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作者:徐業良(2014-10-12);推薦:徐業良(2014-10-12)
附註:本文發表於汽車購買指南雜誌,2014年十一月號,史丹福專欄。

汽車照明進入LED時代

2013年的諾貝爾物理學獎是由比利時和英國兩位教授獲得,理由是「理論上發現一種有助我們了解次原子粒子質量起源的機制,所預測的基本粒子最近被歐洲核子研究中心大強子對撞機的ATLASCMS實驗找到,因而獲得證實」。

2012年的諾貝爾物理學獎頒給了瑞典和美國兩位科學家,瑞典皇家科學院在聲明中指出,這兩位諾貝爾獎獲得者「提出了突破性的實驗方法,使測量和操控個量子體系成為可能。」

2011年的諾貝爾物理學獎

OK,我只是想表達,這些偉大的諾貝爾物理學獎得主成就的確非常深奧,很難了解其貢獻。沒有不尊敬的意思,但像我一樣的平民老百姓對諾貝爾物理學獎的反應可能是,「關我什麼事

2014年諾貝爾物理學獎得主在107日揭曉,由三位日本學者赤崎勇、中村修二和天野浩共同獲獎。他們的得獎原因是「發明有效率的藍色發光二極體,催生明亮而節省能源的白色光源」。

啊,感覺很真實對不對?三位日本學者在藍光LED上的突破,的確改變了每一個人的生活。

也許您早就知道了,不過這裡還是先簡單解釋一下藍光LED的重要性。

LED的全名是「發光二極體(Light Emitting Diode)」。二極體是由半導體材料製作的電子元件,功用就像是一個電路中的單行道,讓電流只能從單一方向流過,「發光」二極體則是在電流導通的時候會,發光。在1962年發明的LED只能發射出紅外線(就是現在很多家電使用的紅外線LED遙控器),隨後發展出能發出可見光的LED,但亮度不高,初期只能用來各種電子器材的顯示器情形,像是您開關電視或電腦時亮起來的小紅燈或小綠燈,或者電梯裡顯示數字的七段顯示器等等。

LED發光二極體發出的光是甚麼顏色,和LED採用何種半導體材料有關。早期採用半導體材料砷化鎵的LED只能發射出紅外線或紅光,後來逐漸發展出其他單色光的版本,像是綠光LED。光的三原色RGB中紅光、綠光都已經到位,發射亮度也逐漸增強,唯獨藍光LED受到半導體材料氮化鎵結構上的限制,發出的藍光亮度微弱,沒有辦法和紅光、綠光組合出足夠亮度的白光。直到1993年這三位日本科學家在藍光LED氮化鎵層中混入銦和鋁,才成功地大幅提高藍光LED的亮度。有了這項突破,白光LED隨後快速發展,智慧型手機、電腦、電視的螢幕都改用LED為光源,LED燈泡也比傳統光源更亮、更乾淨、更耐用,更節能。

這三位日本科學家也在20年後獲得了諾貝爾物理學獎。

汽車照明也是LED另一個重要的應用。說實在,汽車上需要各式各樣不同的燈光種類還挺多的,各種燈光的要求也大不相同,但是「多才多藝」的LED似乎提供了汽車照明的終極解答。

LED在汽車上最早的應用,是裝置在汽車後方中央高位的剎車燈。在這個應用上LED反應時間短是重要優勢,LED點亮只需要1毫秒,使用傳統燈泡則需要200毫秒(0.2秒)以上。以高速公路110公里行車速度來算,剎車燈快上這0.2秒點亮,代表後車多了6公尺以上的剎車距離。此外加拿大和一些北歐國家規定駕駛白天也必須開大燈,早期白光LED還不夠亮,但應用在汽車的「日間照明燈(Daytime Running Light, DRL)」也已經綽綽有餘。

2005年左右,LED開始大量應用在量產汽車的尾燈組,包括尾燈、霧燈、剎車燈、倒車燈、轉向燈等等,作為指示性的光源,到現在已經幾乎成為所有汽車尾燈組標準的技術了。在尾燈組的應用上,LED已經顯示出相較於一般照明技術許多明顯的優勢。以「燈絲」發光的照明技術除了發光之外也產生大量的熱,因此通常蠻耗電的;LED發光的原理主要是半導體材料中電子與電洞結合時,以光傳遞其所釋放出的能量,屬於「冷性發光」,先天上耗電量低。然而和其他冷性發光的光源相比,像是日光燈或時下頗受歡迎的省電燈泡,LED在二極端子間通入極小的電流便可發出光亮,不需要暖燈啟動,反應速度又快得多。LED尾燈操作溫度是攝氏50度,功率是4W,使用傳統燈泡的尾燈操作溫度是攝氏100度,功率是21W

