照亮前方—LED汽车头灯的设计要点

　　不同的应用层面，其总亮度需求也随之不同，以内部照明而言大约需要80流明的亮度，一般选用表面黏着型(SMT)的封装，单体封装约2流明输出，效率可达15~20lm/W。以第三刹车灯而言大约需要30lm的亮度，一般选用炮弹型的封装结构(φ=5mm)，单体封装亮度约4流明，效率可达20~40lm/W。

　　而尾灯组对于亮度需求约300~500lm，一般选用1W的SMT封装结构，单体封装亮度约10~20lm，效率可达15~40lm/W。以上都是已经应用于车体的光源，而目前LED厂与车厂正积极合作，试着将LED导入前照系统(头灯、雾灯)中，其中车厂对于头灯的亮度需求约2000流明的白光，LED厂目前则应用高瓦数的SMT LED封装架构，每单体封装可输出100~200lm，效率预期提高至50~100lm/W。

　　目前使用于车上的灯源可区分为白炽灯泡、卤素灯泡、气体放电式灯泡与LED光源，其比较如图4所示。

　　LED在头灯的设计

　　开始着手设计头灯之前，应先考虑法规上的相关规定，包括光型亮度，环境测试，亮度衰减等需求，进一步考虑相关光学设计，机构设计，耐热设计与电控设计等细节，对于LED而言，光学设计的考虑除了反射罩设计之外，尚需考虑LED本身

的出光光型，不同的封装型态将产生不同的光型输出，进一步将影响反射罩或成像透竞的要求，与传统头灯设计需考虑不同灯泡(H1、H4、H7、H11等)类似。在传统的头灯设计上，灯泡本身的光子释放来自加热钨灯丝，不会因自身发出的热或来自引擎室的高温而影响亮度输出，散热重点落在整个头灯腔体的均温设计而非灯泡的散热，但在头灯材料的选择上则需考虑是否可承受来自灯泡的高温(头灯腔体约承受100℃的温度，雾灯腔内温度可高至300℃)，所以在此选用的材料一般都以耐热材为主；然而对于LED而言，其光子释放来自于PN接口的能阶跳动，与温度呈现负相关，温度越高则光源输出越弱，因此散热成为LED作为光源设计的重要课题。

图5 欧盟法规中的近光灯光型

　　光学设计时先考虑法规需求，讨论视角与强度关系，以近灯为例须针对其特殊的15度扬角设计，如图5所示。在传统的灯具设计上由先期的利用反射罩配合透镜刻纹作角度与强度的控制，演变成为利用反射罩直接控制强度角度，也发展出利用成像方式的鱼眼透镜设计法。不论何种的设计方式都须先考虑选用光源的特性，特别是角度与强度的光型输出(Beam pattern)，对传统的光源而言，大多为柱状光源，可产生类似蝴蝶外型的光型输出，进而发展出来与之搭配的透镜、反射罩、挡板、透镜等光学组件。而利用LED作为光源设计灯具时，需重新考虑其光学特性由传统的柱状光源变为平面光源(不同的封装设计有不同的光型输出)，进而搭配外部的光学组件而产生不同组合以应用于不同产品，依照德国车灯大厂HELLA的设计分类，可将光源分为八大类，如图6 所示。LED目前的单位面积发光量尚不及卤素灯泡与放电式灯泡，想得到相同的流明输出，LED需要较大的封装面积。随着光源输出面积的增加，光学设计的难度也随之提升，所以在现有的概念车上，都以模块化光学设计取代既有的单一灯室设计，利用多组灯源达到传统灯具的照明水平，除了降低光学设计的难度，也增加车体造型的设计感。

图6 头灯设计相关技术

资料来源：Hella