守護行車安全重要的明燈──認識車輛頭燈系統

文／Thomas／AutoWeek汽車週刊412期

圖／AutoWeek汽車週刊

當1885年德國誕生人類第一部汽車，初期的車輛上是無照明配置的。然而汽車照明則是汽車問世後的第二年才出現。而第一個汽車前大燈是一盞家用手提燈。話說1887 年的某天，某一個駕駛在黑夜曠野上迷路時，郊野的農民利用煤油燈導引回家的路。而第一盞車載電燈則直到1898 年，才在哥倫比亞號電動汽車上出現。透過電池除了帶動汽車外，順勢把電用於前燈和尾燈，最初的前大燈不能調光，所當兩車會車時，對向駕駛則會感覺到眩光而衍生事故。為了解決這項缺點，隨後在車燈上加裝瞭光度調整裝置。但駕駛必須下車調整車燈的夾具。隨著近年車用電子的蓬勃發展下，透過光感應與其他車輛狀態的感應器，搭配微電腦控制裝置。車燈將也不再只是垂直調整，更能透過車輛動態調整水平方向，回顧最早期的乙炔燈發展到當今的LED車燈系統，轉眼已經過了 120個年頭。

在車頭燈發展的第一代產品，採用燃燒乙炔的燈具燈具具有高輪廓亮度，乙炔焰的亮度比當代的電光源所能達到的亮度高出一倍。因而在1925 年以前所使用的汽車頭燈照明幾乎全是乙炔燈具的天下。隨後的第二代車頭燈系統，轉變為電燈形式為電光源照明時代的開端。在西元1913 年代，隨著螺旋燈絲的充氣白熾燈泡問世，因本身有較高亮度，但是因為當代車用電子法規的制約下，直到 1925 年，汽車頭燈系統才全面採用電氣照明裝置。而後，因應交通越趨繁忙的路況，車頭燈的需求逐漸變為車輛重要的配置之一。

車燈發展於是進入了第三個世代：擁有雙燈芯的車頭燈具。由於具備有高亮度燈泡的車頭燈，在點亮行車駕駛時，對於來車交會時，會因車頭燈的強光造成對向駕駛的眩目問題，而導致交通事故發生的嚴重問題。所以，對於車頭燈設計，工程師提出了兩個的設計要求︰一個是如何在不小於 100m 的距離內使道路和高度至少為 2至2.5公尺內的障礙物能得到良好的照明；而另一個是如何避免來向車輛的駕駛產生眩目。於是，雙燈蕊的燈泡被用於第三世代的車用頭燈照明上。在第三世代的車燈近光系統上，屬於對稱型近光設計，意思就是光型在左右燈具投射下完全相同，在左駕或者右駕國家車輛上皆適用。

▲哥倫比亞電動汽車上的車頭電燈。

▲雙蕊鎢絲頭燈燈泡。

1924 年，歐洲首先發表了雙光燈芯的車頭燈照明系統之後，美國緊接其後發表雙絲燈泡的車頭燈照明系統。但兩個系統卻在車用頭燈光學系統架構與原理上不同外，燈泡的差異也出現在燈絲的形狀和在燈泡裡位置不同︰由於燈具的反光鏡的設計差異，會導致燈泡光線折光後的圖案和照射距離計算的不同，在近光燈的光源配置也因此有所不同。目前多數車輛上的近光燈系統區分為歐規與美規兩種，後續如何整合統一規格？是目前全球車用燈具發展的重要課題之一。

由於車輛頭燈照明所衍生出的眩光問題，在第三世代的燈具上，仍有些設計的盲點，因此燈具設計進入了第四個世代：不對稱式車頭燈具設計。當車輛行駛時遇到對向來車，進行遠近光切換當下，因近光燈的視野距離縮短，迫使行車速度降低。為解決在會車過程中，車輛頭燈照明不易造成來車駕駛眩目，又能保有對於路況具有良好的照明，1932 年美國發明了不對稱式車輛頭燈照明裝置，透過以基準軸為中心，將光束一分為二，靠近來車一側的落地距離短（即將光束壓低，達到防眩），而另一側光束的落地距離長（即光束抬高，從而增加視野照明距離）。

