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白光LED头灯技术发展与目前研究现况 

目前全球各大汽车展中,都能看到以白光LED作为汽车头灯的概念车款,不仅以花俏的引人注目,也在实用化方面注入不少研发心血,包括:丰田汽车作为雷克萨斯品牌旗舰轿车推出的概念车「LF-Sh」 ,及丰田品牌下一代微型面包车的概念车等,也都搭配了白光LED头灯, 在在都使人感觉离白光LED头灯的未来已经非常接近。    

不过,欲使白光LED成为汽车头灯的主要光源,相关部份的交通法条必须将其修订。例如,联合国欧洲经济委员会审议汽车头灯的GRE法条,预计会在 2年之后才能允许使用白光LED 作为汽车头灯的主光源,倘若法规修订尚未通过,汽车市场导入白光LED头灯的过程将会持续延宕下去。 

细数当前国际汽车厂商,例如:BMW、Mercedes-Benz、 Audi、Lexus等一级车厂,相继推出各类型新款汽车,借以吸引消费者。 其中最富变化性、最引人注目的便是炫光夺目的白光LED车灯款式。过去,曾经有人将LED称为第 4代汽车照明光源,这是因为 LED头灯除了一次性投入较高之外,在寿命、亮度、低耗电方面,都是传统白炽灯、卤素灯等照明设备无法相比拟的竞争优势。 

■汽车头灯必须要兴起才能带动车用LED产业    

过去10年中,高亮度的LED陆续被应用在汽车、卡车及大型游览车的内外车灯等领域。根据Eyesply Japan市场调查指出,在2004年大约有30%的新车款以LED作为车尾灯(rear tail lamp)或CMHSL(Center High-Mount Stop Lamps),大部份新出厂汽车及大型交通工具已开始使用LED当作方向指示灯及第三煞车辨识灯。    

在此趋势发展下,车用LED在2003年的市场规模超过2亿美元,2004年比2003年成长24.2%,市场规模约为2.36亿美元,2005年比2004年成长19.1%,市场规模则超过了3亿美元。    

随著采用LED的新车款逐年扩张,许多专家一致认为往后数年中,仍可望维持二位数的成长率,预估2008年时市场规模将突破4.5亿美元。倘若白光LED汽车头灯若能顺利开发出新的产品及技术,汽车用LED市场规模将持续扩大,各方预测也将提早发生。    

一般来说,汽车头灯属于车外使用的LED种类,其技术特性指标跟手持式等消费设备所使用的白光LED类似,不过,对LED发光角度、色差、亮度、阀值电压、电流等光学、电学性能的一致性和可靠性要求更高。    

目前LED在车外的主要应用在于制动灯、前方转向灯、后方转向灯、左右两侧转向灯、后方雾灯和倒车灯方面,而在头灯还处在研究开发阶段,虽然已有部分先进厂商已有展出样品头灯,但还没有达到商业化批量生产的程度,其主要原因,包括:单个白光LED元件的亮度不足,而头灯所使用的LED尚有易衰减、价格过高等问题存在。  

■白光LED如何因应车上特殊要求?    

长期以来,车上所使用的头灯是以白炽灯卤素头灯氙气头灯(High Inten-sity Discharge headlamps;HID)作为主发光源,并参照汽车灯的光学、电学及形状为主要标准,这些标准也在这2年经由LED厂、汽车厂商及汽车协会大力推广下逐步而缓慢地改变。

曾有汽车厂商电气专家表示,汽车厂其实很乐见「以白光LED光源来代替白炽灯的LED汽车头灯」,不过,在设计上必须要参照传统头灯的发光源标准来设计,但LED光源的基点属于阵列式,因此白光LED头灯而言,则是一项全新的思路。其技术路线必须要应用白光LED光源的单色性,不加滤色片直接选用不同波长的多个高效LED元件设计成分,才能满足汽车头灯具设计及加工的特殊性。


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▲反射型与投射型LED发光源3D模型模拟图。 


对LED元件的主要有3项要求,分别为:LED必须具有高效、大功率、高可靠性(-40℃125℃);另外,就是符合电学、光学参数稳定性、一致性的高要求,譬如,在同一批元件的阀值电压不一致性必须要小于0.1V;最后,则是LED元件在直流电点亮后,其使用寿命必须超过1,000小时,发光强度衰减值要小于20%。    

