LED汽车头灯的设计要点

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。

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。

散热设计是ＬＥＤ光源区别于传统光源的课题之一。传统灯具产生的热远高于ＬＥＤ，但传统灯具不会因为高温而降低其光源输出能力，但ＬＥＤ的光输出却会随着本身接口（Ｊｕｎｃｔｉｏｎ，　ＰＮ接口）温度的升高而下降，如图８所示。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，关系如图９所示，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，亦考虑封装胶材的变质（树脂类材料在高温有老化现象）。

引擎室的温度在灯具附近最高可到８５℃，配合Ｌｕｍｉｌｅｄ　Ｋ２可有１００℃的散热空间，但若配合一般的ＬＥＤ则只有４０℃的散热空间，观察相关热阻，Ｒ＿Ｊｕｎｃｔｉｏｎ－Ｓｌｕｇ、Ｒ＿Ｓｌｕｇ－Ｂｏａｒｄ都决定于封装体，对设计者而言只能针对Ｒ＿Ｂｏａｒｄ－Ａｍｂｉｅｎｔ努力，其中包括如何将封装体固定于散热基板上（接着质量）、散热结构