機車LED頭燈二次光學設計改良研究

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國立聯合大學電資學院

金腦獎參賽作品

主題名稱:

機車 LED 頭燈二次光學設計改良研究

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摘要

發光二極體(Light Emitting Diode， LED)因具有體積小，耗電量低，無熱輻射，壽命長，耐衝擊不易破損以及環保等多項優點，加上白光 LED 的發明為照明市場帶來了許多重大的突破，為未來室內照明及車燈帶來更多元的應用。不同照明燈具有不同的應用，有其不同的光形分佈、均勻度、強度分佈、照度大小以及發光顏色等等，甚至有些照明應用都有著嚴格的條文規定，有全球統一的條文規範，有根據各國不同的使用習慣及方式，設置只適用於自己國內的規定。如車燈的設計規範，有歐規及美規二種不同的條文，由於歐規的制定方式較嚴格，為了保障行人及駕駛者的安全，現今大部分的市場皆採用歐規來做設計。符合需求。目前市售的機車其頭燈均採用傳統鹵素鎢絲燈泡或 HID(高壓水銀燈管)，仍未採用亮度較佳的 LED 燈，因此本專題致力於創新開發機車 LED 頭燈，本研究先介紹所使用的高功率白光 CREE XM-L T5 LED，量測該 LED 的光照度分布和紀錄光形，並搭配市售該 LED 專用的不同燈具量測光照度分布和紀錄光形，再利用量測的光照度分布和紀錄光形所得數據，進一步設計改良出符合歐規的機車 LED 近光燈燈具，詳述實際製作機車 LED 近光燈燈組過程，以達到可以應用在機車上的大燈照明，並實際安裝在機車大燈上與一般鹵素燈泡比較，最後於附錄介紹各種汽、機車燈的規範。

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致謝

俗話說一個成功的男人背後總有一個偉大的女人，一個專題完成的後面也少不了一位睿智的指導老師。首先非常感謝我們的專題老師陳逸寧老師，老師給我們一條很寬敞的路，讓我們朝著自己的興趣去延伸去發展，而不是拘泥於一些前人種樹後人乘涼的古早味專題。在未知的領域裡面要實現夢想是困難重重，但是我們並不孤單，老師給我們的幫助總是讓我們為之ㄧ振，要器材老師借給我們學校最新最好最精確的。要場地老師也不惜犧牲陪伴家人的時間與我們在光學實驗室度過。專業知識上面也從不私藏，雖然老師沒有限制發展空間，但在專題品質上的要求卻非常嚴謹，不但要條理清晰更要符合邏輯，使我們的專題更上一層樓。再來是露天拍賣的 EHE 億聯電子科技有限公司，提供我們極為優惠的價格採購專題所需要的 LED 相關材料，並在 LED 燈具使用上給了我們相當實用的寶貴意見。也從其中了解到目前市售 LED 商業利益與市場，對我們未來進入職場有相當大的認知和幫助。當然也要感謝四年來陪伴我們的聯合大學光電系，一路走下來風風雨雨有汗水有淚水，老師們不遺餘力的傾囊傳授，同學們的互相扶持，這都是我們生命中最為寶貴的回憶，也是我們面對未來挑戰中最強大的後盾。感謝光電系的老師和同學沒有你們，我們不完美！正因為有你們的存在，此專題才得以順利完成。最後僅以此專題獻給陳逸寧陳老師還有我們最愛的聯合大學光電系。特別感謝感謝龔吉和教授大力支持，提供贊助實驗經費 6000 元整，讓本專題進行得更加順利，非常感謝教授支持。特別感謝感謝光電工程系出借數位相機提供錄製影片，讓影片製作順利完成。特別感謝故主任黃富財老師雖然與主任相處的時間不算太長，短短兩學期的電子學實驗課就讓我深深的感受到老師的教學熱誠，後來更發現老師對苗栗對聯合大學還有對光電系的創立有莫大的貢獻，這不是三言兩語能感謝的；如今主任已不在了，但是他無私貢獻的精神，永遠活在我的心中。特別特別感謝中華電信你們無情的斷網造就我們延遲已久的專題進度突飛猛進。

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摘要 ... I

致謝 ... II

目錄 ... III

圖目錄 ... V

表目錄 ... IX

第 1 章緒論 ... 1

1-1 LED 的發展背景... 1 1-2 研究動機... 2 1-3 大綱... 3

第 2 章高功率白光 LED 之介紹 ... 4

2-1 LED 發光原理簡介 ... 4

2-2 傳統小晶片 LED 與 CREE 大晶片 LED 的介紹... 5

2-3 提升 LED 發光效率的方式... 8

(1) Distributed Bragg Reflector (DBR)... 9

(2) 晶片黏貼 (Wafer Bonding)... 10 (3) 晶粒外形的改變... 11 (4) 表面粗化 (Surface Roughness)... 12 (5) 覆晶封裝(Flip-Chip)... 13 2-4 CREE XM-L LED 提升發光效率方法... 14

第 3 章量測光照度分布與燈具設計改良 ... 16

3-1 量測光照度分布架構及紀錄光形... 16 3-2 燈具設計改良... 18 3-3 機車 LED 近光燈燈組製作過程... 31 3-4 實際應用... 50 (1) LED 取代小燈輔助大燈 ... 50 (2) LED 取代大燈 ... 52

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第 4 章心得結論與未來展望 ... 58

4-1 心得結論... 58 4-2 未來展望... 60

參考資料 ... 62

附錄現行各車燈 ECE 法規簡介 ... 65

I. 汽車近光燈... 66 II. 汽車遠光燈... 69 III. 汽(機)車前霧燈... 69 IV. 汽車後霧燈... 73 V. 汽(機)車晝行燈... 72 VI. 汽(機)車前、後位置燈... 75 IIIX. 機車近光燈... 77

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圖目錄

圖 1-1 CREE XLamp LED 發光效率成長圖 ... 1

圖 2-1 p-n 接面結構 ... 4

圖 2-2 能量帶 ... 4

圖 2-3 傳統式發光二極體的元件結構 ... 6

圖 2-4 CREE XLamp 5mm×5mm 高功率 LED 元件結構 ... 6

圖 2-5 帶銅導熱通孔技術 ... 7

圖 2-6 CREE XLamp 5mm×5mm LED 黏貼在 20mm 高導鋁基板上 ... 7

圖 2-7 傳統小晶片 LED 與 CREE LED 的 Life Time Maintenance ... 7

圖 2-8 雙異質接面構造圖 ... 8 圖 2-9 雙異質接面電位剖面圖 ... 8 圖 2-10 DBR 結構圖 ... 9 圖 2-11 晶片黏貼之示意圖... 10 圖 2-12 Osram 一些提升 LED 光萃取率的方法 ... 10 圖 2-13 傳統矩形晶粒外形... 11 圖 2-14 Lumileds 的 TIP 形晶粒 ... 11 圖 2-15 左圖為傳統矩形晶粒結構圖；右圖為 Nichia 在晶粒內外部分別製作週期性微結構，以增加光萃取率 ... 12 圖 2-16 晶粒表面或內部成長各種不同形狀的結構圖 ... 12 圖 2-17 覆晶(Flip-Chip)的結構圖 ... 13 圖 2-18 嵌入式熒光粉 LED 芯片 ... 14 圖 2-19 CREE XM-L 高功率 LED ... 15 圖 2-20 CREE XM-L2 高功率 LED ... 15 圖 3-1 光照度分布量測之實驗架構 ... 16 圖 3-2 CREE XM-L T5 LED 光照度分布 ... 17 圖 3-3 CREE XM-L T5 LED 光形圖 ... 17 圖 3-4 光照度分布量測之實驗架構 ... 18 圖 3-5 LED 加上透鏡或反光杯 ... 18 圖 3-6 17.5mm 高的透明墊圈 ... 19 圖 3-7 LED 加上反光杯 ... 19 圖 3-8 LED 加上透鏡 ... 19 圖 3-9 LED 加上移軸透鏡 ... 19 圖 3-10 LED+反光杯光照度分布 ... 20 圖 3-11 LED+反光杯光形圖... 20 圖 3-12 LED +透鏡光照度分布 ... 21

