白光LED頭燈技術(shù)發(fā)展與目前研究現(xiàn)況

1、白光LED頭燈技術(shù)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(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(guó)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(chǎng)導(dǎo)入白光LED頭燈的過程將會(huì)持續(xù)延宕下去。

2、細(xì)數(shù)當(dāng)前國(guó)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，借以吸引消費(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(zhǎng)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)。汽車頭燈燈必須要要興起才才能帶動(dòng)動(dòng)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(yīng)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(lǐng)域域。根據(jù)據(jù)Eyeesplly JJapaan市場(chǎng)場(chǎng)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(dāng)作作方向指指示燈及及第三煞煞車辨識(shí)識(shí)燈。在此趨趨勢(shì)發(fā)展展下，車車用LEED在220033年的市市場(chǎng)規(guī)模模超過22億美元元，20004年年比20003年年成長(zhǎng)224.22，市市場(chǎng)規(guī)模模約為22.366億美元元，20005年年比20004年年成長(zhǎng)119.11，市市場(chǎng)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(kuò)張，許多專家一致認(rèn)為往后數(shù)年中，仍

4、可望維持二位數(shù)的成長(zhǎng)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，汽車頭燈屬于車外使用的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)用在于制動(dòng)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(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

5、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(zhǎng)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(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)屬于陣列式，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

6、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(zhǎng)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(cái)團(tuán)團(tuán)法人車車輛研究究中心）對(duì)LED元元件的主主要有33項(xiàng)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(xué)、光光學(xué)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(diǎn)亮亮后，其其使用壽壽命必須須超過11,0000小時(shí)時(shí)，發(fā)光光強(qiáng)度衰衰減值要要小于22

7、0。對(duì)于白光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、耐沖擊振動(dòng)和電流超載等；三、設(shè)計(jì)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(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(guó)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(shí)間內(nèi)掌握LED頭燈產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)機(jī)。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(jià)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(dá)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?cè)O(shè)計(jì)路路徑傳傳統(tǒng)的汽汽車頭前前燈的設(shè)設(shè)計(jì)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(yīng)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(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投射燈的模塊體積尺寸縮到最小，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(cái)團(tuán)團(tuán)法人車車輛研究究中心）這當(dāng)中最關(guān)關(guān)鍵便是是在于汽車頭頭燈設(shè)計(jì)計(jì)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(fù)負(fù)責(zé)。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(xué)設(shè)設(shè)計(jì)非常常復(fù)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(huì)是白白光LEED汽車車頭燈在在設(shè)計(jì)上上技術(shù)及及照明藝藝術(shù)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(shè)設(shè)計(jì)師在在先天上上限制，而而汽車的的近光燈燈、遠(yuǎn)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(shì)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(shì)，目目前各國(guó)國(guó)車燈制制造廠商商也對(duì)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(lǐng)域域的新科科技運(yùn)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(jìn)其其它用路路人視覺覺舒適及及安全兩兩方面進(jìn)進(jìn)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(jìn)傳感感器及車車用電子子與作動(dòng)動(dòng)器相結(jié)結(jié)合成新新興的照照明光源源與計(jì)算算機(jī)輔助助工具，可可使白光光LEDD頭燈設(shè)設(shè)計(jì)更為為貼近汽汽車產(chǎn)業(yè)業(yè)應(yīng)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(shí)間間后，歐歐洲法規(guī)規(guī)方面對(duì)對(duì)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(yīng)應(yīng)及操作作裝置。AFS訊訊號(hào)傳輸輸基本架架構(gòu)圖。（資資料來源源：財(cái)團(tuán)團(tuán)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(xiàng)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(jìn)進(jìn)行光線線調(diào)整、失失效模式式（回復(fù)復(fù)原始設(shè)設(shè)定）與與遠(yuǎn)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(diǎn)點(diǎn)亮不同同的LEED單元元模塊，以以達(dá)到不不同光線線的設(shè)置置，而不不是利用用傳統(tǒng)車車燈以驅(qū)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)達(dá)原理來來達(dá)到適適路性照照明的功功能。在進(jìn)行行陣列式式白光LLED頭頭燈設(shè)計(jì)計(jì)前，只只具單一一功能白白光LEED模塊塊設(shè)計(jì)將將必須先先行納入入考慮，主主要是因因?yàn)榘坠夤釲EDD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(gè)個(gè)不同反反射鏡模

14、模塊來加加以組合合，才能能達(dá)到此此項(xiàng)設(shè)計(jì)計(jì)要求。另一方面在頭燈的反射鏡設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，是采用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(shè)計(jì)完成最佳化LED投射式單元后，開始進(jìn)行智能型LED頭燈雛型的系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，依照AFS規(guī)范要求，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模塊分為上中下共3排，并以此為模塊配對(duì)來達(dá)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(jì)中是利用幾何光學(xué)的光路追跡法來設(shè)計(jì)而成，并不會(huì)將物理光學(xué)理論中的干涉衍射，

15、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)到分布均勻，功率密度也必須與總功率與長(zhǎng)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模塊，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(shè)計(jì)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(guó)

16、Hella聯(lián)合開發(fā)的。該頭燈樣品是將4個(gè)大型LED芯片封裝成一個(gè)大功率白光LED模塊，在近光燈上配備5個(gè)這種模塊、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)該公司公布數(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模塊發(fā)出140lm左右的光束。在實(shí)驗(yàn)后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，但在此之后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年前后，白光LED頭燈將會(huì)與HID燈的發(fā)光效率并駕齊驅(qū)。適路性白光LED設(shè)計(jì)：日本小系（Koito）制作所推出的汽車頭燈配備有11個(gè)白光LED模塊，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模塊點(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范圍，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模塊點(diǎn)亮，擴(kuò)大汽車頭燈光線照射角度。因此，