思維風(fēng)暴：看頂尖LED前照燈設(shè)計

　　精密配光，高效使用白色LED光線

　　日產(chǎn)汽車2010年12月上市了電動汽車（EV）“LEAF”（中國名：聆風(fēng)。圖1）。該車以最初年產(chǎn)5萬輛，2012年年產(chǎn)20萬輛這一在EV中前所未有的規(guī)模實施量產(chǎn)。該款車型有很多值得關(guān)注的地方，比如通過與具有通信功能的導(dǎo)航儀聯(lián)動來指引充電設(shè)施所在位置，為延長續(xù)航距離對鋰離子充電電池進行徹底的電源管理等等。其中，標(biāo)配的LED前照燈也頗受關(guān)注。

圖1：日產(chǎn)LEAF

　　負(fù)責(zé)為LEAF開發(fā)LED前照燈的是日本市光工業(yè)。為了以低成本實現(xiàn)“世界最高的節(jié)電性能”，市光工業(yè)在既可抑制白色LED的發(fā)光損失又可獲得所期望的配光特性方面下了一番工夫，同時還采取了對白色LED進行高效散熱，確保高發(fā)光效率的對策。

　　LEAF的LED前照燈在近光燈光源上采用白色LED，近光燈點亮?xí)r的耗電量為整個前照燈23W。這一數(shù)值僅為55～60W級鹵燈的40％左右、43～45W級HID燈的50％左右。即使與豐田混合動力車“普銳斯（Prius）”的現(xiàn)有車型所配備的LED前照燈（近光燈點亮?xí)r約35W，新車發(fā)布時的數(shù)值）相比耗電量還要小。

　　只用2個白色LED作為光源

　　在市光工業(yè)統(tǒng)管LED前照燈開發(fā)的村橋克廣（市光工業(yè)開發(fā)本部研究開發(fā)部P2P3第1項目組負(fù)責(zé)人）強調(diào)的一點就是，LEAF的每個前照燈只使用2個白色LED（圖2）。LEAF售價為376萬4250日元（含稅），利用政府補貼時為298萬4250日元（含稅），作為EV將價位控制在了較低水平。但該車卻在這一普及價位下標(biāo)配了LED前照燈。因此，與作為選配或者在高檔車型上配備時相比，勢必要將LED前照燈的部件成本控制在低水平上。為此就必須“在其他廠家使用3個白色LED的地方只用2個”（市光工業(yè)）。

圖2：LED前照燈。每個LED前照燈使用2個白色LED。

　　不過，如果簡單地將3個LED減為2個的話，前照燈的亮度就會不足。雖然隨著白色LED特性不斷改善，遲早能夠用2個實現(xiàn)與3個同等的亮度，但現(xiàn)有白色LED的“亮度還未達到足夠明亮的程度”（村橋）。一般來說，提高對白色LED的輸入功率即可獲得足夠的亮度，但這時發(fā)熱量往往會增大，導(dǎo)致白色LED的溫度上升，進一步導(dǎo)致LED的發(fā)光效率下降。而且耗電量變大的話，會減弱LED前照燈的“低耗電”這個優(yōu)點所擁有的魅力。因此，市光工業(yè)為了能夠低損耗地使用白色LED的光線采用了精密的配光控制技術(shù)，并進行了可使白色LED保持高發(fā)光效率的散熱設(shè)計。

　　以3個反射面實現(xiàn)所期望的配光

　　市光工業(yè)此次在配光控制的光學(xué)系統(tǒng)中采用了被稱為反射鏡型（反射型）方式。該方式通過用反射鏡反射光源（白色LED）發(fā)出的光線來實現(xiàn)需要的配光。此次的LED前照燈使用一次反射鏡（橢圓反射鏡）、燈罩、二次反射鏡（拋物面反射鏡）這三個反射面進行配光（圖3）。

圖3：LED光學(xué)系統(tǒng)

　　一次反射鏡配備在白色LED的垂直方向附近，將白色LED發(fā)出的光線光路改向投射至二次反射鏡面。燈罩具有對前照燈發(fā)出的光束形狀進行調(diào)整的功能（遮擋功能）。雖然這部分采用燈罩這一名稱，但為了不使調(diào)整光束形狀時擋住的光線被浪費掉，在燈罩上增加了反射功能。這樣，那些未沿著所期望的方向行進的光線便轉(zhuǎn)向二次反射鏡進行反射。二次反射鏡會反射一次反射鏡及燈罩反射過來的光線以及部分直接來自白色LED的光線，最后作為前照燈的光線放射出去。這時，白色LED的光線是由這些反射面進行1～3次反射后，向前照燈外部射出的。在反射面中，二次反射鏡的形狀最為復(fù)雜。由多個反射面構(gòu)成，不是單純地投射光線，而是能夠向必要的部位調(diào)配光線（圖4）。

