白光LED头灯技术发展与目前现况

1白光LED头灯技术开展与目前研究现况编者按：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，倘假设法规修订尚未通过，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较的竞争优势。■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EyesplyJapan市场调查指出，在2004年大约有30％的新车款以LED作为车尾灯〔reartaillamp〕或CMHSL〔CenterHigh-MountStopLamps〕，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。

在此趋势开展下，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％，市场规模那么超过了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2021年时市场规模将突破4.5亿美元。倘假设白光LED汽车头灯假设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、前方转向灯、左右两侧转向灯、前方雾灯和倒车灯方面，而在头灯还处在研究开发阶段，虽然已有局部先进厂商已有展出样品头灯，但还没有到达商业化批量生产的程度，其主要原因，包括：单个白光LED元件的亮度缺乏，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、卤素头灯或氙气头灯〔HighInten-sityDischargeheadlamps；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，那么是一项全新的思路。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。

▲反射型与投射型LED发光源3D模型模拟图。〔资料来源：财团法人车辆研究中心〕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，那么是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那么，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，如何将此目标做最正确化的设计，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，在本钱上白光LED价格还是高出许多，而在标准上所要求的法规亮度，必须使用多组的白光LED才能到达亮度需求。

■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〔ProjectionSystem〕。

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进。

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正确化的处理过程，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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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，才能到达此项设计要求。

另一方面在头灯的反射镜设计根底上，是采用3种光形的反射镜来达成LED头灯的近光灯根本光形设计，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。

在分析设计完成最正确化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标准要求，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LEDPES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。

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