汽車靈魂之窗─論頭燈照明科技的演化 | U-CAR

江諺儒

撰文

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2018

7月

18

眼睛堪稱是人的靈魂之窗,讓我們可以看見外面的世界,而如果當主角從人換成汽車,那麼車頭燈便是稱職的扮演這個重要角色。不過從打從汽車被創造以來,車頭燈的演進幅度就有著一日千里的進展,這絕對遠遠超乎你我的想像!現在就讓U-CAR以各種面向來介紹一番吧。

從照明發光體開始,就不說一開始汽車被發明時、還沒有配備大燈,或是裝載煤油燈的時代,我們從汽車開始普及後的時序開始談起。

Ford經典的Model T,見證車輛燈組由傳統媒燈轉換為電土燈,不過,照明效果仍然跟現今相差很遠。
講到不同世代頭燈組的變化,都沒有Ford原廠所安排的這組Gif圖檔來得生動。距離12公尺遠的距離,分別以1908 Model T (電石燈)、1932 Ford Model Y(鎢絲白熾燈)、 1966 Ford Anglia 105e (首問世1959年)、1976 Ford Fiesta、1994 Ford Mondeo與2016 Ford Mustang GT 等車型,說明照明燈組一路由電石燈、鎢絲白熾燈、鹵素燈與HID氙氣頭燈的進化脈絡。

鹵素燈:成本低、傳統車型普及率高

由鎢絲白熾燈演進到鹵素燈,仍是目前量產車最廣泛搭載的基礎燈組。鹵素燈主要裝配在世代較舊的車款上、現行市售車款中較低等級的車型等,與我們一般日常生活中會使用到的白熾燈原理類似,不過在其玻璃外殼中加上如碘、溴等鹵族元素氣體,進而使得燈具的使用壽命延長,並且亮度更高、穿透力更強,但使用鹵素燈組當然也有壞處,譬如說發光效率低 (能量轉換率熱能大於光能) 等,但也因此成本較為低廉,被定位為低階的發光體形式。

上世紀30-40年代的骨董車,照明燈組已經逐步邁入白熾燈與鹵素燈階段,造型也接近現代化車款樣式,圖為Mercedes-Benz 540 K Streamliner (W 29) 1938年,左右頭燈組融合搭配車體弧線造型,相當典雅大氣,前霧燈組則是相當特殊的中置設計。

而關於鹵素燈泡的投射方式,隨科技演進則可主要分為兩種,分別是以燈組內的各式曲面鏡進行鏡像反射,以及後期推出,能夠優化匯集光芒效果的魚眼投射式頭燈組等。

鹵素頭燈被定位為較低階的發光體形式,其發光效率低、但成本也較低廉許多。
鹵素頭燈也有投射魚眼的發光形式可以選擇,對於照明距離也能有一定的增加。
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HID氣體放電式頭燈:燈具朝向現代化的第一步

接下來自從各豪華車廠陸續開發出HID氣體放電式頭燈(High Intensity Discharge,因為大多數都採用氙氣,故又名氙氣頭燈) 之後,其擁有比起鹵素頭燈高出數倍的亮度、壽命等,甚至還更加省電等特性,因此迅速擴展到2000年世代的各式新車款上,一般的平價品牌則會將HID頭燈配備在高階車型上。

與鹵素頭燈一樣的,HID氣體放電式頭燈也擁有鏡像反射、魚眼投射式等兩種發光放射形式,不過大部分的車廠都會將HID氣體放電式頭燈與魚眼燈組結合,結合起來會有加乘的照明效果。當然,隨著時代演進,HID照明燈組已經相當普及,除了列為汽車原廠的新車標準配備之外,車主也可以輕易透過售後改裝,自行升級HID頭燈組以提高愛車的照明效果。

HID頭燈可視為汽車頭燈邁入各車廠首次展現自家科技的境界,並且在一時間蔚為潮流。
HID也可以用燈組內的各式曲面鏡進行鏡像反射,達到照明的效果。

LED頭燈:更高效能、更具設計感,當代燈具表徵

到了近幾年,利用二極體中電子與電洞結合,釋放出的光稱為LED (Light Emitting Diode),然後再從白光的高功率LED元件研發成功後,該發光技術便崛起成為汽車界新顯學,就汽車公司的研究,HID頭燈燈泡的使用壽命約在3,000小時,而LED頭燈組的使用壽命更進一步提升至30,000小時,在同樣照明強度之下,LED頭燈的耗電量甚至只有HID頭燈組的1/5。

最重要的是LED擁有各種發光體形式,除了以LED燈組作為車輛照明之外,也可以運用為LED導光條照明美學設計,高彈性多變化的特徵,讓LED照明技術可以針對各車廠不同的設計需求,打造出各樣的外貌,也因此成為以豪華車廠為首、一般車廠中的高規格車型所搭載。

2006年紐約車展全球首演的Lexus LS 600h,成為全球首搭LED頭燈的量產車型,也象徵新世代照明科技的里程碑。
LED燈可以說是當代的科技燈具表徵,擁有比HID頭燈組更佳的效能表現,同時也更具設計空間。
隨著技術與生產成本降低,LED頭燈與霧燈逐步普及,即使國產車系如Toyota Corolla Altis (上) 與Mitsubishi Grand Lancer (下)也搭載相關照明技術。