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圖 3-15 LED+反光杯+透鏡光形圖 ... 22 圖 3-16 LED+移軸透鏡光照度分布(左右) ... 23 圖 3-17 LED+反光杯+移軸透鏡光照度分布(左右) ... 23 圖 3-18 LED+反光杯+移軸透鏡光照度分布(上下) ... 24 圖 3-19 LED+移軸透鏡光形圖 ... 24 圖 3-20 LED+反光杯+移軸透鏡光形圖 ... 24 圖 3-21 初步得到較佳光形組合燈組為 LED+反光杯+移軸透鏡 ... 25 圖 3-22 機車頭燈近燈 Class B 之光形分佈圖(ECE) ... 26 圖 3-23 LED 燈具組合與實際光形 A(1 公尺屏幕) ... 27 圖 3-24 LED 燈具組合與實際光形 B ... 28 圖 3-25 LED 燈具組合與實際光形 C ... 29 圖 3-26 將光形 C 之燈組投射至 10 公尺牆上檢視 ... 30 圖 3-27 實際站至靠近 10 公尺牆邊目視 LED 是否會溢光刺眼 ... 30 圖 3-28 LED 車燈燈具材料... 31

圖 3-29 CREE XLamp 5mm×5mm LED 黏貼在 20mm×1.6mm 星形高導鋁基板上 ... 31

圖 3-30 墊圈尺寸 ... 31 圖 3-31 反光杯尺寸 ... 32 圖 3-32 23mm 魚眼透鏡尺寸 ... 32 圖 3-33 23mm 移軸透鏡尺寸 ... 32 圖 3-34 鋁鰭散熱片器 ... 32 圖 3-35 將導熱矽膠塗在 LED 鋁基板 ... 33 圖 3-36 將 LED 黏在鋁製散熱做上 ... 33 圖 3-37 將焊錫點至 LED 電路正負極 ... 34 圖 3-38 將 LED 專用耐熱導線接上 ... 34 圖 3-39 紅色線接 LED 正極、白色線接 LED 負極 ... 35 圖 3-40 利用膠帶做標線切割固定透鏡的墊圈 ... 35 圖 3-41 膠帶切完即可撕下... 36 圖 3-42 用砂紙打磨墊圈的毛邊 ... 36 圖 3-43 游標尺量測墊圈高度是否正確 ... 37 圖 3-44 標記並切割出電線穿越的凹槽 ... 37 圖 3-45 切好凹槽後用力壓墊圈直至扣住鋁基板 ... 38 圖 3-46 接著準備放置反光杯 ... 38 圖 3-47 金屬切斷機 ... 39 圖 3-48 將固定反光杯的木板左右移動至欲裁切距離 ... 39 圖 3-49 切割作業必須灑水降溫 ... 40 圖 3-50 接著一氣呵成完切割 ... 40

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圖 3-53 切割完須將反光杯毛邊切除 ... 42 圖 3-54 反光杯切割前後比較圖 ... 42 圖 3-55 檢驗反光杯切斷面是否切齊 LED 晶片下緣 ... 43 圖 3-56 取出適量中性矽利康備用 ... 43 圖 3-57 將矽利康塗至墊圈... 44 圖 3-58 接著將反光杯置入調整好位置並等待矽利康風乾... 44 圖 3-59 墊圈上緣塗上矽利康 ... 45 圖 3-60 接著將移軸透鏡放上去並調整位置 ... 45 圖 3-61 等待矽利康風乾 ... 46 圖 3-62 完成之燈具部分 ... 46 圖 3-63 3A 定電流驅動電路 ... 47 圖 3-64 將驅動電路接上 12V 電源 ... 47 圖 3-65 測試光型 ... 48 圖 3-66 完成的 LED 燈組 ... 48 圖 3-67 可透光紅色卡點西德 ... 49 圖 3-68 完成具裝飾性的 LED 燈組 ... 49 圖 3-69 藍光為機車 LED 頭燈、黃光為原廠鹵素燈泡 ... 50 圖 3-70 LED 與鹵素燈泡同時開啟全車照 ... 50 圖 3-71 原廠鹵素近燈 ... 51 圖 3-72 原廠鹵素近燈+機車 LED 頭燈 ... 51 圖 3-73 圖左為 LED 車燈、圖上為 H4 鹵素燈泡、圖右為小盤鹵素燈泡 ... 52 圖 3-74 LED 點亮正面圖 ... 52 圖 3-75 固定及調整 LED 支架、以風扇散熱 ... 53 圖 3-76 投射至 1 公尺牆上的光形 ... 53 圖 3-77 圖右大燈為 H4 35W 鹵素燈泡，圖左大燈為 3 顆 10W LED ... 54 圖 3-78 大燈為 3 顆 10W LED ... 54 圖 3-79 大燈為 H4 35W 鹵素燈泡之照射光形 ... 55 圖 3-80 大燈為 3 顆 10W LED 之照射光形 ... 55 圖 3-81 LED 機車大燈-近(遠)燈 ... 56 圖 3-82 上方 1 顆 LED 為遠燈、下方 2 顆 LED 為近燈 ... 56 圖 3-83 四顆 10W LED 近光燈光形 ... 57 圖 3-84 六顆 10W LED 遠光燈光形 ... 57 圖 4-1 各車種燈組實裝 ... 59 圖 4-2 BMW LED 主動式轉向頭燈 ... 60 圖 4-3 原透明墊圈之 LED 車頭燈 3D 外觀模擬 ... 61 圖 4-4 使用 SOLIDWORKS 2010 3D 軟體設計墊圈 ... 61

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圖1 右行汽車頭燈近光燈之光形分佈圖(ECE)………64 圖2 左行汽車頭燈近光燈之光形分佈圖(ECE) ………65 圖3 實際汽車近光燈於10m 屏幕的投射光形………65 圖4 汽車頭燈遠光燈之光形分佈圖(ECE) ………67 圖5 汽(機)車前霧燈之光形分佈圖(ECE) ………69 圖6 汽車後霧燈之光形分佈圖(ECE) ………71 圖7 汽(機)車晝行燈光照度百分比圖(ECE) ………72 圖8 汽(機)車前位置燈光形分佈圖……… 73 圖9 汽(機)車後位置燈光形分佈圖……… 73 圖10 汽(機)車前後位置燈光照度百分比圖(ECE) ………74 圖11 機車頭燈近燈Class A 光度量測範圍示意圖………75 圖12 機車頭燈近燈Class B 之光形分佈圖(ECE) ………76 圖13 螢幕測試點分圖………77

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表目錄

表(一) 汽車近光燈於25m 處之配光要求………66 表(二) 汽車遠光燈於25m 處之配光要求………68 表(三) 汽(機)車前霧燈於25m 處之配光要求………70 表(四) 機車近燈Class B 量測點所要求的照度………76 表(五) 機車近燈Class C & D 量測點所要求的照度………78

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第1章緒論

1-1 LED 的發展背景

LED 具有體積小，色彩飽和度高，驅動電流小所以能量損耗低，使用壽命較傳統燈泡長約 100,000 小時；因不需起動器等裝置，所以響應速度快；不含有毒氣體(汞)，因此相當的環保。由於上述種種優點，自 1962 年由 Holonyak(海龍野克)和 Bevacqua(貝瓦瓜)發明了紅光 LED 後，半導體、材料、光學等各知識領域的人士紛紛投入研發多彩的 LED 及發光效率的提升，直到 1994 年 Nakumura (中村)利用氮化鎵(GaN)為材料的高亮度藍光 LED 被開發出來之後【1】，光的三原色紅、藍、綠俱全，以產生白光，大大的突破以往只能侷限於家電用品、紅綠燈、汽車尾燈等指示用燈的應用，為照明市場帶來重大的革命。往後幾年間，各界不斷的研究並發展 LED 的相關技術，如提升內部量子效率(Internal Quantum Efficiency)、外部量子效率(External Quantum

Efficiency)、光萃取率(Light Extraction Efficiency)、車燈的應用、背光源的使用等等。目前市面上大都是使用發光效率為 100 lm/W 的白光 LED，今年 4 月 CREE 旗下實驗室更研發出發光效率達 254 lm/W 的白光 LED【2】，如圖 1-1；相信很快市售的白光 LED 發光效率便可達到 200 lm/W，便可大量取代傳統白熾燈泡，以達節能及環保的目的，成為新世代的照明。【3】

