车头灯光学系统：通过LED化实现大幅进步

汽车外灯从1988年开始配备LED作为高位刹车灯，之后推广到刹车灯或尾灯、转向灯，初期阶段以指示灯为中心扩大了应用范围。而白色LED是于1995年投入实用的，因作为车头灯的光源需要同时具备高通量和高亮度，最初以为白色LED在车头灯中配备需要花费一段时间。然而，随着LED的大电流化、芯片扩大等技术革新的快速推进，在2007年出现了以白色LED为光源的前照灯。白色LED的形状、发光分布等与传统的灯泡光源完全不同，而且具有光线中不含红外线等许多特点。本文将以光学系统为核心，简要介绍这些特点，以及利用这些特点的LED车头灯。

车头灯光源的变化及其特点

    ♦ 车头灯光源的变化

为保证夜间行驶安全，如图1所示，车头灯在光源做了改进的同时，还提高了性能。

图1：光源与车头灯性能的进化

过去的卤素灯泡、HID灯泡等灯泡光源是发光管中4～5mm长的发光部（灯丝或电弧）在高温下发光，只需要1个光源，得到的光量就足以形成车头灯的配光。而另一方面，车头灯用LED的性能进化如图2所示。虽然在开发之初，1个芯片的光通量和亮度小于传统的灯泡光源，但现在已经具备了与HID灯泡相同的性能。

图2：车头灯用LED及其性能

    ♦ 车头灯用LED的特点

LED是半导体光源，因此拥有下列与灯泡光源不同的特点。
· 仅向半球方向发光
· 小型光源
· 光线基本不含红外线
· 发光部可在基板上的任意位置设置
· 点亮速度快，瞬间点亮
· 半导体怕热，需要散热器

各种光源的发光方向与光源尺寸的示例参见图3。

图3：光源的发光方向与大小

车头灯光学系统的原理

现在的车头灯光学系统如图4所示，广泛使用2种光学系统。

图4：车头灯光学系统

抛物线型利用反射器反射光源射出的光线，形成配光图案。反射器分割成多个区块，利用其各个区块的形状控制光线射向上下左右，形成整体配光。投影型顾名思义，是进行投影的光学系统，会在凸透镜焦点附近形成与配光图案相似的光分布，并将其扩大投影。光分布使用名为“复合椭圆反射器”的反射镜形成，形成近光灯的配光，需要在透镜焦点附近设置遮光板，以形成减少对面车辆炫光的截止线。投影型因为能够有效释放光源的光线，而且体积小，所以得到了广泛应用。

而且，投影型是使用凸透镜进行投影，通过改变焦点附近的光分布和遮光板的形状，可以形成各种各样的配光图案。图5是在配光可变式远光灯ADB（Adaptive Driving Beam）中的应用示例。在这个例子中，右侧灯具的配光与左侧灯具的配光图案各异，合成形成整体配光。可以在不导致前方车辆炫光的情况下，照亮路旁的行人，增加了辨识性。

图5：ADB的配光

    ♦ LED车头灯光学系统

LED车头灯以前面介绍的车头灯光学系统为基础，利用LED的特点提高效率，实现了新的外观设计和高功能化等。

    ♦ 利用LED的光分布提高光学系统的效率

通常的投影型车头灯采用灯泡光源，为了形成截止线，会使用遮光板屏蔽光线。之所以使用这样的光学系统，是因为灯泡光源向360度全方位发光而造成的限制。LED只向半球方向发光，如图6所示，没有采用遮光板屏蔽光线，而是嵌入了能够有效利用光线的反射镜“光束整形器”。

图6：灯泡光源与LED的光学系统

    ♦ 小型光源成就新的外观设计

LED与灯泡光源相比，在光线射出的方向没有发光管、灯座等结构物，光学系统也可以实现小型化。因此在灯具内可以集成多个光学系统，2007年发布的世界第一款LED车头灯由3个小型投影单元组成，实现了有别于传统车头灯、令人震撼的新外观设计。而且，这款车头灯使多个光学单元分别具备聚光、扩散等配光功能，通过合成的方式，形成了图7的整体配光。通过为各个配光功能分别采用最佳光学设计，可以实现良好的辨识性。这款车头灯使大扩散单元的光轴朝向车辆外侧，实现了过去无法企及的横向大范围扩散。

图7：由4个单元构成的LED车头灯

在LED性能提高的同时，光学单元也继续进化，2014年，图8中L字形的近光灯设计成为了现实。这种光学系统利用2个反射镜，有效利用了传统投影型光学系统无法利用的光线。能够在灯具内配置如此复杂的结构，依靠的是LED的小型化。

图8：采用L形设计的LED车头灯

热环境差异推动进化

    ♦ 光学系统材料的变化

与传统的卤素灯泡、放电灯光源相比，LED的光源温度低，光线中不含红外线，因此，光学部件可以采用耐热温度较低的材料。具有代表性的是投影型凸透镜。LED过去采用玻璃制造，而LED车头灯可以选用树脂材料，在实现轻量化的同时，大幅提高了外观设计的自由度。

车头灯不仅是保证夜间视野的安全部件，也是决定汽车设计的一个重要要素。通过采用树脂透镜，可以按照汽车设计师的要求，实现五花八门的外观设计。

在过去，车头灯基本都是图9（a）中的圆形，而现在可以制作图9（b）中的方形等异形透镜，对于改变汽车车灯的外形、印象作出了不小的贡献。

图9：使用异形透镜的车头灯

像图10一样，在LED旁边配置光学部件的光学系统也是研究的对象，考虑到成本，这种形状很难用玻璃材料制作，可以说是一种只有用树脂才能实现光学系统。

图10：在LED旁设置导光体的光学系统示例

来源：日经技术在线

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