思維風(fēng)暴：看頂尖LED前照燈設計

　　精密配光，高效使用白色LED光線(xiàn)

　　日產(chǎn)汽車(chē)2010年12月上市了電動(dòng)汽車(chē)（EV）“LEAF”（中國名：聆風(fēng)。圖1）。該車(chē)以最初年產(chǎn)5萬(wàn)輛，2012年年產(chǎn)20萬(wàn)輛這一在EV中前所未有的規模實(shí)施量產(chǎn)。該款車(chē)型有很多值得關(guān)注的地方，比如通過(guò)與具有通信功能的導航儀聯(lián)動(dòng)來(lái)指引充電設施所在位置，為延長(cháng)續航距離對鋰離子充電電池進(jìn)行徹底的電源管理等等。其中，標配的LED前照燈也頗受關(guān)注。

圖1：日產(chǎn)LEAF

　　負責為L(cháng)EAF開(kāi)發(fā)LED前照燈的是日本市光工業(yè)。為了以低成本實(shí)現“世界最高的節電性能”，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(shí)還采取了對白色LED進(jìn)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(diǎn)亮時(shí)的耗電量為整個(gè)前照燈23W。這一數值僅為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(dòng)力車(chē)“普銳斯（Prius）”的現有車(chē)型所配備的LED前照燈（近光燈點(diǎn)亮時(shí)約35W，新車(chē)發(fā)布時(shí)的數值）相比耗電量還要小。

　　只用2個(gè)白色LED作為光源

　　在市光工業(yè)統管LED前照燈開(kāi)發(fā)的村橋克廣（市光工業(yè)開(kāi)發(fā)本部研究開(kāi)發(fā)部P2P3第1項目組負責人）強調的一點(diǎn)就是，LEAF的每個(gè)前照燈只使用2個(gè)白色LED（圖2）。LEAF售價(jià)為376萬(wàn)4250日元（含稅），利用政府補貼時(shí)為298萬(wàn)4250日元（含稅），作為EV將價(jià)位控制在了較低水平。但該車(chē)卻在這一普及價(jià)位下標配了LED前照燈。因此，與作為選配或者在高檔車(chē)型上配備時(shí)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(chǎng)家使用3個(gè)白色LED的地方只用2個(gè)”（市光工業(yè)）。

圖2：LED前照燈。每個(gè)LED前照燈使用2個(gè)白色LED。

　　不過(guò)，如果簡(jiǎn)單地將3個(gè)LED減為2個(gè)的話(huà)，前照燈的亮度就會(huì )不足。雖然隨著(zhù)白色LED特性不斷改善，遲早能夠用2個(gè)實(shí)現與3個(gè)同等的亮度，但現有白色LED的“亮度還未達到足夠明亮的程度”（村橋）。一般來(lái)說(shuō)，提高對白色LED的輸入功率即可獲得足夠的亮度，但這時(shí)發(fā)熱量往往會(huì )增大，導致白色LED的溫度上升，進(jìn)一步導致LED的發(fā)光效率下降。而且耗電量變大的話(huà)，會(huì )減弱LED前照燈的“低耗電”這個(gè)優(yōu)點(diǎn)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(xiàn)采用了精密的配光控制技術(shù)，并進(jìn)行了可使白色LED保持高發(fā)光效率的散熱設計。

　　以3個(gè)反射面實(shí)現所期望的配光

　　市光工業(yè)此次在配光控制的光學(xué)系統中采用了被稱(chēng)為反射鏡型（反射型）方式。該方式通過(guò)用反射鏡反射光源（白色LED）發(fā)出的光線(xiàn)來(lái)實(shí)現需要的配光。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(gè)反射面進(jìn)行配光（圖3）。