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1-2 研究動機

在我高三的時候，台北因為有河濱公園所以流行騎自行車運動或是通勤，在夏天時，為了避免白天太陽的毒辣，車友們都習慣夜騎，我也不例外。然而夜晚的河濱，總會有幾處道路燈光較為昏暗或沒有路燈的地方，這時候就需要一支手電筒當車燈了，這是我第一次接觸到高功率 LED 的手電筒。那時候在拍賣網站上找到使用 CREE Q5 晶片的手電筒,號稱單顆 LED 可產出 500 流明的亮度，亮度是一般低功率的砲彈形 LED 手電筒的好幾倍，那時候才發現 LED 原來已經做到這麼亮了！上大學後我的交通工具就換成機車了，在晚上騎乘有個很大的問題，就是大燈的亮度明顯不足，所以我想把大燈換成亮一點的。原本我想換成車友很常改裝的 HID 燈管，後來上網看一下網友討論，大燈如果只改裝 HID 燈管不改裝魚眼會變很亮但是也會變得很刺眼，對對向來車反而是一種光害，改 HID 燈管+魚眼透鏡價錢又太貴，於是我想到了用 LED 取代原本的鹵素燈泡作大燈，價格也低了一半。現在市面上 CREE 又有賣比我高中買過的 LED 還亮的新產品，就是 CREE X-ML T5 晶片的 LED，在 10W 時單顆 LED 亮度就可達到 1000 流明，不過搭配市售燈具在照射上還是會有溢光的現象，所以我決定根據歐規設計出機車 LED 頭燈，並將 LED 大燈裝在我機車上測試。

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1-3 大綱

本專題的研究是以 LED 為光源設計機車前燈的燈具，以符合歐規(ECE113) 車燈法規的要求。在第二章將介紹 LED 的發光原理和傳統小晶片 LED 與高功率 LED 的差異性與優缺點，簡述所使用之高功率白光 CREE XM-L T5 LED 提升發光效率的方法，並在第 3 章量測 LED 搭配各燈具照度分佈及實驗架構，並進一步設計燈具，使光形符合歐規車燈法規要求，設計出 LED 機車近光燈，接著介紹 LED 車燈的製作過程以及將 LED 實際安裝在機車上與原鹵素燈進行比較；於第四章作總結與闡述機車 LED 頭燈的未來展望。並於附錄中介紹現行各汽、機車燈歐規法規的要求。

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第2章高功率白光 LED 之介紹

2-1 LED 發光原理簡介

發光二極體(Light Emitting Diode；簡稱 LED)是由半導體材料所製成之可將電能轉換為光能的高效率冷光發光元件。LED 元件主要是由 P 形半導體與 N 形半導體形成一個 p-n 接面結構，如圖 2-1；此能帶結構未施加任何電壓時，P 形半導體的費米能階與 N 形半導體的費米能階相互對齊，且在接面處形成一電場，並存在一電位能，使得導電帶和價電帶彎曲，如圖 2-2。因此 P、N 半導體導電帶的能帶差便是阻止電子流動的能隙(Energy gap,Eg )。在接面兩端加入一適當的順向電壓，即 P 形半導體接正電壓，N 形半導體接負電壓，此時 P 形半導體的費米能階與 N 形半導體的費米能階不再對齊，位能障壁(能隙)因而降低，大量的電子、電洞分別注入 N、P 兩端後，電子由高能量狀態掉回低能量狀態與電洞在 PN 接面區域結合而將能量以光的形式釋放出來。由於外部電路不斷地由 N 側注入電子，並由 P 側注入電洞，使得電子、電洞結合而發光的動作持續進行，這就是發光二極體的基本發光原理。 LED 因其使用的材料不同，其電子與電洞所佔的能階也有所不同，能階的高低差影響電子與電洞結合後光子的能量，而產生不同波長的光。一般 LED 依發光波長分為可見光 LED(波長 450~680nm)與紅外光 LED(波長

850~1550nm)與近來很熱門的紫外光 LED(波長小於 450nm)。可見光 LED 以亮度 1 燭光為分界，分為高亮度 LED 與一般亮度 LED。【4】

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2-2 傳統小晶片 LED 與 CREE 大晶片 LED 的介紹

圖 2-3 為傳統小晶片 LED 的元件結構圖。將 LED 的晶片(LED Chip)固定在一反射杯(Reflector Cup)上，以 Wire Bond 連接 LED Chip 的正負極，之後以環氧樹脂(Epoxy)封裝【5】，一般此種 LED Chip 的尺寸是 0.25mm×0.25mm，封裝後元件的半徑是 2.5mm，發光功率為 1~2 流明(Luminous)，工作電流是 20~30mA。傳統小晶片 LED 在封裝上的設計簡單化，因此熱阻大(＞200℃/W)，電流通過時無法有效的轉換成光子射出而形成熱逸出，當熱能過大容易造成 LED 燒毀，使得壽命不長；加上晶片小，無法以大電流驅動，致使發光效率太低，限制了其應用，因此大部分用於顯示或指示方面，如：紅綠燈、儀器指示燈、跑馬燈、汽車尾燈等等。相較於傳統白熾燈、鹵素燈、螢光燈等燈源，LED 佔有多項優勢，因此無論是學術界或產業界都積極的研究如何提升 LED 的發光效率，以取代傳統光源應用在照明方面。【6】提升 LED 的發光效率，發光亮度便可以大幅度地提高，CREE 利用擴大 LED 晶片面積來增加輸入電流量，以提高 LED 的輸出功率，因為發光效率不佳的關係，許多輸入 LED 的能量，並沒有辦法以光的形式放射出來，反而以熱的形式堆積在 LED 晶片裡面。而熱對於半導體的影響非常大，它會降低半導體元件的工作效率，也使整個 LED 的壽命降低；因此 CREE 所開發出的高功率大晶片 LED，在封裝上不同於傳統小晶片 LED，如圖 2-4；由於熱阻過大容易導致發光效率降低且壽命減少，而基板、金屬電極與晶片在接面處由於材料的不同往往是導致熱阻過大的原因，所以為降低熱阻，CREE 5mm×5mm 的 XLamp 藍光(GaN) LED 以 SiC 當作 LED 芯片與散熱座介面的緩衝層，降低熱膨脹所導致應力的產生及過大的熱阻使發光效率降低，並利用電路板帶銅導熱通孔方式，如圖 2-5；將晶片的熱大量的傳至下方陶瓷基板散熱座，散熱座(heatsink slug)將大量的熱導出至 20mm 高導鋁基板(或其他基板)，如圖 2-6；以改善熱的問題，來提高發光效率，減少因熱產生的光衰，增加光的穩定性。【7】【8】圖 2-7 為傳統小晶片 LED 與高功率大晶片 LED 的操作時間與輸出光強的響應圖。由圖可知，CREE LED (曲線 B) 在封裝上經過改良後，使用長達 9000 小時後，光輸出功率仍可維持在 90%左右，相較於傳統小晶片 LED (曲線 A) 穩定；一般照明市場定義 LED 的使用壽命為點亮光源後，光能量衰減至原來的 70% 便無法使用，因此在封裝上針對熱的問題改良後的 LED，其使用的壽命可延長許多【9】。然而一味加大晶片面積，反而使 LED 內部的光吸收比例增加，造成外部量子效率降低的反效果，目前 CREE XM-L T5 10W 的白光 LED 使用的晶片大小為 5mm×5mm，其標準在 2W 時其發光效率為約 186 lm/W，而最大在 10W 時其發光效率為約 100 lm/W。【10】

