汽車外燈從1988年開始配備LED作為高位剎車燈，之后推廣到剎車燈或尾燈、轉(zhuǎn)向燈，初期階段以指示燈為中心擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。而白色LED是于1995年投入實用的，因作為車頭燈的光源需要同時具備高通量和高亮度，最初以為白色LED在車頭燈中配備需要花費一段時間。然而，隨著LED的大電流化、芯片擴(kuò)大等技術(shù)革新的快速推進(jìn)，在2007年出現(xiàn)了以白色LED為光源的前照燈。白色LED的形狀、發(fā)光分布等與傳統(tǒng)的燈泡光源完全不同，而且具有光線中不含紅外線等許多特點。本文將以光學(xué)系統(tǒng)為核心，簡要介紹這些特點，以及利用這些特點的LED車頭燈。

車頭燈光源的變化及其特點

    ♦ 車頭燈光源的變化

為保證夜間行駛安全，如圖1所示，車頭燈在光源做了改進(jìn)的同時，還提高了性能。

圖1：光源與車頭燈性能的進(jìn)化

過去的鹵素?zé)襞?、HID燈泡等燈泡光源是發(fā)光管中4～5mm長的發(fā)光部（燈絲或電?。┰诟邷叵掳l(fā)光，只需要1個光源，得到的光量就足以形成車頭燈的配光。而另一方面，車頭燈用LED的性能進(jìn)化如圖2所示。雖然在開發(fā)之初，1個芯片的光通量和亮度小于傳統(tǒng)的燈泡光源，但現(xiàn)在已經(jīng)具備了與HID燈泡相同的性能。

圖2：車頭燈用LED及其性能

    ♦ 車頭燈用LED的特點

LED是半導(dǎo)體光源，因此擁有下列與燈泡光源不同的特點。
· 僅向半球方向發(fā)光
· 小型光源
· 光線基本不含紅外線
· 發(fā)光部可在基板上的任意位置設(shè)置
· 點亮速度快，瞬間點亮
· 半導(dǎo)體怕熱，需要散熱器

各種光源的發(fā)光方向與光源尺寸的示例參見圖3。

圖3：光源的發(fā)光方向與大小

車頭燈光學(xué)系統(tǒng)的原理

現(xiàn)在的車頭燈光學(xué)系統(tǒng)如圖4所示，廣泛使用2種光學(xué)系統(tǒng)。

圖4：車頭燈光學(xué)系統(tǒng)

拋物線型利用反射器反射光源射出的光線，形成配光圖案。反射器分割成多個區(qū)塊，利用其各個區(qū)塊的形狀控制光線射向上下左右，形成整體配光。投影型顧名思義，是進(jìn)行投影的光學(xué)系統(tǒng)，會在凸透鏡焦點附近形成與配光圖案相似的光分布，并將其擴(kuò)大投影。光分布使用名為“復(fù)合橢圓反射器”的反射鏡形成，形成近光燈的配光，需要在透鏡焦點附近設(shè)置遮光板，以形成減少對面車輛炫光的截止線。投影型因為能夠有效釋放光源的光線，而且體積小，所以得到了廣泛應(yīng)用。

而且，投影型是使用凸透鏡進(jìn)行投影，通過改變焦點附近的光分布和遮光板的形狀，可以形成各種各樣的配光圖案。圖5是在配光可變式遠(yuǎn)光燈ADB（Adaptive Driving Beam）中的應(yīng)用示例。在這個例子中，右側(cè)燈具的配光與左側(cè)燈具的配光圖案各異，合成形成整體配光。可以在不導(dǎo)致前方車輛炫光的情況下，照亮路旁的行人，增加了辨識性。

圖5：ADB的配光

    ♦ LED車頭燈光學(xué)系統(tǒng)

LED車頭燈以前面介紹的車頭燈光學(xué)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，利用LED的特點提高效率，實現(xiàn)了新的外觀設(shè)計和高功能化等。

    ♦ 利用LED的光分布提高光學(xué)系統(tǒng)的效率

通常的投影型車頭燈采用燈泡光源，為了形成截止線，會使用遮光板屏蔽光線。之所以使用這樣的光學(xué)系統(tǒng)，是因為燈泡光源向360度全方位發(fā)光而造成的限制。LED只向半球方向發(fā)光，如圖6所示，沒有采用遮光板屏蔽光線，而是嵌入了能夠有效利用光線的反射鏡“光束整形器”。

圖6：燈泡光源與LED的光學(xué)系統(tǒng)

    ♦ 小型光源成就新的外觀設(shè)計

LED與燈泡光源相比，在光線射出的方向沒有發(fā)光管、燈座等結(jié)構(gòu)物，光學(xué)系統(tǒng)也可以實現(xiàn)小型化。因此在燈具內(nèi)可以集成多個光學(xué)系統(tǒng)，2007年發(fā)布的世界第一款LED車頭燈由3個小型投影單元組成，實現(xiàn)了有別于傳統(tǒng)車頭燈、令人震撼的新外觀設(shè)計。而且，這款車頭燈使多個光學(xué)單元分別具備聚光、擴(kuò)散等配光功能，通過合成的方式，形成了圖7的整體配光。通過為各個配光功能分別采用最佳光學(xué)設(shè)計，可以實現(xiàn)良好的辨識性。這款車頭燈使大擴(kuò)散單元的光軸朝向車輛外側(cè)，實現(xiàn)了過去無法企及的橫向大范圍擴(kuò)散。

圖7：由4個單元構(gòu)成的LED車頭燈

在LED性能提高的同時，光學(xué)單元也繼續(xù)進(jìn)化，2014年，圖8中L字形的近光燈設(shè)計成為了現(xiàn)實。這種光學(xué)系統(tǒng)利用2個反射鏡，有效利用了傳統(tǒng)投影型光學(xué)系統(tǒng)無法利用的光線。能夠在燈具內(nèi)配置如此復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，依靠的是LED的小型化。

圖8：采用L形設(shè)計的LED車頭燈

熱環(huán)境差異推動進(jìn)化

    ♦ 光學(xué)系統(tǒng)材料的變化

與傳統(tǒng)的鹵素?zé)襞?、放電燈光源相比，LED的光源溫度低，光線中不含紅外線，因此，光學(xué)部件可以采用耐熱溫度較低的材料。具有代表性的是投影型凸透鏡。LED過去采用玻璃制造，而LED車頭燈可以選用樹脂材料，在實現(xiàn)輕量化的同時，大幅提高了外觀設(shè)計的自由度。

車頭燈不僅是保證夜間視野的安全部件，也是決定汽車設(shè)計的一個重要要素。通過采用樹脂透鏡，可以按照汽車設(shè)計師的要求，實現(xiàn)五花八門的外觀設(shè)計。

在過去，車頭燈基本都是圖9（a）中的圓形，而現(xiàn)在可以制作圖9（b）中的方形等異形透鏡，對于改變汽車車燈的外形、印象作出了不小的貢獻(xiàn)。

圖9：使用異形透鏡的車頭燈

像圖10一樣，在LED旁邊配置光學(xué)部件的光學(xué)系統(tǒng)也是研究的對象，考慮到成本，這種形狀很難用玻璃材料制作，可以說是一種只有用樹脂才能實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)。

圖10：在LED旁設(shè)置導(dǎo)光體的光學(xué)系統(tǒng)示例

來源：日經(jīng)技術(shù)在線

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