谈汽车头灯的发展趋势

一款汽车畅销与否，车体设计占有很大的比例，而被视为汽车灵魂之窗的头灯，更是展现汽车整体美的关键。随着科技日益月新，一向被视为传统产业的车灯模具业渐渐开始结合光电产业，提供更多的光源选择，同时也加入更多的电子技术，朝向灵活转动的照射方向。陆续面市的智能型车灯产品，造型突破传统的设计理念，而且在夜间创造出有如白昼般的亮度，建构一道坚固的保护层，只不过能见度增强后，需考虑避免造成其它道路使用者的困扰，才能有效提升整体行车安全。

光源的演进──3D崛起

根据德国联邦统计局(Federal Statistics Office)统计资料显示，虽然夜间的车流量比日间减少了约80%，但导致死亡的所有交通事故中，超过40%是发生在夜晚。当大地笼罩在黑暗中，降低视觉器官的敏锐度，而视觉能力却是驾驶者获得交通状况的主要来源，因此提高行车能见度便成为改善交通的有效方式之一。

翻开汽车头灯的发展历史，100年前是利用玻璃罩内的烛火，在夜间警示路人，照明并不是主要考虑。当1880年爱迪生和合作合作伙伴们不眠不休地尝试了1,600种耐热材料，做出第一个白炽灯泡，并于1920年代应用在汽车上，才开始有照明的功能，不过离现今的车灯照明仍有一段距离。60年代卤素灯的问世则是车灯光源一个重要的里程碑，更长的使用寿命及更高的亮度，成为40多年来的车灯主流应用。现代光电业的蓬勃发展，这几年间一场“照明革命”正在风起云涌地发生中，爱迪生伟大的发明逐渐要谢幕下台了，取而代之的是性能更佳的3D车头灯光源。

第一D：突破发光原理的HID

HID (High Intensity Discharge)高压气体放电式头灯，颠覆原本的发光原理，堪称是汽车照明的一次重大革命。卤素灯借助燃烧灯丝来达到发光的效果，而HID则突破钨丝传导技术，在充满氙气(Xenon)的石英内管，透过精密安定器将12 V电力瞬间提高至23,000 V以上，迫使氙气电子与稀有金属元素激化游离，形成一束超强光。

创新的技术明显提高HID灯的性能，亮度是传统卤素灯的3倍，照射度也增加10 m～20 m之远，大约是5辆车的总长度；散发出的光色是最接近正午太阳光的晶钻色白光，也是眼睛视线最能接受的光色；最重要的是，只需35 W的电力，是卤素灯所需55 W～65 W的一半，大幅降低车用电力的负担，达到环保节能的目的。而且由于没有传统钨丝烧融的情形，寿命长达3000小时，几乎是卤素灯10倍。

HID头灯已被国内外车厂广泛采用，新车搭配率如图1，不过价格仍昂贵，原厂选配价每组约美金$800～$1,000。西欧地区是最早推行HID头灯，所以搭载率呈稳定成长的趋势；可彰显个人特色的HID头灯在日本地区颇受欢迎，激励市场快速上扬；北美地区比重偏低，也相对不积极。

图1：HID头灯新车搭载率

原厂配备的HID灯具，在研发阶段便依据HID光源特性，进行车灯整体光分布分析与设计，也考虑到车灯光学系统中光源、透镜及反射体，其设计比较可以顾及安全性与舒适性。在改装市场，仅更换HID灯泡，忽略掉其它光学元件，往往无法有效掌握整体光分布改变情况，容易造成光型散乱、炫光，影响来车驾驶，行车安全也较有疑虑。

第二D：未来照明光源的LED

汽车头灯照明不因表现优异的HID得到满足，下一个发光源是瞄准已出现在汽车尾灯的LED。LED(Light Emitting Diode;发光二极管)是一种通过外加电压激发电子而放射出光(电能光)的光电半导体元件，整个发光现象可分为3个过程：一开始是价电带的电子受外来的能量(顺向偏压)，被激发至导电带，并同时于价电带遗留一个电洞，形成电子－电洞对。然后受激发的电子于导电带中，与其它质点碰撞(散射)，损失部份能量，而接近导电带边缘。一旦导电带边缘的电子于价电带觅得电洞时，电子即从导电带边缘，经由陷阱中心(释放热能)或发光中心(释放光能)，回到价电带与电洞复合，电子－电洞对消失。

