将LED完善地应用在汽车头灯上设计方案

将LED完善地应用在汽车头灯上设计方案

　　如何开始着手LED汽车头灯设计

　　规范要求

　　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，如汽车头灯腔体约承受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。

　　光学设计

　　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。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，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。

　　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。

　　由于LED的输入电能约有90%的转换热能必须排出，这远比传统灯源要来的高上许多;另外，LED晶粒归类于半导体材料，不能耐高温(<120°C)，由晶粒至大气的排热只容许约50°C温差，更是远低于传统灯泡，因此，散热设计是LED光源区别于传统光源的课题之一，再加上灯具不能使用风扇散热，而且灯具产品要能推广到汽车市场普及，还得要进一步考虑到外观造型与灯具的光学设计原理，这将是高功率LED照明设备极为困扰的问题。

　　严格来说，传统所使用的灯具所产生的热源其实远高于LED;不过，传统灯具不会因为高温而降低其光源输出能力，但，LED的光输出却会因为本身接口问题，使LED的发光率受到影响。而其产生的热如何散除到外界环境与其封装结构材料息息相关，牵涉到使用的散热材料与相关外型。其中热阻的概念，代表输入W功率时，需要提高多少K温度才足以散热。以现有的封装技术最高可允许LED操作在185℃(Lumiled K2)，但一般因为封装胶材的关系，可允许的操作温度约在125℃，除了考虑光源输出效率之外，还必须要考虑封装胶材的变质，例如，树脂类材料在作为包覆LED晶体时，若在高温时容易产生的老化现象。

　　目前有厂商发展出以「热力均温超导技术」，可将LED所产生的热源进行聚热分散的效果;也就是说，当LED灯具的温差在正负1度的范围之间，再采用强制散热技术，利用灯具所设计的防尘遮蔽的半开放式空间进行空气换气的动作，也就是可以让空气产生对流，而达到传散热能的效果。而这个发展概念就像人体散热一样，除靠皮肤散热外，也靠第2个空间的肺，以进行呼吸获得强制散热。

　　结论

　　在LED产业中，外延过程中容易导致芯片不均匀的状况发生，而发展出所谓的分类销售的过程，尤其是瓦数较高的芯片，在LED产业中更必须要进行全检才得以出货，再根据LED波长进行下一步的细部分类，虽然在进行封装之后，每颗LED的个体还是会在亮度、色温、可靠度上存有细微的差异。而以LED作为汽车头灯的应用，将会采用多个芯片设计方面，才得以输出足够的发光效率以进行汽车灯具的光学设计。另外，需要关注的是LED的质量检测与质量管控，才能确保LED具有相同质量的灯源输出效果。

　　自从2004年以来，市场上至少已经超过13家以上的汽车厂商在相关车展中，相继展示出LED头灯为市场需求的概念车款。甚至，Lexus汽车更将于2007年，推出一款以LED为头灯的量产汽车，相信以LED汽车上的灯源所遇到的难题，势必会在消费者引颈期盼下，逐渐获得舒缓。而LED先天上就具有体积小的优势，应用于前置灯具时更可缩小整组灯具的体积，进一步让出宝贵的引擎空间与其它相关设备，以现有的卤素灯泡或是放电式灯泡设计的灯具总长约300mm，而在许多概念车的设计上，LED灯具只有125mm长，而藉由体积小的优势，更可以配合设计多款不同的造型，进而为车体造型创造出不同的视觉观感，进而摆脱过去汽车灯具的圆形设计概念。