而藉由多燈組式的LED頭燈組設計,車廠推出新世代智慧型頭燈科技,例如以Audi矩陣式LED頭燈組為例,可以藉由數十顆大小不同與差異化排列的LED燈組,針對不同天候路況、遠近照明、彎道照明、轉向照明與對向來車照明對應等,自動調整LED燈組的照明模式。不僅如此,LED頭燈的使用範圍之廣,早已不侷限在頭燈組,更普及的像是LED日行燈 (又稱定位燈)、小燈以及霧燈組等,都能夠使用LED燈泡進行照明。

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雷射頭燈:LED頭燈再進化,遠光燈、具炫麗外型

最後則是雷射科技頭燈,不過就廣義而言,雷射頭燈也是LED頭燈的一種,唯其LED發光模組所發射出來為波長統一的雷射光,再用雷射光射向充滿黃磷的透鏡,激發出高亮度的白光,最後經由反射面調整而投射在前方。就發光效能、距離提升之外,最重要的進展是雷射頭燈用於遠光燈使用,對於夜間長途行車的助益更大。

其實雷射頭燈當前都僅裝配在豪華車廠的少部分車型上,一來是因為此技術尚未普及、二來是其成本比LED頭燈組還高出許多,也因此大部分的市售車車廠現階段仍以LED頭燈組為首要技術目標。

雷射頭燈為LED頭燈的進化體,並且主要用於遠光燈,對於夜間長途的照明相當有助益

而講完了照明發光體以及其作動形式和原理之後,我們接下來看看現今的車頭燈科技評比還有什麼樣的攻防戰吧!

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雷射好還是LED好?照明距離大賽

現今世代如果沒有LED頭燈,似乎在科技層面就已經先差對手一大截,但自從雷射頭燈科技被研發出來之後,各車廠 (特別是豪華車廠) 並不一定有雷射頭燈優於LED頭燈的既定立場,合理來看,各家豪華車廠都有LED與雷射照明科技的布局,並未獨尊押寶任一方。

BMW於2014年發表i8電動車時,正是訴求i8是首款將雷射頭燈搭載於量產車型,自此,雷射照明技術走進車壇。

BMW、Audi分別在自家旗艦跑車i8、R8裝上了全雷射頭燈,並同時投入了高資源研發出更長距的照明範圍,能夠達到600、500公尺的距離;而Mercedes-Benz則因為雷射燈適用範圍僅限遠光燈,實際上使用的機會並不多,而因此仍將心力與成本投入更高等級LED頭燈組的研發,並且宣布現有24顆矩陣式Multibeam LED頭燈技術,未來所推向的新世代LED頭燈組,預計將提升至80顆LED,且其遠光燈的照射距離也已可達到600公尺,取得與雷射燈射程距離平起平坐的地位。

德國3大豪華車廠1A2B,對於雷射燈組的看法就大相徑庭,也連帶影響到該車廠所投入的資源與成本。圖為新世代CLS-Class搭載的Multibeam LED技術。

需要照多遠?人看、系統更要看清楚

也許你會想,照明距離達到5、600公尺的確很厲害,但肉眼能看到的距離可能都沒那麼遠 (或者說,駕駛視野對於超長距離的照明需求,並不需要那麼遠,也無需處理這麼遠的視覺資訊,例如,遠在半公里外的紅綠燈你應該不需要立刻反應吧?),那麼光有需要照到這麼遠嗎?

可別以為各車廠是毫無意義的追求照明距離!其實這些照明處除了要給駕駛看,也同時要讓車輛上的系統看清楚。

這就是有趣的一點,或許,由駕駛人視覺的需求說不通,但由車載監測系統的「視覺」需求就有其道理!說直白點,隨超遠距照明技術的精進,新世代頭燈或許已不是替駕駛照路,而是替車載系統提供足夠的照明需求!

在這個ADAS(Advanced Driver Assist Systems)先進輔助駕駛技術進展的如火如荼的同時,其實這些光照射的範圍也同時要讓系統「看得見」才會有所用處,像是近期Volkswagen研發的夜視輔助系統 (Night Vision assist system),透過熱成像的原理以及攝影鏡頭的輔助,也都同樣需要裝配照明距離相當長程的頭燈組。

靈魂之窗科技進行式,未曾停歇!

看到這裡,你是否也對於汽車頭燈的演進與發展有著更深一層的了解?其實從鹵素頭燈進展到HID氣體放電式頭燈、到LED頭燈再到雷射頭燈,時間長短已經有相當幅度的減少,也意味著在照明科技的進展日新月異,而LED頭燈與雷射頭燈的尖端技術發展,車廠看法不一致也讓它們的未來發展更具多變化,同時,照明科技成為ADAS先進輔助駕駛技術所需要,甚至決定未來自動駕駛車輛的技術勝敗 (自動駕駛車當然也得具備夜間行駛能力!),這場戰役始終還在正在進行式,從未停歇!

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