图2：LED的结构图

因为LED主要是改变电子电洞结合时的能量带，过剩的能量就会以光的型态释出，产生发光的效果，所以是一种微细的固态光源，不但体积小、寿命长、驱动电压低、反应速率快、防震性特佳，而且能够配合轻、薄和小型化的应用设备的需求，已是日常生活中十分普遍的产品。

相较于HID，LED在点亮时不会排放二氧化碳，耗电量更低，反应速度极快，且寿命长到几乎不需更换，是一具有环保概念的技术。其实，车厂愿意花心思采用LED的主要原因是LED轻薄短小，可以让汽车造型不用局限于传统限制，设计更加多采多姿，所以在车展的各式概念车上都可以看到奇特的车灯造型，完全扫除传统的刻板印象。虽然许多概念车都有推出LED头灯，但离实际运用上仍有段距离，技术问题仍待克服。要达到一般卤素车灯的亮度，以目前LED的发光效率，所需的数量是现在设计在概念车头灯上的好几倍，何况是亮度超过卤素灯3倍的亮度的HID，所需的数量更多。

除此之外，对LED车灯还要求电学、光学参数稳定性、一致性要高，如同一批零元件的电压不一致性应小于0.1V，单色性好，色差小于5nm；还有LED元件经1,000小时(于直流环境下工作)点亮，其发光强度衰减应小于20%。LED配线板元器件加工要注意到是配线板形状奇特，良好的导热、导电功能三维数组结构；耐高温，耐冲击振动和电流过载等；以及优良的恒流(或恒压)控制电路等。由于北欧国家规定驾驶者在白天需开大灯的交通政策而研发的昼行灯(Daytime Running Light，DRL)已开始采用LED，这套车灯系统有效减少交通事故，预料欧盟将会跟进。

第三D：让光源表现更佳Distributive Lighting

光纤照明（Distributive Lighting）是另一个令人期待的先进头灯照明技术。由集光器、光纤组及末端投射装置所组成头灯，如图3，一个HID光源便可连接多处发光点，由光纤导引至所需照射的方向，不带热量也不带电，每个灯不再需要灯泡及反射镜，腾出更大的空间自由度，让设计师可尽情挥洒创意。第一次应用是灯光大厂飞利浦与日产汽车在1999年度巴黎车展中所使用于Nissan KYXX概念车上，正式应用在量产车估计需再等待10 年。

图3：光纤照明应用在车头灯的结构图

智能化头灯系统

不断精进的光源技术提升头灯在静态的表现，迈入电子化的时代，将头灯的发展推向动态表现，可依据环境变化而调整投射角度的智慧化头灯带给人们更安全的整体行车环境。

自动水平调整系统(Dynamic Leveling System)

随着车灯愈来愈亮，提升夜间能见度的同时，如何避免强光投射到对向车道，造成来车驾驶者产生视觉的光影残留，失去对路况应有的辨识能力而身处于险境，所以能有效的改善汽车照明的范围与角度，才是提高夜间行车安全的重要课题。

图4：自动头灯水平调整功能

除了依据方向盘的转向角去作头灯的左右方向调整，减少夜间行车的视觉死角之外，还需注意到上下水平，因为车体容易受到载重不平均或者是道路起伏变化，造成车身产生倾斜角度，连带影响到头灯所投射的角度。当头灯投射角度过高，容易使来车驾驶人产生炫光问题，当投射角度过低，本身驾驶的视线则会不足，过或者不及都会将自已或他人暴露于危险，所以水平(俯仰角)控制是必需的，以维持照明角度的稳定。头灯水平控制从早期的被动式手动调整、半主动式到目前的自动式，半主动式是在汽车发动时调整一次，自动式则是做到刹车时也能做实时调整。

