白光LED頭燈技術發(fā)展與目前研究現(xiàn)況

1、白光LED頭燈技術發(fā)展與目前研究現(xiàn)況編者按：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(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，汽車市場導入白光LED頭燈的過程將會持續(xù)延宕下去。

2、細數(shù)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，借以吸引消費者。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(tǒng)白熾燈、鹵素燈等照明設備無法相比擬的競爭優(yōu)勢。汽車頭燈燈必須要要興起才才能帶動動車用LLED產(chǎn)產(chǎn)業(yè)過過去100年中，高高亮度的的LEDD陸續(xù)被被應用在在汽車、卡卡車及大大型游覽覽車的內(nèi)內(nèi)外車燈燈等領域域。根據(jù)據(jù)Eyeesplly JJapaan市場場調(diào)查指指出，在在20004年大

3、大約有330的的新車款款以LEED作為為車尾燈燈（reear taiil llampp）或CCMHSSL（CCentter Higgh-MMounnt SStopp Laampss），大大部份新新出廠汽汽車及大大型交通通工具已已開始使使用LEED當作作方向指指示燈及及第三煞煞車辨識識燈。在此趨趨勢發(fā)展展下，車車用LEED在220033年的市市場規(guī)模模超過22億美元元，20004年年比20003年年成長224.22，市市場規(guī)模模約為22.366億美元元，20005年年比20004年年成長119.11，市市場規(guī)模模則超過過了3億億美元。隨著采用LED的新車款逐年擴張，許多專家一致認為往后數(shù)年中，仍

4、可望維持二位數(shù)的成長率，預估2008年時市場規(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，汽車用LED市場規(guī)模將持續(xù)擴大，各方預測也將提早發(fā)生。一般來說，汽車頭燈屬于車外使用的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(fā)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

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（High Inten-sity Discharge headlamps；HID）作為主發(fā)光源，并參照汽車燈的光學、電學及形狀為主要標準，這些標準也在這2年經(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，在設計上必須要參照傳統(tǒng)頭燈的發(fā)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

6、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。反射型與與投射型型LEDD發(fā)光源源3D模模型模擬擬圖。（資資料來源源：財團團法人車車輛研究究中心）對LED元元件的主主要有33項要求求，分別別為：LLED必必須具有有高效、大大功率、高高可靠性性（-4401255）；另另外，就就是符合合電學、光光學參數(shù)數(shù)穩(wěn)定性性、一致致性的高高要求，譬譬如，在在同一批批元件的的閥值電電壓不一一致性必必須要小小于0.1V；最后，則則是LEED元件件在直流流電點亮亮后，其其使用壽壽命必須須超過11,0000小時時，發(fā)光光強度衰衰減值要要小于22

7、0。對于白光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(guī)則，因此，必須要具有良好的導熱、導電功能三維陣列結(jié)構(gòu)；二、具有耐高溫、耐沖擊振動和電流超載等；三、設計有優(yōu)良恒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，有監(jiān)于此，諸多傳統(tǒng)的車燈廠商莫不加緊腳步，開發(fā)白光

8、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或鹵素燈，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與與傳統(tǒng)燈燈具結(jié)合合降低低原始汽汽車改變變設計路路徑傳傳統(tǒng)的汽汽車頭前前燈的設設計方式式，是以以平滑拋拋物面所所構(gòu)成的的反射效效果，再再搭配上上花紋透透明燈殼殼，將光光源集中中置于拋拋物面的的焦距，以以便形成成平行光光束，再再經(jīng)過小小凸透鏡鏡而形成成雕塑光光源。以以目前兩兩大主要要汽車頭頭燈應用用主流，分分為多重重反射鏡鏡面車燈燈（Muultii-R

9、eefleectoor；MMR）與與投射式式汽車頭頭燈（PProjjecttionn Syysteem）。雖然這2種款式的汽車頭燈設計方式，都能符合LED的發(fā)光原理及設計方式，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，光學設計必須再經(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，反射鏡設計也就相形重要，遠比傳統(tǒng)頭燈設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投射燈的模塊體積尺寸縮到最小，以符合陣列式LED頭燈設計的空間需求。傳統(tǒng)頭燈燈及LEED頭燈燈水平發(fā)發(fā)光作用用示意圖圖。（資資料來源

