白光LED汽車頭燈的技術(shù)發(fā)展

吳騰奇

華南師范大學(xué)

白光LED汽車頭燈的技術(shù)發(fā)展

吳騰奇

華南師范大學(xué)

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(fā)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(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)濟委員會審議汽車頭燈的GRE法條，預(yù)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，倘若法規(guī)修訂尚未通過，汽車市場導(dǎo)入白光LED頭燈的過程將會待續(xù)延宕下去。

細數(shù)當(dāng)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(jīng)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(tǒng)白熾燈、鹵素?zé)舻日彰髟O(shè)備無法相比擬的競爭優(yōu)勢。

汽車頭燈必須要興起才能帶動車用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、卡車及大型游覽車的內(nèi)外車燈等領(lǐng)域。根據(jù)Eyesply Japan市場調(diào)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-Mount Stop Lamps)。大部份新出廠汽車及大型交通工具己開始使用LED當(dāng)作方向指示燈及第三煞車辨識燈。在此趨勢發(fā)展下。車用LED在2003年的市場規(guī)模超過2億美元，2004年比2003年成長24.2%，市場規(guī)模約為2.36億美元，2005年比2004年成長19.1%，市場規(guī)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(rèn)為往后數(shù)年中，仍可望維持二位數(shù)的成長率，預(yù)估2008年時市場現(xiàn)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市場規(guī)模將持續(xù)擴大，各方預(yù)測也將提早發(fā)生。

一般來說、汽車頭燈屬于本車外使用的LED種類。其技術(shù)特性指標(biāo)跟掌上型等消費設(shè)備所使用的白光LED類似、不過，對LED發(fā)光角度、色差、亮度、閥位電壓、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)用在于制動燈、前方轉(zhuǎn)向燈、后方轉(zhuǎn)向燈、左右兩側(cè)轉(zhuǎn)向燈、后方霧燈和倒車燈方面，而在頭燈還處在研究開發(fā)階段，雖然已有部分先進廠商已有展出樣品頭燈，但還沒有達到商業(yè)化批量生產(chǎn)的程度，其主要原因，包括:單個白光LED元件的亮度不足，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(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 Intensity DischargeHeadlamps；HID)作為主發(fā)光源，并參照汽車燈的光學(xué)、電學(xué)及形狀為主要標(biāo)準(zhǔn)，另一方面在頭燈的反射鏡設(shè)計基礎(chǔ)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(shè)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(shè)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(tǒng)功能設(shè)計，依照AFS規(guī)范要求，在雛型設(shè)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(jù)汽車制造業(yè)的習(xí)慣來看，傳統(tǒng)的車燈設(shè)計中是利用幾何光學(xué)的光路追跡法來設(shè)計而成，并不會將物理光學(xué)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(shù)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(yè)界實際應(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 、OSRAINI及日本小系等廠商所發(fā)表的白光LED頭燈目前的設(shè)計與產(chǎn)品發(fā)展?fàn)顩r。

在2008年后，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?xí)r的光束總計為7001m，據(jù)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(fā)出1401m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(fā)光效率的提高，雖然在過去一段時間白光LED的發(fā)光效率出現(xiàn)遲緩的發(fā)展，但在此之后又有了令人期待的發(fā)展。Stanley內(nèi)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(fā)光效率并駕齊驅(qū)。適路性白光LED設(shè)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(jù)該廠商表示，在近光燈點亮?xí)r的光束可達到8001m至10001m另外，也可根據(jù)行駛狀態(tài)，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(qū)行駛時，中央部分的上邊3個與中央部兩側(cè)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(shè)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(zhuǎn)向方同進行判斷照明范圍，也在頭燈中央部位設(shè)計具有活動性。

白光LED光源系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率為65%:歐司朗(Osram)也在這2年經(jīng)由LED廠、汽車廠商及汽車協(xié)會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)計上必須要參照傳統(tǒng)頭燈的發(fā)光源標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)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(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高效LED元件設(shè)計成分，才能滿足汽車頭燈具設(shè)計及加工的特殊性。

反射型與投射型LED發(fā)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(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(fā)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(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、耐沖擊振動和電流超載等;

三、設(shè)計有優(yōu)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(fā)的開發(fā)演進過程中，LED光源必須符合先進汽車照明設(shè)計，然而造型、體積與效率為當(dāng)前主要設(shè)計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，將會是未來LED車燈設(shè)計上，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推出新型之LED頭燈雛型，有鑒于此，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，才能在最快的時間內(nèi)掌握LED頭燈產(chǎn)品的開發(fā)時機。

不過，相較于目前汽車廠所使用的HID或鹵素?zé)?，在成本上白光LED價格還是高出許多，而在規(guī)范上所要求的法規(guī)亮度，必須使用多組的白光LED才能達到亮度需求。

LED與傳統(tǒng)燈具結(jié)合降低原始汽車改變設(shè)計路徑

傳統(tǒng)的汽車頭前燈的設(shè)計方式，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，將光源集中置于拋物面的焦距，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)計方式，都能符合LED的發(fā)光原理及設(shè)計方式，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)計必須再經(jīng)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(shè)計也就相形重要，遠比傳統(tǒng)頭燈設(shè)計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)計的空間需求。

這當(dāng)中最關(guān)鍵便是在于「汽車頭燈設(shè)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(zé)。其反射面是輕質(zhì)塑膠表面涂裝了非常光亮的鋁層，曲面形狀光學(xué)設(shè)計非常復(fù)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(shè)計上技術(shù)及照明藝術(shù)的重大改變;此后，汽車頭燈的形狀將不再局限汽車造型設(shè)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(fā)展趨勢

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，目前各國車燈制造廠商也對此照明系統(tǒng)大力投入研究開發(fā)。

在90年代初期，由于以下兩大領(lǐng)域的新科技運用，使得車輛前方照明系統(tǒng)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(fā)展。其中，以新的白光LED作為主要發(fā)光材料，以先進感測器及車用電子與作動器相結(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)計更為貼近汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，并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)展一段時間后，歐洲法規(guī)方面對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，位于車輛右側(cè)及左側(cè)之照明元件、系統(tǒng)控制與供應(yīng)及操作裝置。

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(diào)整、失效模式(回復(fù)原始設(shè)定)與遠光燈，以達到不同光線的設(shè)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(tǒng)車燈以驅(qū)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(shè)計前，只具單一功能白光LED模組設(shè)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(shù)個不同反射鏡模組來加以組合，才能達到此項設(shè)計要求。

另一方面在頭燈的反射鏡設(shè)計基礎(chǔ)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(shè)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(shè)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(tǒng)功能設(shè)計，依照AFS規(guī)范要求，在雛型設(shè)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(jù)汽車制造業(yè)的習(xí)慣來看，傳統(tǒng)的車燈設(shè)計中是利用幾何光學(xué)的光路追跡法來設(shè)計而成，并不會將物理光學(xué)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(shù)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。

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