自动水平调整系统依据原厂设定的基础角度，透过轮轴高度差传感器侦测车身的荷重情形，计算出光线投射角度的偏移量，往上或往下调整HID灯组，维持适当的照射角度。进阶的自动水平调整系统，投射角度还会随着车速的快慢做调整。高速行驶时，将光束照得较远，以便实时看清较远距离的路况；慢速行驶时，灯光角度往下修正，避免照射对向车道，如图4所示。

适应性转向头灯系统

(Adaptive Frontlight System，AFS)

道路并非平直不变，在2002年德国Benz与国际灯具大厂Hella合作，以自动水平调整系统为基础，推出适应式转向头灯系统，将灯光能正确照射在前面即将通过的弯路上。参考方向盘与车速传感器传来的动态行车信息，电子控制单元(ECU)驱动控制头灯转向的电动马达，调整光线与方向盘转向相同的照射方向，达到灯随路转的境界，协助驾驶者看清行驶路径与状况，如图5所示。

图5：适应性头灯模块结构与照明表现

配备传统车灯的车辆在通过一个半径190 m的弯道时，能见度约前方30 m，若是拥有适应性转向头灯系统，照射角度可左右移动15度，范围可再延伸25 m左右，提高至55 m～60 m的照明距离，改善90%的曲线照明，大大增加了安全性及对路况的掌握能力。另外，AFS也会参考车速的变化跟随调整：高速行驶时，头灯投射的角度也几乎与车轮转动的角度相同；稳定速度行驶时，减慢头灯转动的运作速度，使驾驶人可以适应其光线投射角度的变化。

主动式转向头灯系统

(Full Adaptive Frontlight System)

适应性头灯综合运算车速、方向盘转向角度、车身侧倾程度……已发生的参数来做为调整灯源方向的依据，因此严格来说只能算是被动地接受驾驶者需求来调整照明角度，与主动式转向头灯仍有些许差异。

图6：主动性转向头灯系统运作流程

预计于2008年推出的主动式转向头灯系统，接收更多信息之后再来判断适当的头灯投射亮度与角度，达到所谓的主动安全的境界。除了既有的轮轴高度差传感器、方向盘转向传感器和车速传感器外，另外再加上从GPS、影像传感器和雨刷传感器传送的信息，电子控制单元可提早下命令至传动机构，调整灯光角度与光型，如图6所示。电子控制单元根据GPS所提供的地形信息，预先判断将行驶的弯道，先行改变车灯照射角度；雨刷传感器可将气候状况列为参数，适时因应环境变化调整灯光亮度；而影像传感器分析前方路面状况和前车距离，进一步精准调校头灯角度与亮度，提升整体行车安全。

图7：头灯演进史

结语

近几年在光电与电子产业的加持下，汽车头灯从光源的演化，进一步达到系统间的整合。综观图7的头灯演进史，可预见照明功能将会更强，头灯系统也更智能化、更环保，而且突破光源体积的限制，汽车整体外型将更具设计感。

表1：车灯采用LED比例

表2：光源比较

体积更小、更具环保概念、流明输出更高的光源将是未来汽车照明的主流，不过市场领导者目前皆是国际大厂(见表1)。飞利浦制造的HID在现今新车搭载率最高的欧洲与日本地区便分别占有70％～90％以上的市场。随着车辆使用LED的数量增加，以目前的技术，一辆车约需300颗，待技术更为成熟后，更可增加其它应用，像是头灯或是不可见光方面等；加上现阶段利用LED做为车灯光源的比例仍然甚低，所以现在正是一个大好机会切入，与产业共同起飞。尤其是车灯更是值得开发，因为单单一边车灯，LED使用数量至少50颗左右，两边就有可能超过100颗；所以如果厂商能积极朝LED车头灯迈进，研发出符合车厂需求的产品，抢攻车前照明的市场，长期发展可期。