電壓不一致性必須要小於0.1V；最後，則是LED元件在直流電點(diǎn)亮後，其使用壽命必須超過1,000小時(shí)，發(fā)光強(qiáng)度衰減值要小於20％。
對(duì)於白光LED頭燈在配線板及元件加工也有3項(xiàng)特點(diǎn)：一、車上的配線板形狀較為不規(guī)則，因此，必須要具有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電功能三維陣列結(jié)構(gòu)；二、具有耐高溫、耐衝擊振動(dòng)和電流超載等；三、設(shè)計(jì)有優(yōu)良恆電流及恆電壓等控制電路。
■白光LED須突破瓶頸 汽車頭燈才有前景
未來汽車頭燈開發(fā)的開發(fā)演進(jìn)過程中，LED光源必須符合先進(jìn)汽車照明設(shè)計(jì)，然而造型、體積與效率為當(dāng)前主要設(shè)計(jì)LED頭燈的當(dāng)前之務(wù)，如何將此目標(biāo)做最佳化的設(shè)計(jì)，將會(huì)是未來LED車燈設(shè)計(jì)上，應(yīng)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堆出新型之LED頭燈雛型，有鑑於此，諸多傳統(tǒng)的車燈廠商莫不加緊腳步，開發(fā)白光LED頭燈，未來配合高亮度LED陸續(xù)推出，才能在最快的時(shí)間內(nèi)掌握LED頭燈產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)機(jī)。
不過，相較於目前汽車廠所使用的HID或鹵素?zé)�，在成本上白光LED價(jià)格還是高出許多，而在規(guī)範(fàn)上所要求的法規(guī)亮度，必須使用多組的白光LED才能達(dá)到亮度需求。
■LED與傳統(tǒng)燈具結(jié)合 降低原始汽車改變?cè)O(shè)計(jì)路徑
傳統(tǒng)的汽車頭前燈的設(shè)計(jì)方式，是以平滑拋物面所構(gòu)成的反射效果，再搭配上花紋透明燈殼，將光源集中置於拋物面的焦距，以便形成平行光束，再經(jīng)過小凸透鏡而形成雕塑光源。以目前兩大主要汽車頭燈應(yīng)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(shè)計(jì)方式，都能符合LED的發(fā)光原理及設(shè)計(jì)方式，不過，LED是以面光源形式來產(chǎn)生光源，其發(fā)光立體角只是傳統(tǒng)光源，不到鎢絲燈泡的50％的發(fā)光效率，因此，光學(xué)設(shè)計(jì)必須再經(jīng)過重新改良。
這是因?yàn)轭^燈必須要在唯一反射鏡可以加以運(yùn)用的情況下，反射鏡設(shè)計(jì)也就相形重要，遠(yuǎn)比傳統(tǒng)頭燈設(shè)計(jì)方式更富有難度及挑戰(zhàn)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，以符合陣列式LED頭燈設(shè)計(jì)的空間需求。
▲傳統(tǒng)頭燈及LED頭燈水平發(fā)光作用示意圖。（資料來源：財(cái)團(tuán)法人車輛研究中心）
這當(dāng)中最關(guān)鍵便是在於「汽車頭燈設(shè)計(jì)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(fù)責(zé)。其反射面是輕質(zhì)塑膠表面塗裝了非常光亮的鋁層，曲面形狀光學(xué)設(shè)計(jì)非常複雜，其表面可能是光滑面，或是格狀、多面狀的組合。
這也將會(huì)是白光LED汽車頭燈在設(shè)計(jì)上技術(shù)及照明藝術(shù)的重大改變；此後，汽車頭燈的形狀將不再侷限汽車造型設(shè)計(jì)師在先天上限制，而汽車的近光燈、遠(yuǎn)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於一身。
■適路性照明與白光LED頭燈未來發(fā)展趨勢(shì)