对于白光LED头灯在配线板及元件加工也有3项特点:一、车上的配线板形状较为不规则,因此,必须要具有良好的导热、导电功能三维阵列结构;二、具有耐高温、耐冲击振动和电流超载等;三、设计有优良恒电流及恒电压等控制电路。  

■白光LED须突破瓶颈 汽车头灯才有前景    

未来汽车头灯开发的开发演进过程中,LED光源必须符合先进汽车照明设计,然而造型、体积与效率为当前主要设计LED头灯的当前之务,如何将此目标做最佳化的设计,将会是未来LED车灯设计上,应再寻求突破的主要工作。    

虽然目前距离白光LED头灯商品化仍有段距离,可是国外车灯大厂仍不断堆出新型之LED头灯雏型,有监于此,诸多传统的车灯厂商莫不加紧脚步,开发白光LED头灯,未来配合高亮度LED陆续推出,才能在最快的时间内掌握LED头灯产品的开发时机。

不过,相较于目前汽车厂所使用的HID或卤素灯,在成本上白光LED价格还是高出许多,而在规范上所要求的法规亮度,必须使用多组的白光LED才能达到亮度需求。


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■LED与传统灯具结合 降低原始汽车改变设计路径    

传统的汽车头前灯的设计方式,是以平滑抛物面所构成的反射效果,再搭配上花纹透明灯壳,将光源集中置于抛物面的焦距,以便形成平行光束,再经过小凸透镜而形成雕塑光源。以目前两大主要汽车头灯应用主流,分为多重反射镜面车灯(Multi-Reflector;MR)与投射式汽车头灯(Projection System)。    

虽然这2种款式的汽车头灯设计方式,都能符合LED的发光原理及设计方式,不过,LED是以面光源形式来产生光源,其发光立体角只是传统光源,不到钨丝灯泡的50%的发光效率,因此,光学设计必须再经过重新改良。    

这是因为头灯必须要在唯一反射镜可以加以运用的情况下,反射镜设计也就相形重要,远比传统头灯设计方式更富有难度及挑战性。因此,如何将反射镜获得最佳化的处理过程,使LED投射灯的模块体积尺寸缩到最小,以符合阵列式LED头灯设计的空间需求。


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▲传统头灯及LED头灯水平发光作用示意图。


这当中最关键便是在于「汽车头灯设计概念」的改变,在光束聚焦的工作不再靠透镜,而是由白光LED的周围反射面来负责。其反射面是轻质塑料表面涂装了非常光亮的铝层,曲面形状光学设计非常复杂,其表面可能是光滑面,或是格状、多面状的组合。    

这也将会是白光LED汽车头灯在设计上技术及照明艺术的重大改变;此后,汽车头灯的形状将不再局限汽车造型设计师在先天上限制,而汽车的近光灯、远光灯、方向灯将可整合成一体的灯组,从汽车头灯到汽车尾灯的造型便能真正成为汽车造型的一部份,可以与车头、车尾的造型平滑无接缝地整合于一身。  

■适路性照明与白光LED头灯未来发展趋势    

适路性汽车头灯照明系统(Adaptive Front-lighting System;AFS)已成为未来智能型白光LED车灯照明发展趋势,目前各国车灯制造厂商也对此照明系统大力投入研究开发。    

在90年代初期,由于以下两大领域的新科技运用,使得车辆前方照明系统得以朝提升驾驶视野,及改进其它用路人视觉舒适及安全两方面进一步发展。其中,以新的白光LED作为主要发光材料,以先进传感器及车用电子与作动器相结合成新兴的照明光源与计算机辅助工具,可使白光LED头灯设计更为贴近汽车产业应用,并提供汽车头灯特殊照明。    

因此,适路性头灯照明系统在发展一段时间后,欧洲法规方面对适路性前方照明系统也订定出了一些原则特性,原则中,提出适路前方照系统包含三大元素,位于车辆右侧及左侧之照明元件、系统控制与供应及操作装置。


