知識庫

燈具發展新技術-LED一次光學設計
  • 發布年度:2009
  • 主要類別:電動車與車輛電子
  • 次要類別:電子報
  • 車輛中心 研發處/車輛光學設計中心 江志彬

    從1911年的第一顆鎢絲電燈泡出現,人類正式進入電能照明的時代,一百年過去了,隨著科技的發展,燈泡也有不同型態的變化,如室內常用的螢光燈管、運動場和道路上常用的高壓鈉燈泡與水銀燈泡、多媒體顯示常用到的冷陰極管(CCFL)、車輛常用鹵素燈泡與氙氣燈泡(HID)等;而2003年後因為半導體技術快速的發展,LED由一般小功率的發光特性,躍升至高功率高亮度的白光光源,由一般指示燈號的用途,進而應用至一般照明、多媒體光源與車前照明。這一切的訊息告訴我們,全LED照明時代已經不遠了。


    所有的燈泡光源,都有其相對的保護裝置與外觀,LED光源也不例外,一般LED可依外型進行分類:砲彈型、SMD(表面黏接)型、食人魚型與高功率Emitting 型,而LED的透明外觀就是提供LED光源對於外在環境的保護,包括防潮、撞擊等等,我們稱之為封裝透鏡或封裝外型。然而不同外觀的封裝透鏡除了給予LED基本的保護之外同時也給予LED擁有不同光型分佈的能力,如圖1。在燈具的光學設計中,不同光型分佈的LED光源也會有不同的設計方式,例如:側發光(side-emitting)LED適合利用反射鏡進行設計。無論如何,不管是哪一種光型的LED光源,一定需要經過一個以上的光學元件(包括反射鏡與透鏡等等),利用反射折射的光學特性,根據照明需求與情境的不同,將LED發散出來的光線形成各式各樣的照明光型。我們將需要進行光源本身以外的光學元件設計,稱之為二次光學設計,包括現在一般常用的反射鏡或燈殼的透鏡式設計等,都在二次光學設計的範疇之內。反之,一次光學設計則是利用LED光源本身進行光學設計,使LED在點亮發光時,就有符合照明時所需求的光型,便可捨去複雜的燈具結構,精簡光學元件的使用量,並且可縮小燈具的體積,可預見未來的照明燈具將往更小體積與更多造型的方向發展,如圖2為使用歐斯朗LED的Pininfarina Sintesi概念車款,已不復見舊有車燈的樣子。
     

    圖1 不同LED之光型分佈

    圖2 Pininfarina Sintesi概念車


    財團法人車輛研究測試中心於97年就開始進行一次光學設計的創新研究,並且利用LED本體結構的設計,完成單顆3W之LED就能符合晝行燈之光型需求;於98年則進一步往特定光型進行研究,改變LED外觀封裝透鏡,產生汽車遠燈所需要的高亮度集中橢圓光型、汽車近燈與霧燈所需要清晰截止線的光型,如圖3,與LED二次光學設計相比可節省約15%~30%的消耗功率。由於一次光學技術仍處於成長期,可於設計過程中加入不同的考量條件,達到不同應用所需的光型與均勻度,可將此技術使用在所有照明領域中,突破LED應用的設計方式與效能,相信應可開創下一個照明的一百年。

    

    圖3 特定封裝產生之光型

     

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