適路性汽車頭燈照明系統(tǒng)（Adaptive Front-lighting System；AFS）已成為未來智慧型白光LED車燈照明發(fā)展趨勢(shì)，目前各國車燈製造廠商也對(duì)此照明系統(tǒng)大力投入研究開發(fā)。
在90年代初期，由於以下兩大領(lǐng)域的新科技運(yùn)用，使得車輛前方照明系統(tǒng)得以朝提昇駕駛視野，及改進(jìn)其他用路人視覺舒適及安全兩方面進(jìn)一步發(fā)展。其中，以新的白光LED作為主要發(fā)光材料，以先進(jìn)感測(cè)器及車用電子與作動(dòng)器相結(jié)合成新興的照明光源與電腦輔助工具，可使白光LED頭燈設(shè)計(jì)更為貼近汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，並提供汽車頭燈特殊照明。
因此，適路性頭燈照明系統(tǒng)在發(fā)展一段時(shí)間後，歐洲法規(guī)方面對(duì)適路性前方照明系統(tǒng)也訂定出了一些原則特性，原則中，提出適路前方照系統(tǒng)包含三大元素，位於車輛右側(cè)及左側(cè)之照明元件、系統(tǒng)控制與供應(yīng)及操作裝置。
▲AFS訊號(hào)傳輸基本架構(gòu)圖。（資料來源：財(cái)團(tuán)法人車輛研究中心）
如何依據(jù)AFS法規(guī)原則加以研究開發(fā)，目前雛型白光LED燈包含了三項(xiàng)功能，可視不同路況，包括：一般路面、都市路面、高速路面、溼路路面進(jìn)行光線調(diào)整、失效模式（回復(fù)原始設(shè)定）與遠(yuǎn)光燈，其中的光線變化則可是利用白光LED光形疊加的概念，點(diǎn)亮不同的LED單元模組，以達(dá)到不同光線的設(shè)置，而不是利用傳統(tǒng)車燈以驅(qū)動(dòng)馬達(dá)原理來達(dá)到適路性照明的功能。
在進(jìn)行陣列式白光LED頭燈設(shè)計(jì)前，只具單一功能白光LED模組設(shè)計(jì)將必須先行納入考慮，主要是因?yàn)榘坠釲ED頭燈功能，要求能符合AFS可變光形的分佈情況，因此必須由數(shù)個(gè)不同反射鏡模組來加以組合，才能達(dá)到此項(xiàng)設(shè)計(jì)要求。
另一方面在頭燈的反射鏡設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，是採用3種光形的反射鏡來達(dá)成LED頭燈的近光燈基本光形設(shè)計(jì)，另外再加上遠(yuǎn)光光形的反射鏡，使光形分佈可依照頭燈模組不同需求，再由反射鏡加上遮片後排列組合而成。
在分析設(shè)計(jì)完成最佳化LED投射式單元後，開始進(jìn)行智慧型LED頭燈雛型的系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，依照AFS規(guī)範(fàn)要求，在雛型設(shè)計(jì)時(shí)，就必須以4種不同光形的近光燈光形及1個(gè)遠(yuǎn)光燈光形，其中LED PES模組分為上中下共3排，並以此為模組配對(duì)來達(dá)成適路性的光線需求。
根據(jù)汽車製造業(yè)的習(xí)慣來看，傳統(tǒng)的車燈設(shè)計(jì)中是利用幾何光學(xué)的光路追跡法來設(shè)計(jì)而成，並不會(huì)將物理光學(xué)理論中的干涉衍射，及色散對(duì)光能量的影響則不納入考慮，因此頭燈白光LED的強(qiáng)度與通過該點(diǎn)的光線數(shù)目成正比，且不受光程影響。另外，線光源能量也要達(dá)到分佈均勻，功率密度也必須與總功率與長度成正比。
■業(yè)界實(shí)際應(yīng)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(yuǎn)光燈則使用HID燈。此外，與豐田、本田汽車合作的白光LED廠家也展出了汽車白光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、OSRAM及日本小系等廠商所發(fā)表的白光LED頭燈目前的設(shè)計(jì)與產(chǎn)品發(fā)展?fàn)顩r。
