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白光LED頭燈技術發展與目前研究現況

高亮度LED技術與應用趨勢(5)
（羅清岳／DigiTimes.com） 2006/07/10


細數當前國際汽車廠商，例如：BMW、Mercedes-Benz、Audi、Lexus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稱為第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、卡車及大型遊覽車的內外車燈等領域。根據Eyesply Japan市場調查指出，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。

　隨著採用LED的新車款逐年擴張，許多專家一致認為往後數年中，仍可望維持二位數的成長率，預估2008年時市場規模將突破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，汽車頭燈屬於車外使用的LED種類，其技術特性指標跟手持式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、閥值電壓、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於制動燈、前方轉向燈、後方轉向燈、左右兩側轉向燈、後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（High Inten-sity Discharge headlamps；HID）作為主發光源，並參照汽車燈的光學、電學及形狀為主要標準，這些標準也在這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光源的基點屬於陣列式，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模型模擬圖。（資料來源：財團法人車輛研究中心）



　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元件在直流電點亮後，其使用壽命必須超過1,000小時，發光強度衰減值要小於20％。

　對於白光LED頭燈在配線板及元件加工也有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、耐衝擊振動和電流超載等；三、設計有優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堆出新型之LED頭燈雛型，有鑑於此，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，相較於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，而在規範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，將光源集中置於拋物面的焦距，以便形成平行光束，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，以符合陣列式LED頭燈設計的空間需求。



▲傳統頭燈及LED頭燈水平發光作用示意圖。（資料來源：財團法人車輛研究中心）



　這當中最關鍵便是在於「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塗裝了非常光亮的鋁層，曲面形狀光學設計非常複雜，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；此後，汽車頭燈的形狀將不再侷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於一身。

■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統（Adaptive Front-lighting System；AFS）已成為未來智慧型白光LED車燈照明發展趨勢，目前各國車燈製造廠商也對此照明系統大力投入研究開發。

　在90年代初期，由於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昇駕駛視野，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，並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後，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，提出適路前方照系統包含三大元素，位於車輛右側及左側之照明元件、系統控制與供應及操作裝置。



▲AFS訊號傳輸基本架構圖。（資料來源：財團法人車輛研究中心）



　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、溼路路面進行光線調整、失效模式（回復原始設定）與遠光燈，其中的光線變化則可是利用白光LED光形疊加的概念，點亮不同的LED單元模組，以達到不同光線的設置，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可變光形的分佈情況，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，是採用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。

　在分析設計完成最佳化LED投射式單元後，開始進行智慧型LED頭燈雛型的系統功能設計，依照AFS規範要求，在雛型設計時，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，並以此為模組配對來達成適路性的光線需求。

　根據汽車製造業的習慣來看，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，並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佈均勻，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表的白光LED頭燈目前的設計與產品發展狀況。

　在2008年後，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700lm，據該公司公佈數據表示，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140lm左右的光束。在實驗後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，但在此之後又有了令人期待的發展。Stanley內部人員更大膽預言，到了2008年前後，白光LED頭燈將會與HID燈的發光效率並駕齊驅。

　適路性白光LED設計：日本小系（Koito）製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800lm至1000lm；另外，也可根據行駛狀態，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範圍，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向進行判斷照明範圍，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）也推出名為「OSTAR」的白光LED汽車頭燈模組；其架構是將4個1mm大型LED晶片，並將其整合封裝後，使每個模組的光束高達300lm。

　另外，OSRAM也使用OSTAR研發出驅動白光LED模組的電源IC在內的光源系統，只要經由該系統通上電後，便具有65％的光能轉換效率，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，也在實用化方面注入不少研發心血，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年之後才能允許使用白光LED作為汽車頭燈的主光源，倘若法規修訂尚未通過，汽車市場導入白光LED頭燈的過程將會持續延宕下去。

posted by C.H. Chen @ 11:15 PM