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圖 2-3 傳統式發光二極體的元件結構

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圖 2-5 帶銅導熱通孔技術

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2-3 提升 LED 發光效率的方式

發光二極體的發光效率一般稱為元件的外部量子效率，其為元件的內部量子效率及元件的光萃取率的乘積。【11】【12】所謂元件的內部量子效率其實就是元件本身的電光轉換效率，主要與元件本身材料的特性如能帶、缺陷、雜質及元件的磊晶組成及結構等相關。例如同質接面(homo-junction)結構中，電子和電洞在半導體導體帶中，因沒有很大的能障使得電子電洞順利流動，造成非放射性復合的電子電洞對增加，產生的熱也就增加，因此發光效率很低。為提高電子、電洞的放射性復合機率，以能產生光子放射出光，便運用雙異質結構圖，如圖 2-8、圖 2-9 為雙異質接面(double hetero-junction)電位剖面圖，使導帶和價帶的電子電洞之非放射性復合率減少，提高發光效率。【13】圖 2-8 雙異質接面構造圖圖 2-9 雙異質接面電位剖面圖元件的光萃取率指的是元件內部產生的光子，經過元件本身的吸收、折射、反射後在元件外部可量測到的光子數目。因此光萃取效率的因素包括了元件材料本身的吸收、元件的幾何結構、元件及封裝材料的折射率差及元件結構的散射特性等。外部量子效率便是上述內部量子效率及光萃取效率的乘積。早期元件的發展偏重於提升內部量子效率，其方法主要是利用提高磊晶的品質及改變磊晶的結構，使電能不易轉換成熱能，間接地提高 LED 的發光效率，至目前為止理論上已可獲得約 90%左右的內部量子效率。但發現無論如何提升內部量子效率，若無法有效的將光萃取出，仍是無法提升元件的總輸出光量，因而提升元件的光萃取率為目前各界所研發的重點之一，主要可以分為五個方向分別敘述如下。

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(1) Distributed Bragg Reflector (DBR)

傳統 LED chip 的製作方式即在基板上直接成長磊晶層，若基板為不透明的材質，如 GaAs…等等，容易導致 LED 所產生的光線在經過多次全反射後，被基板所吸收，而大幅降低元件的光萃取效率。為了減少基板對 LED 發光層所發出光線的吸收，便在磊晶層與基板中間加入一與基板及磊晶層晶格匹配的高反射鏡 (Distributed Bragg Reflector, DBR)，如圖 2-10，當發光層所發出正向入射至 DBR 的光，都會被反射，以增加光能量的輸出。此 DBR 的材質選擇須依不同基板的晶格匹配因素來成長出多層反射膜，以避免熱膨脹產生應力破壞元件而發光波長不同也會導致反射率不同。因此適當的選擇 DBR 結構，可提高元件的發光效率。【14】【15】

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(2) 晶片黏貼 (Wafer Bonding)

目前可見光 LED 發光層材料以 AlGaInP (紅光~綠光)及 GaN(綠光~藍光)為二大主軸，因此在此介紹這二種材質利用晶片黏貼方式提升了發光效率。

初期 AlGaInP LED 使用不透明材質的 GaAs 作為基板，所產生的光線在經過多次全反射後，大部份都被半導體材料與封裝材料所吸收，因此使得 LED 內部的吸收損失變大，而降低元件的光萃取率。為了減少基板對 LED 所發出光線的吸收，HP 首先提出透明基板之粘貼技術。所謂的透明基板黏貼技術主要是將發光二極體晶粒先利用化學蝕刻的方式將 GaAs 去除，接著在高溫環境下施加壓力，將透明的 GaP 基板粘貼上去，如圖 2-11，如此便可提高二至三倍的光萃取率。【16】圖 2-11 晶片黏貼之示意圖由於碳化矽(SiC)為晶格小的半導體與非導體的結晶，所以為透明的材質，又 SiC 和 GaN 晶格常數相當接近，因此可用 SiC 來當作 GaN 的基板，避免發光層所發出的光經全反射後被基板吸收而降低出光效率。Osram Opto

Semiconductors 在 2003 年 2 月也發表了新的研究成果－ThinGaN，如圖 2-12，這項技術可將藍光 LED 取光效率提昇至 75%，比起傳統方式提升了 3 倍。

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(3) 晶粒外形的改變

初期 LED Chip 的製作為標準的矩形外觀，如圖 2-13，因為一般半導體材料與封裝材料(Epoxy)的折射率相差甚多，使得交界面全反射角小，又矩形的四個截面互相平行，光子在交界面離開半導體的機率變小，因此大部分的光子只能在內部全反射直到被吸收殆盡，使光轉成熱的形式，造成發光效率不佳。因此，晶粒切削 ( chip shaping) 是一個有效提升發光效率的方法。HP 與 Lumileds 公司所發展的 TIP(Truncated Inverted Pyramid)形晶粒結構，如圖 2-14，4 個截面將不再是互相平行，因此光可以有效地被導引出來，在紅光的波長下，外部量子效率因而大幅提升至 55%，發光效率高達 100 lm/W。之後，Osram Opto Semiconductors 也發表一系列以 SiC 為基板改變晶片形狀的 LED，如的 ATON 及 NOTA，這兩者的發光效率至少也為傳統矩形晶粒的 2 倍，如圖 2-12。【17】

圖 2-13 傳統矩形晶粒外形

(22)

(4) 表面粗化 (Surface Roughness)

藉由在晶粒內部或外部建立一些幾何形狀的微結構，以破壞光線在晶粒內部的全反射，來提升元件的光萃取率，如圖 2-15。圖 2-15 的方法最早是由日亞化學(Nichia)所提出，其粗化方法基本上是在晶粒的幾何形狀上形成規則的凹凸形狀，而這種規則分佈的結構也依所在位置的不同分為兩種形式，一種是在晶粒內設置凹凸形狀，另一種方式是在元件上方製作規則的凹凸形狀，並在晶粒背面成長反射層。這樣的方法成功的大幅提升光萃取率，使整個 LED 的外部量子效率大大的提升許多，之後許多研究紛紛在晶粒內部及外部製作不同形狀的微結構，如金字塔形、小球顆粒狀、倒金字塔形、矩形…等等，如圖 2-16，來提升光萃取效率。【18】圖 2-15 左圖為傳統矩形晶粒結構圖；右圖為 Nichia 在晶粒內外部分別製作週期性微結構，以增加光萃取率圖 2-16 晶粒表面或內部成長各種不同形狀的結構圖

(23)

(5) 覆晶封裝(Flip-Chip)

對於使用藍寶石基板(Sapphire Substrate)的 GaN 系列材料而言，因為其 P 極及 N 極的電極必須做在元件的同一側，若使用傳統的封裝方法，LED 上方發光面大部分的發光面積將會因為電極的阻擋而造成光量的損失，又因藍寶石基板是透明的，如果可以將光由藍寶石基板端取出，則可使光量大量的增加，因此產生了 Flip Chip 的構想。所謂的 Flip-Chip 結構，如圖 2-17，即是將傳統的元件反置，並在 p 形電極上方製作反射率較高的反射層，藉以將原先從元件上方發出的光線從元件其他的發光角度導出，而由藍寶石基板端緣取光。這樣的方法因為降低了在電極側的光損耗，可有接近於傳統封裝方式兩倍左右的光量輸出。另一方面，因為覆晶結構可直接藉由電極或是凸塊與封裝結構中的散熱結構直接接觸，而降低熱阻可大幅提昇元件的散熱效果，進一步提升 LED 的輸出光量。圖 2-17 覆晶(Flip-Chip)的結構圖

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2-4 CREE XM-L LED 提升發光效率方法

CREE XM-L LED 使用雷射剝削或切削技術，如圖 2-18 是直接在碳化矽（SiC）基板上刻出凹槽（trenches)，再利用旋轉塗布法將半導體納米晶體或螢光粉等螢光材料填入凹槽中，在凹槽間形成一個凸面橋，這個方法可以讓白光 LED 變得更小、更容易製造。這些螢光填充物能把 SiC 基板上的 GaN LED 所發出的窄頻域藍光，轉換成寬帶譜的白光。專利發明人 Peter Andrews(彼得安德魯斯)指出，與目前將 LED 置於杯狀基座（submount）中並以光轉換材料封裝的技術相比，在基板上刻蝕出凹槽是一大進展，因為前者會限制白光 LED 的最小尺寸。為了協助光脫離 LED ，廠商會改變基座的形狀並提高其反射率，而 CREE 的凹槽設計也有提高光萃取率的作用。【19】除了傳統 LED 使用的螢光粉外，在凹槽中引進硒化鎘（CdSe）等半導體奈米微晶，也有助於控制發光波長。CREE 建議以噴墨印刷、網印與噴槍應用系統取代常見的旋塗法，將這類新穎材料填入凹槽中。儘管採用新的波長轉換材料並增加了凹槽設計， LED 裸晶仍保有傳統的標準電極結構，因此可繼續封裝成 LED ，或直接挪來使用，例如直接被固定在電路板或基板上作應用，如圖 2-19。