圖3：LED光學(xué)系統

　　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(xiàn)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(jìn)行調整的功能（遮擋功能）。雖然這部分采用燈罩這一名稱(chēng)，但為了不使調整光束形狀時(shí)擋住的光線(xiàn)被浪費掉，在燈罩上增加了反射功能。這樣，那些未沿著(zhù)所期望的方向行進(jìn)的光線(xiàn)便轉向二次反射鏡進(jìn)行反射。二次反射鏡會(huì )反射一次反射鏡及燈罩反射過(guò)來(lái)的光線(xiàn)以及部分直接來(lái)自白色LED的光線(xiàn)，最后作為前照燈的光線(xiàn)放射出去。這時(shí)，白色LED的光線(xiàn)是由這些反射面進(jìn)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雜。由多個(gè)反射面構成，不是單純地投射光線(xiàn)，而是能夠向必要的部位調配光線(xiàn)（圖4）。

圖4：二次反射鏡由多個(gè)反射面構成

　　在LED前照燈的光學(xué)系統中，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。據市光工業(yè)介紹，聚光燈型雖然具有通過(guò)遮擋等容易制造出明暗界面的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在光學(xué)系統的進(jìn)深方向變長(cháng)，不利于精密配光控制的缺點(diǎn)。而LEAF的LED前照燈由于是反射鏡型，因此能夠縮短光學(xué)系統的進(jìn)深。并且，通過(guò)組合上述功能各不相同的反射面來(lái)進(jìn)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(guān)設計也很有特點(diǎn)，從外部無(wú)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(guò)程中誕生的。反射鏡型的開(kāi)發(fā)原本在法雷奧進(jìn)行，但一直未能實(shí)用化。后來(lái)通過(guò)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?shí)用化產(chǎn)品”（村橋）。法雷奧同時(shí)推進(jìn)聚光燈型和反射鏡型的開(kāi)發(fā)。當時(shí)聚光燈型LED前照燈已在市面上出現，而反光鏡型尚無(wú)實(shí)用先例，為了突出“獨創(chuàng )性作為賣(mài)點(diǎn)”（村橋），市光工業(yè)選擇了開(kāi)發(fā)反光鏡型LED前照燈。

　　采用多芯片白色LED，每個(gè)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(kāi)始與日產(chǎn)及飛利浦流明共同開(kāi)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(chē)輛上，正是共同開(kāi)發(fā)的成果之一。另外，市光工業(yè)在共同開(kāi)發(fā)之前就已經(jīng)在研發(fā)LED前照燈，曾在展會(huì )等場(chǎng)合展出過(guò)使用20多個(gè)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(gè)1mm見(jiàn)方的白色LED橫向排成一列配備在一個(gè)封裝內（圖5）。通過(guò)使用4個(gè)芯片，獲得了可供前照燈使用的足夠亮度。

　　據市光工業(yè)介紹，在開(kāi)發(fā)白色LED時(shí)，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。要求內容甚至還涉及白色LED芯片在封裝內的安裝位置精度。詳細數值未予公布，據說(shuō)原因在于白色LED芯片的安裝位置稍有偏差，就會(huì )影響到基于反射面的光學(xué)系統。

　　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(chēng)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(gè)白色LED芯片的平面被用硅酮樹(shù)脂密封。密封部位為平面形狀，而不是白色LED中常見(jiàn)的透鏡形狀。

　　LED前照燈點(diǎn)亮時(shí)向每個(gè)白色LED輸入約10W功率。白色LED點(diǎn)亮時(shí)的光通量為550lm，因此點(diǎn)亮時(shí)的發(fā)光效率約為55lm/W。在白色LED中，發(fā)光效率宣稱(chēng)超過(guò)100lm/W的品種近年來(lái)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(shí)是不對的。那些號稱(chēng)超過(guò)100lm/W的發(fā)光效率，實(shí)際上是指脈沖發(fā)光狀態(tài)下LED芯片結溫接近室溫時(shí)的數值。而LEAF使用的白色LED，其性能則是實(shí)際使用環(huán)境下的數值。實(shí)際使用