光學(xué)設(shè)計時先考慮法規(guī)需求，討論視角與強度關(guān)系，以近燈為例須針對其特殊的15度揚角設(shè)計，如圖5所示。在傳統(tǒng)的燈具設(shè)計上由先期的利用反射罩配合透鏡刻紋作角度與強度的控制，演變成為利用反射罩直接控制強度角度，也發(fā)展出利用成像方式的魚眼透鏡設(shè)計法。不論何種的設(shè)計方式都須先考慮選用光源的特性，特別是角度與強度的光型輸出(Beam pattern)，對傳統(tǒng)的光源而言，大多為柱狀光源，可產(chǎn)生類似蝴蝶外型的光型輸出，進(jìn)而發(fā)展出來與之搭配的透鏡、反射罩、擋板、透鏡等光學(xué)組件。而利用LED作為光源設(shè)計燈具時，需重新考慮其光學(xué)特性由傳統(tǒng)的柱狀光源變?yōu)槠矫婀庠?不同的封裝設(shè)計有不同的光型輸出)，進(jìn)而搭配外部的光學(xué)組件而產(chǎn)生不同組合以應(yīng)用于不同產(chǎn)品，依照德國車燈大廠HELLA的設(shè)計分類，可將光源分為八大類，如圖6 所示。LED目前的單位面積發(fā)光量尚不及鹵素?zé)襞菖c放電式燈泡，想得到相同的流明輸出，LED需要較大的封裝面積。隨著光源輸出面積的增加，光學(xué)設(shè)計的難度也隨之提升，所以在現(xiàn)有的概念車上，都以模塊化光學(xué)設(shè)計取代既有的單一燈室設(shè)計，利用多組燈源達(dá)到傳統(tǒng)燈具的照明水平，除了降低光學(xué)設(shè)計的難度，也增加車體造型的設(shè)計感。

　　圖6 頭燈設(shè)計相關(guān)技術(shù)

　　資料來源：Hella

　　圖7 LED光源設(shè)計

　　資料來源：Hella

　　散熱設(shè)計是LED光源區(qū)別于傳統(tǒng)光源的課題之一。傳統(tǒng)燈具產(chǎn)生的熱遠(yuǎn)高于LED，但傳統(tǒng)燈具不會因為高溫而降低其光源輸出能力，但LED的光輸出卻會隨著本身接口(Junction, PN接口)溫度的升高而下降，如圖8所示。而其產(chǎn)生的熱如何散除到外界環(huán)境與其封裝結(jié)構(gòu)材料息息相關(guān)，牽涉到使用的散熱材料與相關(guān)外型，關(guān)系如圖9所示，其中熱阻的概念，代表輸入W功率時，需要提高多少K溫度才足以散熱。以現(xiàn)有的封裝技術(shù)最高可允許LED操作在185℃(Lumiled K2)，但一般因為封裝膠材的關(guān)系，可允許的操作溫度約在125℃，除了考慮光源輸出效率之外，亦考慮封裝膠材的變質(zhì)(樹脂類材料在高溫有老化現(xiàn)象)。

　　圖8 接口溫度對光源輸出的影響

　　資料來源：Lumiled

　　引擎室的溫度在燈具附近最高可到85℃，配合Lumiled K2可有100℃的散熱空間，但若配合一般的LED則只有40℃的散熱空間，觀察相關(guān)熱阻，R_Junction-Slug、R_Slug-Board都決定于封裝體，對設(shè)計者而言只能針對R_Board-Ambient努力，其中包括如何將封裝體固定于散熱基板上(接著質(zhì)量)、散熱結(jié)構(gòu)外型設(shè)計、主被動散熱考慮與外部環(huán)境等條件。因此在此處應(yīng)該與機構(gòu)進(jìn)行相關(guān)模擬設(shè)計，取得燈具在引擎室內(nèi)的流場與溫度條件后再考慮所需的散熱模式，若選用被散動熱得需要較大的散熱空間，對引擎是而言是不小的負(fù)擔(dān)，若選用主動式散熱，雖然所需散熱環(huán)境較小，但因為增加了風(fēng)扇等可動件，反而需考慮此可動件可否通過車燈上的相關(guān)法規(guī)，包括震動、粉塵、腐蝕與濕氣等嚴(yán)苛環(huán)境。

　　圖9 封裝與散熱熱阻關(guān)系

　　資料來源：Lumiled

　　LED在頭燈應(yīng)用上遭遇的難題

　　LED應(yīng)用于頭燈上在許多的車展上各家車廠都有展示相關(guān)的概念車，但在頭燈部分尚未看見有成品出現(xiàn)，仍有需多問題尚待解決。其中主要問題應(yīng)在于亮度輸出、散熱問題與誤差設(shè)計。

　　頭燈的亮度需求近燈900流明，遠(yuǎn)燈1100流明，整體需求2000流明，約是Lumiled生產(chǎn)40顆1W封裝體Luxeon emitter在25℃的總光源輸出，但當(dāng)其外界溫度升高至50℃時，其效率將降至80%以下，且其光源輸出面積約90_2(氣體放電式燈泡約 13_2)，設(shè)計難度亦隨之提升。

　　在LED產(chǎn)業(yè)中，應(yīng)對磊晶造成芯片的不均勻而發(fā)展出所謂的分類銷售的過程，特別是高瓦數(shù)的芯片在LED產(chǎn)業(yè)上是全檢出貨，依照波長亮度進(jìn)行分類，也因此封裝后的個體存在著細(xì)微的差距，此差距可能存在于亮度、色溫或是可靠度上。然而應(yīng)用LED于頭燈時，不可避免會利用多顆芯片以輸出足夠亮度進(jìn)行光學(xué)設(shè)計，此時需特別注意LED質(zhì)量檢測與質(zhì)量控制的環(huán)節(jié)，以確保相同質(zhì)量的光源輸出。