圖 2-20 為 CREE 最新量產 LED XM-L2，使用 SC³ Technology 使新元件的每瓦流明較 XM-L 提高了約 20%，讓照明產品製造商可以使用較少的 LED 來提供成本更低且效能更好的照明系統，而本文所使用之 LED 為 XM-L 是因為目前性價比仍為首選，所以未使用 XM-L2。【20】

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圖 2-19 CREE XM-L 高功率 LED

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第3章量測光照度分布與燈具設計改良

利用照度計量測 LED 建立光照度分布圖，以便正確的掌握 LED 光學特性，再搭配市售燈具設計修改光形達到歐規的要求。

3-1 量測光照度分布架構及紀錄光形

LED 採用 CREE XM-L T5 晶片，恆定 3A 電流點亮 LED 晶片，功耗為 10W。本文提及的可視角定義為光照度極值 50％到中心之間夾角的 2 倍，而 LED 光照度分布之實驗架構，如圖 3-1。其量測方式是將 LED 與照度計置於同一水平面，距離 d 固定 1 公尺，順時針轉動 LED 的角度，每轉一度量測一次光照度值，共紀錄 180 次，再逆時針重複相同步驟紀錄 180 次，來回共紀錄 360 次，相同角度取平均值，此步驟可避免因為光形的不對稱而造成實驗錯誤，並用 CCD 紀錄光形圖。圖 3-1 光照度分布量測之實驗架構

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圖 3-2 為 LED 的光照度分布圖，LED 光形能量最強在正中央且左右對稱，為 Lambertian 分布，中央亮度為 190 Lux(lm/m2 )，可視角為 112°(理論值為 125°)。 0 20 40 60 80 100 120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 角度(°) 相對光強度( % ) 圖 3-2 CREE XM-L T5 LED 光照度分布圖 3-3 CREE XM-L T5 LED 光形圖

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3-2 燈具設計改良

已知 LED 的光照度分布了，可視角太廣，光形如圖 3-3，光線不夠集中，所以我們需要用聚光反光杯或是透鏡讓 LED 加以聚光。如圖 3-4 實驗架構為搭配 20mm 鋁基板的 CREE XM-L T5 LED，加上一透鏡或反光杯使光線改變，如圖 3-5，加上一固定用 PVC 透明墊圈，高 17.5mm、外徑 23mm、厚度 1mm，如圖 3-6；再選擇加上市售 CREE XM-L T5 LED 專用反光杯或透鏡，如圖 3-7、3-8、3-9 圖，再分別進行量測光照度分布以及紀錄光形圖。圖 3-4 光照度分布量測之實驗架構圖 3-5 LED 加上透鏡或反光杯

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圖 3-6 17.5mm 高的透明墊圈圖 3-7 LED 加上反光杯

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圖 3-10 為 LED 加上反光杯後的光照度分布圖，變成聚光形的光形分布，中央為 4040 Lux(lm/m2 )，可視角為 16°，光形如圖 3-11，聚光的效果非常好。 0 20 40 60 80 100 120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 角度(°) 相對光強度( % ) 圖 3-10 LED+反光杯光照度分布圖 3-11 LED+反光杯光形圖

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圖 3-12 為 LED 加上透鏡之光照度分布圖，可視角 8°，中央亮度為 6260 Lux(lm/m2 )，光形如圖 3-13，聚光的效果非常好且無溢光。 0 20 40 60 80 100 120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 角度(°) 相對光強度( % ) 圖 3-12 LED +透鏡光照度分布圖 3-13 LED+透鏡光形圖

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圖 3-14 為 LED 加上一反光杯再加上透鏡之光照度分布圖，可視角 6°，中央亮度為 6370 Lux(lm/m2 )，因為反光杯的關係聚光的效果又再提升，中心亮度約提升了 2220 Lux(lm/m2 )。光形如圖 3-15，聚光的效果非常好但出現溢光。 0 20 40 60 80 100 120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 相對光強度(%) 角度 (° ) 圖 3-14 LED+反光杯+透鏡光照度分布圖 3-15 LED+反光杯+透鏡光形圖

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圖 3-16 為 LED 加上移軸透鏡的光照度分布圖，但光形變成矩形的光形分布，如圖 3-19，可視角 38°，中央為 1662 Lux(lm/m2 )。圖 3-17、圖 3-18 為 LED 加上一反光杯後再加上移軸透鏡的光照度分布圖，變成聚光矩形的光形分布，如圖 3-20，可視角 40°，中央亮度為 2010 Lux(lm/m2 )，比無反光杯中心亮度約提升了 400 Lux(lm/m2 ) 。 0 20 40 60 80 100 120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 角度(°) 相對光強度( % ) 圖 3-16 LED+移軸透鏡光照度分布(左右) 0 20 40 60 80 100 120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 角度(°) 相對光強度( % ) 圖 3-17 LED+反光杯+移軸透鏡光照度分布(左右)

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0 20 40 60 80 100 120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 角度(°) 相對光強度( % ) 圖 3-18 LED+反光杯+移軸透鏡光照度分布(上下) 圖 3-19 LED+移軸透鏡光形圖圖 3-20 LED+反光杯+移軸透鏡光形圖

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由以上數據可知，LED 加上反光杯後有聚光的效果，可使 LED 投射出來的中心亮度大大提升，再加上透鏡使光更集中。而移軸透鏡投射出的矩形光形又比一般透鏡投射出來的光形接近較佳的車燈光形。在量測上下光照度時，圖 3-18，我們發現該矩形光形左右強度對稱，但上下光照度不對稱，上方強度較強，推斷是因為 LED 芯片接觸金線端電流較多，所以光照度會有由強漸弱的現象，再經由透鏡折射光現出來，光照度差異更為明顯。不過此特點在車燈投射上也是我們所需的，光照度會因為投射距離增加而遞減，而此特點能達到車燈投射在路面的光照度較接近所需的遠近場光照度均勻化。圖 3-21 初步得到較佳光形組合燈組為 LED+反光杯+移軸透鏡

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圖 3-22 為歐規 ECE R113 的機車頭燈近燈 Class B (125 c.c.)之光形分佈圖，將設計好的機車近光燈燈具，置放於量測架構上，於環境溫度為 23±5℃點亮燈具，投射於 10m 前屏幕所見之光形，此時我們可看見一均勻分佈的光形及清楚的明暗截止線，為水平線(H-H)下方 37.5cm 處，接著利用「財團法人車輛研究測試中心」所使用的量測方法檢測，在 25m 處設置一照度計，藉由旋轉燈具的角度，來量測整個光形的強度值。圖 3-22 機車頭燈近燈 Class B 之光形分佈圖(ECE)

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圖 3-23 為 3.2 節初階設計得到較佳光形的組合，但這還不符合歐規的明暗截止線規定，所以我們必須把光形上方溢光的部分處理掉。由圖 3-19、圖 3-20 以及圖 3-23 右上幾何光學可知光形溢光的部分是加上反光杯後所產生，所以進階設計由反光杯著手。【21】

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首先，試著用砂輪切割器將鋁質反光杯切成一半，作為對照組驗證光形，得到圖 3-24 的光形。由圖 3-24 右上幾何光學分析可以看出來反射面因為反光杯切成一半而反射面也減少至一半，加上移軸透鏡後溢光的部分也變成半圓降至中心點。

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所以根據幾何光學我們得知溢光的部份會因為反射面的增減跟著有所增減，為了達到機車近光燈歐規 ECE (R113)光形需求，我們將矩形光形的最上方設為亮暗截止線，用砂輪切割器將鋁質反光杯切齊至 LED 芯片部份，使溢光部份不要超過亮暗截止線，使線及以上的區域的光照度≦0.32lux，再裝上移軸透鏡驗證光形，得到圖 3-25 的光形。