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如何依据AFS法规原则加以研究开发,目前雏型白光LED灯包含了三项功能,可视不同路况,包括:一般路面、都市路面、高速路面、湿路路面进行光线调整、失效模式(回复原始设定)与远光灯,其中的光线变化则可是利用白光LED光形叠加的概念,点亮不同的LED单元模块,以达到不同光线的设置,而不是利用传统车灯以驱动马达原理来达到适路性照明的功能。    

在进行阵列式白光LED头灯设计前,只具单一功能白光LED模块设计将必须先行纳入考虑,主要是因为白光LED头灯功能,要求能符合AFS可变光形的分布情况,因此必须由数个不同反射镜模块来加以组合,才能达到此项设计要求。    

另一方面在头灯的反射镜设计基础上,是采用3种光形的反射镜来达成LED头灯的近光灯基本光形设计,另外再加上远光光形的反射镜,使光形分布可依照头灯模块不同需求,再由反射镜加上遮片后排列组合而成。 

   
在分析设计完成最佳化LED投射式单元后,开始进行智能型LED头灯雏型的系统功能设计,依照AFS规范要求,在雏型设计时,就必须以4种不同光形的近光灯光形及1个远光灯光形,其中LED PES模块分为上中下共3排,并以此为模块配对来达成适路性的光线需求。    

根据汽车制造业的习惯来看,传统的车灯设计中是利用几何光学的光路追迹法来设计而成,并不会将物理光学理论中的干涉衍射,及色散对光能量的影响则不纳入考虑,因此头灯白光LED的强度与通过该点的光线数目成正比,且不受光程影响。另外,线光源能量也要达到分布均匀,功率密度也必须与总功率与长度成正比。  

■业界实际应用案例

目前,绝大部分汽车头灯具的厂家,一般只在近光灯上搭配白光LED模块,而远光灯则使用HID灯。此外,与丰田、本田汽车合作的白光LED厂家也展出了汽车白光LED头灯光源,给人留下了白光LED模块正在走向大功率化的印象。在此,撷取Stanley、OSRAM及日本小系等厂商所发表的白光LED头灯目前的设计与产品发展状况。    

在2008年后,白光LED发光效率将超过HID:斯坦利电气(Stanley)推出的汽车头灯是与德国Hella联合开发的。该头灯样品是将4个大型LED芯片封装成一个大功率白光LED模块,在近光灯上配备5个这种模块、远光灯上配备2个。    

近光灯点亮时的光束总计为700lm,据该公司公布数据表示,在未来必须确保白光LED能达到HID刚上市时的亮度,每个白光LED模块发出140lm左右的光束。在实验后的样品消耗的电力与同等亮度的HID灯相比,初步评估为HID的1.4至1.6倍。    

白光LED的发光效率的提高,虽然在过去一段时间白光LED的发光效率出现迟缓的发展,但在此之后又有了令人期待的发展。Stanley内部人员更大胆预言,到了2008年前后,白光LED头灯将会与HID灯的发光效率并驾齐驱。    

适路性白光LED设计:日本小系(Koito)制作所推出的汽车头灯配备有11个白光LED模块,包括,近光灯6个、在远光灯时则另加5个。据该厂商表示,在近光灯点亮时的光束可达到800lm至1000lm;另外,也可根据行驶状态,对近光灯用的白光LED模块点亮进行控制。    

比方说,在高速驾驶行为中(超过100公里),头灯中央部分的5个点亮,便能使头灯所投射的光束降低其照射范围,使光线具有远射的照明效果。另一方面,若在市区行驶时,中央部分的上边3个与中央部两侧配备的1个近光灯用白光LED模块点亮,扩大汽车头灯光线照射角度。    

因此,使这项智能型的头灯设计兼具AFS功能,可使行驶在弯道时灯光的投射角度会随著汽车转向方向进行判断照明范围,也在头灯中央部位设计具有活动性。    

白光LED光源系统的能量转换效率为65%:欧司朗(Osram)也推出名为「OSTAR」的白光LED汽车头灯模块;其架构是将4个1mm大型LED芯片,并将其整合封装后,使每个模块的光束高达300lm。    

另外,OSRAM也使用OSTAR研发出驱动白光LED模块的电源IC在内的光源系统,只要经由该系统通上电后,便具有65%的光能转换效率,而在散热方面,也在LED的光源背面搭配上散热片,借以提高光源冷却效率。






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