LED汽車頭燈的設計要點

ＬＥＤ在頭燈的設計
開始著手設計頭燈之前，應先考慮法規(guī)上的相關(guān)規(guī)定，包括光型亮度，環(huán)境測試，亮度衰減等需求，進一步考慮相關(guān)光學設計，機構(gòu)設計，耐熱設計與電控設計等細節(jié)，對于ＬＥＤ而言，光學設計的考慮除了反射罩設計之外，尚需考慮ＬＥＤ本身的出光光型，不同的封裝型態(tài)將產(chǎn)生不同的光型輸出，進一步將影響反射罩或成像透競的要求，與傳統(tǒng)頭燈設計需考慮不同燈泡（Ｈ１、Ｈ４、Ｈ７、Ｈ１１等）類似。在傳統(tǒng)的頭燈設計上，燈泡本身的光子釋放來自加熱鎢燈絲，不會因自身發(fā)出的熱或來自引擎室的高溫而影響亮度輸出，散熱重點落在整個頭燈腔體的均溫設計而非燈泡的散熱，但在頭燈材料的選擇上則需考慮是否可承受來自燈泡的高溫（頭燈腔體約承受１００℃的溫度，霧燈腔內(nèi)溫度可高至３００℃），所以在此選用的材料一般都以耐熱材為主；然而對于ＬＥＤ而言，其光子釋放來自于ＰＮ接口的能階跳動，與溫度呈現(xiàn)負相關(guān)，溫度越高則光源輸出越弱，因此散熱成為ＬＥＤ作為光源設計的重要課題。

光學設計時先考慮法規(guī)需求，討論視角與強度關(guān)系，以近燈為例須針對其特殊的１５度揚角設計，如圖５所示。在傳統(tǒng)的燈具設計上由先期的利用反射罩配合透鏡刻紋作角度與強度的控制，演變成為利用反射罩直接控制強度角度，也發(fā)展出利用成像方式的魚眼透鏡設計法。不論何種的設計方式都須先考慮選用光源的特性，特別是角度與強度的光型輸出（Ｂｅａｍ　ｐａｔｔｅｒｎ），對傳統(tǒng)的光源而言，大多為柱狀光源，可產(chǎn)生類似蝴蝶外型的光型輸出，進而發(fā)展出來與之搭配的透鏡、反射罩、擋板、透鏡等光學組件。而利用ＬＥＤ作為光源設計燈具時，需重新考慮其光學特性由傳統(tǒng)的柱狀光源變?yōu)槠矫婀庠矗ú煌姆庋b設計有不同的光型輸出），進而搭配外部的光學組件而產(chǎn)生不同組合以應用于不同產(chǎn)品，依照德國車燈大廠ＨＥＬＬＡ的設計分類，可將光源分為八大類，如圖６　所示。ＬＥＤ目前的單位面積發(fā)光量尚不及鹵素燈泡與放電式燈泡，想得到相同的流明輸出，ＬＥＤ需要較大的封裝面積。隨著光源輸出面積的增加，光學設計的難度也隨之提升，所以在現(xiàn)有的概念車上，都以模塊化光學設計取代既有的單一燈室設計，利用多組燈源達到傳統(tǒng)燈具的照明水平，除了降低光學設計的難度，也增加車體造型的設計感。

散熱設計是ＬＥＤ光源區(qū)別于傳統(tǒng)光源的課題之一。傳統(tǒng)燈具產(chǎn)生的熱遠高于ＬＥＤ，但傳統(tǒng)燈具不會因為高溫而降低其光源輸出能力，但ＬＥＤ的光輸出卻會隨著本身接口（Ｊｕｎｃｔｉｏｎ，　ＰＮ接口）溫度的升高而下降，如圖８所示。而其產(chǎn)生的熱如何散除到外界環(huán)境與其封裝結(jié)構(gòu)材料息息相關(guān)，牽涉到使用的散熱材料與相關(guān)外型，關(guān)系如圖９所示，其中熱阻的概念，代表輸入Ｗ功率時，需要提高多少Ｋ溫度才足以散熱。以現(xiàn)有的封裝技術(shù)最高可允許ＬＥＤ操作在１８５℃（Ｌｕｍｉｌｅｄ?。耍玻话阋驗榉庋b膠材的關(guān)系，可允許的操作溫度約在１２５℃，除了考慮光源輸出效率之外，亦考慮封裝膠材的變質(zhì)（樹脂類材料在高溫有老化現(xiàn)象）。

引擎室的溫度在燈具附近最高可到８５℃，配合Ｌｕｍｉｌｅｄ?。耍部捎校保埃啊娴纳峥臻g，但若配合一般的ＬＥＤ則只有４０℃的散熱空間，觀察相關(guān)熱阻，Ｒ＿Ｊｕｎｃｔｉｏｎ－Ｓｌｕｇ、Ｒ＿Ｓｌｕｇ－Ｂｏａｒｄ都決定于封裝體，對設計者而言只能針對Ｒ＿Ｂｏａｒｄ－Ａｍｂｉｅｎｔ努力，其中包括如何將封裝體固定于散熱基板上（接著質(zhì)量）、散熱結(jié)構(gòu)