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由 3-2 節中 LED 搭配不同燈具光照度分布分析，從配光屏幕上的實際光形挑選出光形較佳的燈具組合，再根據歐規要求用幾何光學進一步設計切割反光杯，搭配移軸透鏡達到使用反光杯增加光的利用，且不會造成溢光，如圖 3-25 光形 C。再將光形 C LED 燈組光形投射至 10 公尺牆上檢視光形並量測光強度，由圖 3-26 可看出此光形大小符合明暗截止線要求，以及各區域的光照度量測結果已達到歐規(ECE 113)之機車近光燈燈具光照度要求，單顆 10W LED 亮度已可達到歐規光照度要求。圖 3-26 將光形 C 之燈組投射至 10 公尺牆上檢視

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3-3 機車 LED 近光燈燈組製作過程

這一節將介紹 LED 車燈的詳細製作過程，所使用的材料規格以及每一步驟。

圖 3-28 LED 車燈燈具材料

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圖 3-31 反光杯尺寸

圖 3-32 23mm 魚眼透鏡尺寸

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在透明墊圈上做設計，將有顏色可透光的卡點西德貼在墊圈上，這樣就可以透出各式各樣的光做為裝飾，就兼顧了實用與美觀。

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3-4 實際應用

(1) LED 取代小燈輔助大燈

而 LED 在汽車頭燈應用上也有複合式的設計，就是使用 LED 作為近燈光源，而遠燈使用鹵素燈泡的複合式燈組，我們也嘗試類似這種的應用，這次選擇安裝在 KYMCO RACING 125 的小燈上，LED 設置獨立開關，開啟時如圖 3-69 點亮 2 顆 10W 機車 LED 頭燈+2 顆 35W 鹵素燈泡，由圖 3-71、圖 3-72 可看出開啟 LED 使得原本的大燈更為明亮更適合在山區行駛。

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(2) LED 取代大燈

而 LED 具有低耗電高亮度的特性，我們將機車 LED 車頭燈設計的結果實際安裝在 SYM 心情 125 大燈上，由於老車的發電系統為單相發電導致發電量較低，所以大燈燈泡瓦數不能用太高，只能使用兩顆 18W 的小盤鹵素燈泡，如圖 3-73，導致大燈亮度嚴重不足，如圖 3-74 大燈兩邊安裝 10W 機車 LED 車頭燈後亮度大大提升，中心亮度約為原本小盤鹵素燈泡的 4 倍。圖 3-73 圖左為 LED 車燈、圖上為 H4 鹵素燈泡、圖右為小盤鹵素燈泡

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圖 3-75 固定及調整 LED 支架、以風扇散熱

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(3) LED 大燈與鹵素大燈比較

根據 3-3 節得到的結果，將此組合 LED 實際安裝在機車上，加以比較。測試機車為 SYM JET POWER 125，排氣量 125 c.c.，為雙大燈車種。如圖 3-77、3-78 將大燈一邊保留原 35W 鹵素燈泡，一邊安裝 3 顆 10W LED，功耗比較接近同瓦數以方便比較。如圖 3-79、3-80 實際道路測試可以看出 30W LED 亮度明顯大於 35W 鹵素燈泡，在中心 4~9 公尺量測的平均光照度提升有 2 倍之多，而且 LED 大燈照射範圍更寬廣。圖 3-77 圖右大燈為 H4 35W 鹵素燈泡，圖左大燈為 3 顆 10W LED 圖 3-78 大燈為 3 顆 10W LED

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圖 3-79 大燈為 H4 35W 鹵素燈泡之照射光形

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(4) LED 取代大燈-近(遠)燈

而只有近光燈還不夠完全取代大燈，於是我將 3 顆 LED 的上面那顆燈具換成較大的反光杯做為遠燈使用，如圖 3-81、圖 3-82，開啟近燈點亮左右下方 2 顆 LED，開啟遠燈點亮全部 LED，而達到具有遠近燈切換的功能。圖 3-8 為近燈點亮光形，圖 3-9 為近燈點亮光形。圖 3-81 LED 機車大燈-近(遠)燈

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第4章心得結論與未來展望

4-1 心得結論

一開始因為機車大燈不夠亮而產生使用LED作為大燈照明的想法，在網路上找了許多LED的資料，比較各種LED的價錢與性能後選擇了CP值最高的CREE XM-L 系列的LED，然後買了各式各樣的專用燈具。由於是機車要用的，驅動電路需要 12V的供給，正煩惱說沒有12V的電源時候，剛好組員的電腦升級有換下來一組電源供應器，我們便有了穩定的12V電源平台可以使用了。經過無數的夜晚犧牲我睡覺的時間來測試各種燈具並記錄，得到了不錯結果的燈具組合，LED搭配移軸透鏡得到長方行的理想光形，再加上反光杯後亮度大大提升，但是會有溢光的現象，應用在車燈上溢光可不是個好現象。為了符合車燈的相關法規，我們必須把溢光問題解決，於是我們對反光杯進行修改，我買了一台金屬切斷機，這樣要切割反光杯就很方便了。但是第一次切割就遇到了嚴重的問題，就是金屬切割時會產生大量的熱，這對反光杯的電鍍反射面可不是件好事，高溫會使反射面材料膨脹變形，馬上就讓我報銷了一個反光杯，不過沒關係，我們小組討論後決定再切割的時候持續撒水降溫，因為是鋁質反光杯也不會有氧化的問題。我們把金屬切斷機移到浴室，在切割的時候用蓮蓬頭持續對反光杯撒水，結果有撒水果然有達到降溫的效果，成功的解決反射面膨脹問題並完成切割。在嘗試切割不同大小的反射面得到了一些結果，就是溢光的部分是反射面所產生的，而反射面切割的多寡會影響到光形溢光部分的多寡，我們只需要將溢光的部份控制在亮暗截止線之下，也就是切齊主光斑的上緣，反射面也就是切割至切齊LED芯片的發光部份上緣即可。然後剩餘沒有被反射面反射所透出來的光當然也要好好利用，我想到在透明墊圈上做設計，將有顏色可透光的卡點西德貼在墊圈上，這樣就可以透出各式各樣的光做為裝飾，兼顧了實用與美觀。最後實際做出成品，再設計出一組機車可以安裝的30W LED大燈，實在是很讓人興奮。裝上機車實際測試得到了很好的效果，與鹵素燈泡相比不僅亮度高且發熱量低，讓我們覺得之前的努力沒有白費，更加覺得LED真的非常有潛力取代傳統的照明。原本的10W LED大燈我也嘗試裝在單個大燈但是有2個對稱小燈的車種，安裝在小燈這樣就不需要更改原本大燈也可以安裝LED車燈，左右各安裝一個10W LED加上原本的35W大燈，輕鬆補足原廠大燈亮度，也得到非常好的效果。 LED 在照明市場上的應用潛力己受到相當的重視，由於LED 的節能優勢，應用於各種汽車車燈的設計紛紛竄出，然而車輛行駛安全相當重要，尤其是屬於照

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以達到歐規亮度的要求，未來若再用ASAP光學軟體設計配光，再經由本實驗的光照度驗證方法，便可輕易設計出符合歐規光形以及強度的各式LED車燈。目前LED 每瓦產出的亮度已超越傳統鹵素燈絲，但高功率LED最大的問題就是若散熱不佳，將加速LED的光衰，LED的散熱問題仍需重視，一旦解決，LED 取代傳統照明將指日可待。