傳統尾燈就是一個圓形燈泡罩上外殼,很難發揮甚麼設計的創意。LED燈泡尺寸小,在尾燈裝置深度只要50mm(傳統燈泡裝置深度要150mm),又容易配合車尾設計以陣列方式組合成各種造型,甚至閃爍的模式、燈光位置都可以有很大的設計彈性(例如現在許多轉向指示燈是裝在後照鏡邊緣),汽車外型設計也因為LED的應用而產生很大變化。LED尾燈壽命可達10萬小時,基本上可能比汽車本身壽命還長,又很耐震動,汽車整個生命週期大概都不需換燈泡;相較於傳統燈泡壽命大約只有1000小時,汽車整個生命週期尾燈組平均要換15次燈泡。

白光LED真正的戰場還是在汽車頭燈照明,早期還是花了些時間來克服汽車照明需要亮度上的問題。2007LEXUS LS 600推出了世界第一款應用在量產車的LED近光車頭燈,採用5個車用LED模組做光源,遠光燈則還是使用鹵素燈為光源;同一時期Audi A8應用在量產車的全LED車用照明系統正式上市,包括近光燈、遠光燈、日間照明燈、轉向指示燈等等,完全採用LED技術。

除了前面提到反應時間短、耗電量低、設計彈性大、壽命長等優點之外,LED應用在汽車頭燈照明最重要的優勢,是LED可以用電腦程式控制,提供了許多技術創新的可能性,也將汽車頭燈的功能帶入全新的水平。2014年的Audi A8配備最新的矩陣式LED頭燈“Matrix LED”,每個頭燈是由25LED組成,5LED為一組共用一個反射面,搭配一個攝影機分析車頭前方影像。Audi宣稱這套系統的「照明策略」是三度空間、動態、且互動式的,50顆遠燈LED都可以由一個控制單元點亮、關閉、或調整亮度,把頭燈設在自動模式,開啟遠燈,這套系統便能自動運作。

您平常夜間開車時,會使用遠光燈嗎?

我想即使很有需要,大部分駕駛人夜間開車時應該都不常用遠光燈,主要怕會影響對向來車的視線。另一方面如果後方車輛開遠光燈,特別是在後面用遠光燈閃你時,通常都被認為是「不友善」的舉動。

“Matrix LED”的攝影機能夠動態辨識前車和對向來車,透過對每一個LED的控制,當偵測到前車或對向來車靠近時,相對應區域的LED便會變暗,前車通過後,又恢復原先亮度;在這些調控的同時,Matrix LED頭燈還是能夠對車頭其他區域提供最大且均勻亮度。Matrix LED偵測到有行人可能威脅到行車安全時,特定方向LED會針對行人自動閃爍三次警示訊號;甚至在過彎時Matrix LED還會依照導航地圖的資料,事先打亮過彎側的路面。

Audi這套Matrix LED系統採用電子式調控,而非使用遮光板做機械式調控,在YouTube有許多展示影片,照明區域的動態調整真的如電影特效一般精準。

真的挺聰明的,Audi A8車主夜間開車時,應該可以放心大膽地開遠光燈了。

Mercedes-Benz似乎也決心要扮演LED汽車照明技術先驅者的角色,2013年推出的第六代Mercedes-Benz S-Class,號稱是全世界第一部車,全車上下沒有一顆非LED的燈泡。

S系列全車配置了490LED,包括兩個頭燈各有56LED,兩個尾燈各有35LED,加上4顆車尾LED霧燈,車內各種指示燈、照明燈更用了大約300LED。和Audi A8的系統類似,S系列也以裝置在前擋風玻璃的攝影鏡頭辨識前方汽車的尾燈或對向來車的頭燈,因應做遠燈的調整,不過S系列不是控制個別LED燈泡,而是驅動三個馬達,調整遠燈的水平和垂直位置,以及頭燈光線的分布。S系列頭燈中還有一組夜視LED,會將紅外線打在前方偵測到的行人或動物,讓駕駛人看得更清楚。除了前方和對向來車之外,整套系統還考慮到後方車輛駕駛人,夜間開車時車尾剎車燈和轉向燈亮度都會自動調暗。

這兩天寫稿子,腦袋裡想的都是LED,晚上從台北開車回桃園,一路上眼睛看到的也都是LED。前車的尾燈、剎車燈,高速公路沿路上的路標、告示板、施工車輛的號誌,甚至下高速公路後路口的紅綠燈、路旁的檳榔攤,LED真的無所不在。

回到家打開客廳的白光LED燈,明亮到幾乎有些刺眼,心裡覺得這三位日本學者赤崎勇、中村修二和天野浩的貢獻,確實值得一個諾貝爾物理學獎呢!