在2008年後，白光LED發(fā)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(lián)合開發(fā)的。該頭燈樣品是將4個(gè)大型LED晶片封裝成一個(gè)大功率白光LED模組，在近光燈上配備5個(gè)這種模組、遠(yuǎn)光燈上配備2個(gè)。
近光燈點(diǎn)亮?xí)r的光束總計(jì)為700lm，據(jù)該公司公佈數(shù)據(jù)表示，在未來必須確保白光LED能達(dá)到HID剛上市時(shí)的亮度，每個(gè)白光LED模組發(fā)出140lm左右的光束。在實(shí)驗(yàn)後的樣品消耗的電力與同等亮度的HID燈相比，初步評(píng)估為HID的1.4至1.6倍。
白光LED的發(fā)光效率的提高，雖然在過去一段時(shí)間白光LED的發(fā)光效率出現(xiàn)遲緩的發(fā)展，但在此之後又有了令人期待的發(fā)展。Stanley內(nèi)部人員更大膽預(yù)言，到了2008年前後，白光LED頭燈將會(huì)與HID燈的發(fā)光效率並駕齊驅(qū)。
適路性白光LED設(shè)計(jì)：日本小系（Koito）製作所推出的汽車頭燈配備有11個(gè)白光LED模組，包括，近光燈6個(gè)、在遠(yuǎn)光燈時(shí)則另加5個(gè)。據(jù)該廠商表示，在近光燈點(diǎn)亮?xí)r的光束可達(dá)到800lm至1000lm；另外，也可根據(jù)行駛狀態(tài)，對(duì)近光燈用的白光LED模組點(diǎn)亮進(jìn)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(gè)點(diǎn)亮，便能使頭燈所投射的光束降低其照射範(fàn)圍，使光線具有遠(yuǎn)射的照明效果。另一方面，若在市區(qū)行駛時(shí)，中央部分的上邊3個(gè)與中央部?jī)蓚?cè)配備的1個(gè)近光燈用白光LED模組點(diǎn)亮，擴(kuò)大汽車頭燈光線照射角度。
因此，使這項(xiàng)智慧型的頭燈設(shè)計(jì)兼具AFS功能，可使行駛在彎道時(shí)燈光的投射角度會(huì)隨著汽車轉(zhuǎn)向方向進(jìn)行判斷照明範(fàn)圍，也在頭燈中央部位設(shè)計(jì)具有活動(dòng)性。
白光LED光源系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率為65％：歐司朗（Osram）也推出名為「OSTAR」的白光LED汽車頭燈模組；其架構(gòu)是將4個(gè)1mm大型LED晶片，並將其整合封裝後，使每個(gè)模組的光束高達(dá)300lm。
另外，OSRAM也使用OSTAR研發(fā)出驅(qū)動(dòng)白光LED模組的電源IC在內(nèi)的光源系統(tǒng)，只要經(jīng)由該系統(tǒng)通上電後，便具有65％的光能轉(zhuǎn)換效率，而在散熱方面，也在LED的光源背面搭配上散熱片，藉以提高光源冷卻效率。
■筆者按：
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，不僅以花俏的引人注目，也在實(shí)用化方面注入不少研發(fā)心血，包括：豐田汽車作為雷克薩斯品牌旗艦轎車推出的概念車「LF-Sh」，及豐田品牌下一代微型麵包車的概念車等，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(jīng)非常接近。
不過，欲使白光LED成為汽車頭燈的主要光源，相關(guān)部份的交通法條必須將其修訂。例如，聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)審議汽車頭燈的GRE法條，預(yù)計(jì)會(huì)在2年之後才能允許使用白光LED作為汽車頭燈的主光源，倘若法規(guī)修訂尚未通過，汽車市場(chǎng)導(dǎo)入白光LED頭燈的過程將會(huì)持續(xù)延宕下去。
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