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4-2 未來展望

豐田的 LS600h 新款汽車是世界上首輛採用 LED 車頭燈的量產車，不過它只在近光燈上應用了 LED，遠燈光源仍為鹵素燈，該含兩種光源的複合式車頭燈組是由小系車燈廠供貨。LED 車前照燈在歷經近年來的技術驗證、概念車展示等開發階段之後，終於迎來了有望應用於量產車的入市前景，其代表性事件是：凱迪拉克 Escalade Platinum 新款汽車，成為率先在業界使用 LED 作為車頭燈(近、遠燈)之全光源的首個量產車型，這組頭燈將具備傳統鹵素頭燈高出 20 倍的使用壽命，而且更省電也可提供較低的工作溫度。而今 BMW 推出了 LED 主動式轉向頭燈含遠光燈輔助系統，如圖 4-2，外觀獨特又兼具實用性，它將夜間行駛時的抗疲勞帶到了全新境界，更進一步增強舒適度與安全性，可說是 LED 車頭燈之最，2013 年式 BMW 所有小改款之後的 7 系列長軸版都標準配備此項科技。當今以量產供貨 LED 的光電轉換（光能密度）指標達到每瓦 100 流明（lm/W）以上，而 HID 燈為 90 lm/W，鹵素燈則是 20 lm/W。實驗室研發最新的 LED 的該項指標已高達 254 lm/W，此事不僅意味著 LED 燈具將更加明亮，而且大大實現了其能耗的削減，從而改善整車的燃油經濟性。【22】【23】本專題已製作出機車 LED 小燈、大燈(近光燈、遠光燈)，但其中近光燈主要光斑和副光斑交界有部分暗區、遠光燈光形部份仍有改善空間，未來本專題製作的機車 LED 頭燈若要量產就可利用光學軟體例如:ASAP、Trace Pro、ZEMAX、FRED 等將燈具最佳化，如圖 4-3、圖 4-4 再使用 SOLIDWORKS 2010 3D 軟體設計結合透鏡且可固定反光杯的墊圈，LED 晶片搭配基板只需塗上散熱膏且用螺絲固定即可，這樣 LED 若損壞要替換就方便許多。又可利用 LED 燈組體積小特性，燈具的風格設計和造型布置具有空前的靈活性而適於車型的個性化，亦可做多組陣列搭配轉向式適路性頭燈系統，現在 LED 已可達到實際應用的各種要求，且有許多的優點，相信機車 LED 車頭燈很快就可以在大量的出現在消費市場上。

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圖 4-3 原透明墊圈之 LED 車頭燈 3D 外觀模擬

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圖 4-6 為我們將設計好的 3D 圖檔送交加工廠商製作出的成品，做完耐用度及各項相關測試後即可量產。

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24. ECE regulation, R112 (2001). http://www.isoqa.com.tw. 25. ECE regulation, R19 (1993). http://www.isoqa.com.tw. 26. ECE regulation, R50 (2004). http://www.isoqa.com.tw 27. ECE regulation, R113 (2004). http://www.isoqa.com.tw.

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附錄現行各車燈 ECE 法規簡介

由於白光 LED 的發現，開啟了新世代照明的多元應用，我們可以知道車燈的電量主要是靠電池來提供，而充電電池電量的延續則是依渦輪的轉動以充滿，此時所耗費的便是汽油；LED 的多項優勢中，其中之一便是省電，油耗量便減少，因此各大車廠或相關研究單位致力研發以 LED 當燈源的燈具，而不同的燈具依作用的不同有著不同的光形及強度分佈，在此將列出車輛常用或重要之燈具法規要求。目前全球使用的車燈法規有二種，一為 ECE(輸歐燈具之驗證法規，簡稱歐規)，一為 SAE(輸美燈具之驗證法規，簡稱美規)；符合使用的規範由各家車廠決定，由於歐規要求較嚴謹，目前許多國家皆使用歐規各車燈要求來驗證燈具是否符合標準，台灣目前亦是採用歐規來做驗證。由於規範要求兩具裝置之每一具發射之燈光強度及光形必須符合法規所示之最大及最小值，因此以下所介紹之燈具皆是單一個就必須符合光形及強度要求。

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I. 汽車近光燈

根據法規 ECE (R112)可知，汽車頭燈之近光燈意指用以照明車輛前方道路而不致對交會車輛駕駛產生眩光或不舒適光線之燈具；燈具的發光顏色為白色；此燈具具照明功能，即沿車輛移動方為照明道路及物體而自裝置射出之光，因此其強度單位為照度 lux (lm/m2 )，並強調光強分佈的均勻性。為了不讓光線使對方來車感到眩光或不舒適，光形及強度的分佈有其嚴格的要求，而依車輛在路上行駛的方向，可分成右行(如圖 1)及左行(如圖 2)；由圖 1 可知，右行車輛為避免光線影響對方來車視線因此光形左方為一在水平線(H-H) 以下直射的分佈，而右方有一以垂直線(V-V)及水平線(H-H)交界點為轉折點向上 15 度傾角的光形，則是為了照明右方道路以確保行人及行車的安全；左行車輛則依此類推。因此在這樣的設計要求下必須有清楚的明暗截止線，以明確投射出車輛行駛時的照明光束，增加道路使用的安全。【24】圖 1 右行汽車頭燈近光燈之光形分佈圖(ECE)。

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圖 2 左行汽車頭燈近光燈之光形分佈圖(ECE)。將設計好的右行汽車近光燈燈具，置放於量測架構上，於環境溫度為 23±5 ℃點亮燈具，投射於 10m 前屏幕所見之光形，此時我們可看見一均勻分佈的光形及清楚的明暗截止線，為水平線(H-H)下方 25cm 處，如圖 3，接著利用「財團法人車輛研究測試中心」所使用的量測方法，在 25m 處設置一照度計，藉由旋轉燈具的角度，來量測整個光形的強度值；他們所記錄的方式為每旋轉 0.25 度，量測記錄一次，以高密度的取點方式來驗證光形的均勻性，利用電腦的計算，判斷明暗對比度及規範所要求的量測點是否達到要求的比值及強度值；依強度的不同又可分為 Class A 和 Class B 二種等級，如表(一)，由表中我們可以看出 Class A 的強度要求較 Class B 寬鬆，對應至圖 1 的光形分佈圖可得知亮暗對比度皆為約 1:30 (右行頭燈：75L/B50L；左行頭燈：75R/B50R)；量測結束後，若圖 1 中的測試點及對比度全部符合表(一)所要求的規定，或量測值與規定值的誤差容許範圍不超過 20%時皆為通過 ECE 汽車頭燈的近光燈燈具法規在光形及亮度方面的檢測，若其他有關燈具的散熱及穩定性等等皆通過檢測，則可量產出售。

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II. 汽車遠光燈

遠光燈意指用以照明車輛前方遠距離之燈具，燈具發光顏色為白色，此燈具具照明功能，即沿車輛移動方為照明道路及物體而自裝置射出之光，因此其強度單位為照度 lux ( lm/m2 )，並強調光強分佈的均勻性。圖4 為ECE R112 法規之汽車頭燈遠光燈的光形分佈圖，遠光燈須將最亮區中心置於水平線(H-H)與垂直線(V-V)交點處，其量測方式與近光燈相同，燈具正確裝置於量測架構後，於環境溫度為23±5℃點亮燈具，先於10m 屏幕檢視光形是否符合法規所要求的光形分佈，再於25m 處由照度計高密度的量測光強度及均勻性是否符合法規的配光要求，依強度要求的不同仍分為Class A 和Class B 二種等級，如表(二)；圖4 與表(二)的光形分佈及配光要求值為單指頭燈遠光燈所投射出的光形及強度要求，若檢測之燈具為包含近光燈及遠光燈之頭燈，則光形為近光燈及遠光燈的疊加，最大照度值則是同時點亮近光燈及遠光燈的量測值，其值不得大於右行近光燈點75R 或左行近光燈點75L 之照度的16 倍。量測結束後，若圖4 中的測試點及光形分佈之均勻性全部符合表(二)所要求的規定，或量測值與規定值的誤差容許範圍不超過20%，則此汽車頭燈的遠光燈燈具或含遠光及近光之汽車頭燈燈具，即通過ECE 車燈法規在光形及亮度方面的檢測。圖 4 汽車頭燈遠光燈之光形分佈圖(ECE)。