10、源：財團團法人車車輛研究究中心）這當中最關關鍵便是是在于汽車頭頭燈設計計概念的改變變，在光光束聚焦焦的工作作不再靠靠透鏡，而而是由白白光LEED的周周圍反射射面來負負責。其其反射面面是輕質(zhì)質(zhì)塑料表表面涂裝裝了非常常光亮的的鋁層，曲曲面形狀狀光學設設計非常常復雜，其其表面可可能是光光滑面，或或是格狀狀、多面面狀的組組合。這也將將會是白白光LEED汽車車頭燈在在設計上上技術及及照明藝藝術的重重大改變變；此后后，汽車車頭燈的的形狀將將不再局局限汽車車造型設設計師在在先天上上限制，而而汽車的的近光燈燈、遠光光燈、方方向燈將將可整合合成一體體的燈組組，從汽汽車頭燈燈到汽車車尾燈的的造型便便能真正正成為汽

11、汽車造型型的一部部份，可可以與車車頭、車車尾的造造型平滑滑無接縫縫地整合合于一身身。適路性性照明與與白光LLED頭頭燈未來來發(fā)展趨趨勢適適路性汽汽車頭燈燈照明系系統(tǒng)（AAdapptivve FFronnt-llighhtinng SSysttem；AFSS）已成成為未來來智能型型白光LLED車車燈照明明發(fā)展趨趨勢，目目前各國國車燈制制造廠商商也對此此照明系系統(tǒng)大力力投入研研究開發(fā)發(fā)。在在90年年代初期期，由于于以下兩兩大領域域的新科科技運用用，使得得車輛前前方照明明系統(tǒng)得得以朝提提升駕駛駛視野，及及改進其其它用路路人視覺覺舒適及及安全兩兩方面進進一步發(fā)發(fā)展。其其中，以以新的白白光LEED作為為

12、主要發(fā)發(fā)光材料料，以先先進傳感感器及車車用電子子與作動動器相結(jié)結(jié)合成新新興的照照明光源源與計算算機輔助助工具，可可使白光光LEDD頭燈設設計更為為貼近汽汽車產(chǎn)業(yè)業(yè)應用，并并提供汽汽車頭燈燈特殊照照明。因此，適適路性頭頭燈照明明系統(tǒng)在在發(fā)展一一段時間間后，歐歐洲法規(guī)規(guī)方面對對適路性性前方照照明系統(tǒng)統(tǒng)也訂定定出了一一些原則則特性，原原則中，提提出適路路前方照照系統(tǒng)包包含三大大元素，位位于車輛輛右側(cè)及及左側(cè)之之照明元元件、系系統(tǒng)控制制與供應應及操作作裝置。AFS訊訊號傳輸輸基本架架構(gòu)圖。（資資料來源源：財團團法人車車輛研究究中心）如何依據(jù)AAFS法法規(guī)原則則加以研研究開發(fā)發(fā)，目前前雛型白白光LEED

13、燈包包含了三三項功能能，可視視不同路路況，包包括：一一般路面面、都市市路面、高高速路面面、濕路路路面進進行光線線調(diào)整、失失效模式式（回復復原始設設定）與與遠光燈燈，其中中的光線線變化則則可是利利用白光光LEDD光形疊疊加的概概念，點點亮不同同的LEED單元元模塊，以以達到不不同光線線的設置置，而不不是利用用傳統(tǒng)車車燈以驅(qū)驅(qū)動馬達達原理來來達到適適路性照照明的功功能。在進行行陣列式式白光LLED頭頭燈設計計前，只只具單一一功能白白光LEED模塊塊設計將將必須先先行納入入考慮，主主要是因因為白光光LEDD頭燈功功能，要要求能符符合AFFS可變變光形的的分布情情況，因因此必須須由數(shù)個個不同反反射鏡模

14、模塊來加加以組合合，才能能達到此此項設計計要求。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塊不同需求，再由反射鏡加上遮片后排列組合而成。在分析設計完成最佳化LED投射式單元后，開始進行智能型LED頭燈雛型的系統(tǒng)功能設計，依照AFS規(guī)范要求，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模塊分為上中下共3排，并以此為模塊配對來達成適路性的光線需求。根據(jù)汽車制造業(yè)的習慣來看，傳統(tǒng)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，

15、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模塊，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模塊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頭燈目前的設計與產(chǎn)品發(fā)展狀況。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

16、Hella聯(lián)合開發(fā)的。該頭燈樣品是將4個大型LED芯片封裝成一個大功率白光LED模塊，在近光燈上配備5個這種模塊、遠光燈上配備2個。近光燈點亮時的光束總計為700lm，據(jù)該公司公布數(shù)據(jù)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模塊發(fā)出140lm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)部人員更大膽預言，到了2008年前后，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模塊，包括，近光燈6個、在遠光燈時則另加5個。據(jù)該廠商表示，在近光燈點亮時的光束可達到800lm至1000lm；另外，也可根據(jù)行駛狀態(tài)，對近光燈用的白光LED模塊點亮進行控制。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模塊點亮，擴大汽車頭燈光線照射角度。因此，