▲平滑折光罩的燈具設計。

▲多重折光面光罩的燈具設計。

▲魚眼遮光罩與折光罩的燈具設計。

之後的第五世代照明革新，因為鹵鎢燈技術發展（因為燈泡材料使用「石英鹵素」、「石英碘」等）能增加有效發光效能：因為可耐更高燈絲溫度，且輸出每瓦更高的照度，鎢-鹵素燈具。讓燈具更亮且壽命更長。以相等的光度，鹵素燈泡具有較長的壽命。但是與近光燈具規格的發展情況一樣，歐洲與美國在設計上不同。1983年後，美國在車用頭燈燈泡的發展上著重燈泡壽命和低功耗，而歐洲的設計則偏向光學精度和亮度輸出。鹵素燈具的代碼是以H開頭的字串。H1是第一個鹵鎢燈泡。它是由歐洲燈泡與大燈製造商組成的財團在1962年所推出。具有單個軸向燈絲，其燈泡效能為12V輸出55W瓦（55瓦@ 12.0V，1820流明@ 13.2Ⅴ）， H1從1962年推出到1966年間，雖然陸續推出H2與H3，廣泛用於遠光輔助和霧燈，但H1規格的燈具仍為大燈採用之規格。H2規格燈泡因為需要一個複雜的燈具座接口，壽命短且難以處理。由於這些原因，H 2規格幾乎甚少車廠願意設計成為其頭燈具配備。而1964年開發出的H4規格。其燈絲允許工作溫度較普通白熾燈泡高，光效增加約 50% ，壽命也增加一倍。除了轎車使用12V的外，許多燈泡則採24V。這類燈具多半是用於卡車，公共汽車和其他商業和軍用車輛。

▲廣泛使用的H4雙蕊鹵素頭燈燈泡。

伴隨材料科技與光照技術的升級第六世代的車用頭燈系統問世：HID (High-intensity discharge)的車用頭燈燈具系統，HID氙氣頭燈是以高壓擊穿惰性氣體電離而發光，其產生的光照度強，色溫高，穿透力強，而且節省電力，是一個極為理想的車用頭燈光源。但也因為光線穿透力十足，因此，對於來車眩光問題更需要被重視。不過，HID的燈具也有以下幾個缺點：包括需要高電壓的驅動，維修費用高昂（燈泡與安定器價格昂貴），需要加裝安定器來提供變壓的動作。近幾年由於LED的技術發展越趨成熟下，第七世代的車用照明問世，根據美國最新的研究結果顯示，未來數年內，白光大功率LED技術將大幅度代替目前的各種照明產品成為車用照明系統的主要光源裝置。

▲隨著科技演進，每個世代頭燈照明的光度差異。

討論完車用頭燈燈具光源的技術後，主動式頭燈是目前多數高級轎車與車輛的配備，傳統頭燈是固定式投射燈光到前方路面，以照明道路。但這樣在車輛過彎路徑上，則會有照明死角產生，導致事故的發生，因此，多年來，有大部分車廠將霧燈改為轉向式照射方式，以彌補主要頭燈的照明廣度不足所衍生之問題。這幾年搭配主動式頭燈設計，車輛轉向時，車頭燈會隨轉彎幅度調整方向，甚至結合紅外線的偵測功能，或者未來還可以依據對向車輛的偵測來自動調整水平角度，避免眩光發生。搭配光照度Sensor偵測功能，現在多數的頭燈開啟已經可以自動開啟，讓車用照明不僅提供行車安全，還可以提供便利的駕駛環境，讓駕駛專心於開車，免除因為開啟光源等問題分心。

想想現在的駕駛跟120年前的駕駛來比較，真的讓開車樂趣增加，危險降低。不過，往後的數年，透過車用電子的發展，或許駕車的樂趣反而又邁入無趣的年代，因為，駕駛掌控車輛的程度，將隨著汽車電子發展而逐漸降低，轉而透過微電腦控制的年代，即將降臨！