圖4：二次反射鏡由多個反射面構(gòu)成

　　在LED前照燈的光學(xué)系統(tǒng)中，除了此次采用的反射鏡型以外，還有使用透鏡的聚光燈型產(chǎn)品。以往的LED前照燈以聚光燈型為主流。據(jù)市光工業(yè)介紹，聚光燈型雖然具有通過遮擋等容易制造出明暗界面的優(yōu)點，但同時也存在光學(xué)系統(tǒng)的進深方向變長，不利于精密配光控制的缺點。而LEAF的LED前照燈由于是反射鏡型，因此能夠縮短光學(xué)系統(tǒng)的進深。并且，通過組合上述功能各不相同的反射面來進行精密控制，也可高效地制造出明暗界面。另外，前照燈的外觀設(shè)計也很有特點，從外部無法直接看到白色LED光源。

　　反射鏡型LED前照燈的創(chuàng)意是在市光工業(yè)與法國法雷奧（Valeo）合作的過程中誕生的。反射鏡型的開發(fā)原本在法雷奧進行，但一直未能實用化。后來通過市光工業(yè)與法雷奧合作，使反射鏡型LED前照燈最終變?yōu)榱恕皩嵱没a(chǎn)品”（村橋）。法雷奧同時推進聚光燈型和反射鏡型的開發(fā)。當(dāng)時聚光燈型LED前照燈已在市面上出現(xiàn)，而反光鏡型尚無實用先例，為了突出“獨創(chuàng)性作為賣點”（村橋），市光工業(yè)選擇了開發(fā)反光鏡型LED前照燈。

　　采用多芯片白色LED，每個輸入約10W功率

　　光源采用的白色LED是從美國飛利浦流明公司（Philips Lumileds Lighting）采購的。市光工業(yè)從2005年開始與日產(chǎn)及飛利浦流明共同開發(fā)LED前照燈。此次LED前照燈采用飛利浦流明的白色LED并配備在日產(chǎn)車輛上，正是共同開發(fā)的成果之一。另外，市光工業(yè)在共同開發(fā)之前就已經(jīng)在研發(fā)LED前照燈，曾在展會等場合展出過使用20多個LED芯片的LED前照燈。

圖5：白色LED

圖6：飛利浦流明在白色LED上采用的“Thin Film Flip Chip”（TFFC）技術(shù)

　　此次配備的白色LED為多芯片型，4個1mm見方的白色LED橫向排成一列配備在一個封裝內(nèi)（圖5）。通過使用4個芯片，獲得了可供前照燈使用的足夠亮度。

　　據(jù)市光工業(yè)介紹，在開發(fā)白色LED時，為了輕松配備到前照燈上，該公司在封裝形狀及電源連接器等方面向飛利浦流明提出了諸多要求。要求內(nèi)容甚至還涉及白色LED芯片在封裝內(nèi)的安裝位置精度。詳細(xì)數(shù)值未予公布，據(jù)說原因在于白色LED芯片的安裝位置稍有偏差，就會影響到基于反射面的光學(xué)系統(tǒng)。

　　白色LED芯片是在藍色LED芯片上粘貼了熒光體后形成的。利用飛利浦流明稱為“Thin Film Flip Chip”（TFFC）的技術(shù)在陶瓷基板上以倒裝芯片形式安裝藍色LED芯片，然后在上面加蓋“Lumiramic”熒光板（圖6）。裝有4個白色LED芯片的平面被用硅酮樹脂密封。密封部位為平面形狀，而不是白色LED中常見的透鏡形狀。

　　LED前照燈點亮?xí)r向每個白色LED輸入約10W功率。白色LED點亮?xí)r的光通量為550lm，因此點亮?xí)r的發(fā)光效率約為55lm/W。在白色LED中，發(fā)光效率宣稱超過100lm/W的品種近年來不斷增加。與這些品種相比，此次LED前照燈的白色LED在發(fā)光效率上顯得有些偏低，但這種看法其實是不對的。那些號稱超過100lm/W的發(fā)光效率，實際上是指脈沖發(fā)光狀態(tài)下LED芯片結(jié)溫接近室溫時的數(shù)值。而LEAF使用的白色LED，其性能則是實際使用環(huán)境下的數(shù)值。實際使用