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III. 汽(機)車前霧燈

前霧燈(Front Fog Lamp)意指於霧、雪、暴雨或砂塵下用來增進車輛前方照明用之燈具，射出之光線不會對駕駛者直接或經由後視鏡或其它反光面間接造成不適，燈具發光顏色為白色或選擇性黃色，其顏色定義標準是利用CIE1931 色座標圖來制定，定義出白色邊界範圍為x≧0.31、x≦0.5、y≦0.15+0.64x、y≦0.44、 y≧0.05+0.75x、y≧0.382的集合；選擇性黃色為y≧0.138+0.58x、y≧-x+0.966、 y≦1.29x-0.1的集合，如圖4-1，因此霧燈的光源必須符合顏色制定的範圍才允許使用；其強度單位為照度 lux ( lm/m2 )，並強調光強分佈的均勻性。圖5 為ECE R19 法規之汽(機)車前霧燈光形分佈圖，由圖可知，霧燈是一種光線為向下發散之照明燈具，當燈具正確裝置於量測架構後，於環境溫度為23±5 ℃點亮燈具，可於 10m 屏幕視其光形為一向下發散之長形分佈，因此於燈前25m 處做配光量測時，前霧燈之明暗截止線於必須位於水平線(H-H)下方50cm 處，再由照度計高密度的量測光強度及均勻性是否符合法規的配光要求，表(三)，由配光要求表我們可以約略計算出前霧燈所要求光束的明暗對比度至少須達到1:1.5 才能符合法規要求。量測結束後，若圖5 中的測試範圍、光形分佈之均勻性及對比度皆符合表(三)所要求的配光分佈，或量測值與規定值的誤差容許範圍不超過 20%，則此用於汽(機)車的霧燈燈具，即通過ECE 車燈法規在光形及亮度方面的檢測。【25】圖5 汽(機)車前霧燈之光形分佈圖(ECE)。

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IV. 汽車後霧燈

後霧燈(Rear Fog Lamp)意指在濃霧中使後方觀察者更容易辨識車輛存在的燈具，燈具發光顏色為紅色，須在遠光燈、近光燈或前霧燈其中之一點亮，才可點亮；此燈具為提供觀察者辨識用，以光進入人眼的角度來做規範，因此使用cd (燭光)當作量測強度的單位。圖6 為ECE R38 汽車後霧燈之光形分佈圖，將設計完成的汽車後霧燈燈具，架設於量測架構上，於環境溫度為23±5℃點亮燈具，以HV 點為旋轉中心，旋轉燈具在上下各5°及左右各10°的範圍內，高密度的取點，於燈前25m 處以照度計量測各點強度，每點的強度須在150~300cd 間才視為符合ECE 車燈法規在光形及亮度方面的要求。圖6 汽車後霧燈之光形分佈圖(ECE)。

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V. 汽(機)車晝行燈

晝行燈(Day-time Running Light)意指車輛在日間行駛時用以使前方觀察者指示存在的燈具，燈具發光顏色為白色，此燈具為提供觀察者辨識用，以光進入人眼的角度來做規範，因此使用cd (燭光)當作量測強度的單位。圖7 為ECE R87 汽(機)車晝行燈之光強度百分比分佈圖，將設計好的燈具，固定於量測架構上，於環境溫度為23±5℃點亮燈具，以HV 點為旋轉中心，旋轉燈具，以每0.25 度的高密度取點方式於燈具前25m 處以照度計量測燈具光源的強度，其照明面積必須大於40cm2 ，量測範圍在左右各20 度、上下各10 度的區域內，須符合圖中所要求的光強度百分比，即中心點HV 為最亮點，其強度值介於400~800cd 間，其它各點所量測的強度須大於HV 點的強度乘上所要的百分比的強度值，因此每一點的強度都為100%亦可。例如：HV點的強度為400cd，則 (V,H)=(0,5)的點的強度須大於400×0.9(90％)=360cd。若燈具的光強度達到圖7 所要求的強度分佈，則視為通過車燈在光形及亮度方面的檢測標準。【26】圖7 汽(機)車晝行燈光強度百分比圖(ECE)。

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VI. 汽(機)車前、後位置燈

前、後位置燈(Front、Rear Position Lamp)意指觀察者在前方或後方觀察時用以指示車輛存在及車寬之燈具，前位置燈的燈具發光顏色為白色，後位置燈的燈具發光顏色為紅色；此燈具為提供觀察者辨識用，以光進入人眼的角度來做規範，因此使用cd (燭光)當作量測強度的單位。圖8 及圖9 為ECE R50 汽(機)車前、後位置燈的光形分佈圖，圖中所示為汽車右邊之前位置燈及後位置燈之燈光照射範圍最小須涵蓋以燈具幾何中心(0,0) 為準，水平方向-45°~80°，垂直方向-15°~15°。然而其光度量測只要水平方向± 20 度，垂直方向±10 度的最小發光強度符合圖10 的強度分佈圖中對應點之百分比乘積，其強度範圍：前位置燈為4~60cd，即每一點的強度至少須達到4cd，不可超過60cd；後位置燈則為4~12cd，以前位置燈為例：若中心(HV)點的強度為60cd 則在(0°,10°)的強度至少須達到60×35%=21cd 但不可超過60cd。在這些量測角度外的發光強度沒有明文規範但不可超過400cd，此燈具即可通過在光形及亮度方面的檢測。圖8 汽(機)車前位置燈光形分佈圖。圖9 汽(機)車後位置燈光形分佈圖。

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IIIX. 機車近光燈

根據法規ECE (R113)可知，機車頭燈之近光燈意指用以照明車輛前方道路而不致對交會車輛駕駛產生眩光或不舒適光線之燈具；燈具的發光顏色為白色；此燈具具照明功能，即沿車輛移動方為照明道路及物體而自裝置射出之光，因此其強度單位為照度 lux ( lm/m2 )，並強調光強分佈的均勻性。為了不讓光線使對方來車感到眩光或不舒適，光形及強度的分佈有其嚴格的要求，其光形為在水平線(H-H)以下直射且對稱的分佈，因此在這樣的設計要求下必須有清楚的明暗截止線，以明確投射出車輛行駛時的照明光束，增加道路使用的安全。依機車排氣量的不同可分為Class A (<125c.c.)、Class B (125c.c. )而 Class C 為≦125c.c.包含前位置燈的組合式燈具，Class D 為＞125c.c.包含前位置燈的組合式燈具。圖11 為Class A 頭燈近燈量測光度範圍的示意圖，法規要求圖中H-H 線及以上的區域的光強須≦0.32lux，距H-H 線下方75cm 處的 R25-L25 線上任意點的光強須≧1.28lux，距 H-H 線下方150cm 處的 R12.5-L12.5 線上任意點的光強須≧0.64lux，以上要求若符合則表示通過車燈 ECE 法規Class A 的光學特性的檢測標準。圖11 機車頭燈近燈Class A 光度量測範圍示意圖。將設計好的機車近光燈燈具，置放於量測架構上，於環境溫度為23±5℃點亮燈具，投射於10m 前屏幕所見之光形，此時我們可看見一均勻分佈的光形及清楚的明暗截止線，為水平線(H-H)下方37.5cm 處，接著利用「財團法人車輛研究測試中心」所使用的量測方法檢測，在25m 處設置一照度計，藉由旋轉燈具的角度，來量測整個光形的強度值；他們所記錄的方式為每旋轉0.25 度，量測記錄一次，

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量測點所要求的照度值，由表對應至圖12 的光形分佈圖可知其明暗對比度 HV 點：點50V 約為1：4.3，若圖12 中的量測點及對比度全部符合表(四)所要求的規定，或量測值與規定值的誤差容許範圍不超過20%皆為通過ECE 機車頭燈近光燈Class B 燈具法規在光學特性方面的檢測。圖12 機車頭燈近燈Class B 之光形分佈圖(ECE)。表(四) 機車近燈Class B 量測點所要求的照度值。

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圖13 為機車頭燈近燈Class C & D 之螢幕測試點分佈圖，其光形為機車頭頭燈近光燈Class B 與前位置燈的光形疊加，表(五)為測試點所要求的強度值，以HV 點為中心點(0°, 0°)其左方之角度為負值，右方為正值依此類推；zone1 為中心點上方4°~10°左右各1°的區域，zone2 為中心點上方10°~90°左右各1°的區域， zone3 為中心點上方10°~90°、中心點左方-1°~-10°及中心點右方1°~10°的區域，zone4 為中心點左方-1°~-10°及中心點右方1°~10°和中心點上方4°~10°的區域，zone5 為中心點往上4°及左右各8°的區域。若量測點全部符合表(五)所要求的強度值，或量測值與規定值的誤差容許範圍不超過20%皆為通過ECE 機車頭燈近光燈Class C & D燈具法規在光學特性方面的檢測。【27】圖13 螢幕測試點分佈圖。

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