精密配光，高效使用白色LED光線
日產汽車2010年12月上市了電動汽車（EV）「LEAF」（中國名：聆風。圖1）。該車以最初年產5萬輛，2012年年產20萬輛這一在EV中前所未有的規模實施量產。該款車型有很多值得關注的地方，比如通過與具有通信功能的導航儀聯動來指引充電設施所在位置，為延長續航距離對鋰離子充電電池進行徹底的電源管理等等。其中，標配的LED前照燈也頗受關注。
圖1：日產LEAF
負責為LEAF開發LED前照燈的是日本市光工業。為了以低成本實現「世界最高的節電性能」，市光工業在既可抑制白色LED的發光損失又可獲得所期望的配光特性方面下了一番工夫，同時還採取了對白色LED進行高效散熱，確保高發光效率的對策。
LEAF的LED前照燈在近光燈光源上採用白色LED，近光燈點亮時的耗電量為整個前照燈23W。這一數值僅為55～60W級滷燈的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）」的現有車型所配備的LED前照燈（近光燈點亮時約35W，新車發布時的數值）相比耗電量還要小。
只用2個白色LED作為光源
在市光工業統管LED前照燈開發的村橋克廣（市光工業開發本部研究開發部P2P3第1項目組負責人）強調的一點就是，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）。
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個實現與3個同等的亮度，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，但這時發熱量往往會增大，導致白色LED的溫度上升，進一步導致LED的發光效率下降。而且耗電量變大的話，會減弱LED前照燈的「低耗電」這個優點所擁有的魅力。因此，市光工業為了能夠低損耗地使用白色LED的光線採用了精密的配光控制技術，並進行了可使白色LED保持高發光效率的散熱設計。
以3個反射面實現所期望的配光
市光工業此次在配光控制的光學系統中採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）發出的光線來實現需要的配光。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）這三個反射面進行配光（圖3）。
圖3：LED光學系統
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出的光束形狀進行調整的功能（遮擋功能）。雖然這部分採用燈罩這一名稱，但為了不使調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，最後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次反射後，向前照燈外部射出的。在反射面中，二次反射鏡的形狀最為複雜。由多個反射面構成，不是單純地投射光線，而是能夠向必要的部位調配光線（圖4）。
圖4：二次反射鏡由多個反射面構成
在LED前照燈的光學系統中，除了此次採用的反射鏡型以外，還有使用透鏡的聚光燈型產品。以往的LED前照燈以聚光燈型為主流。據市光工業介紹，聚光燈型雖然具有通過遮擋等容易製造出明暗界面的優點，但同時也存在光學系統的進深方向變長，不利於精密配光控制的缺點。而LEAF的LED前照燈由於是反射鏡型，因此能夠縮短光學系統的進深。並且，通過組合上述功能各不相同的反射面來進行精密控制，也可高效地製造出明暗界面。另外，前照燈的外觀設計也很有特點，從外部無法直接看到白色LED光源。
反射鏡型LED前照燈的創意是在市光工業與法國法雷奧（Valeo）合作的過程中誕生的。反射鏡型的開發原本在法雷奧進行，但一直未能實用化。後來通過市光工業與法雷奧合作，使反射鏡型LED前照燈最終變為了「實用化產品」（村橋）。法雷奧同時推進聚光燈型和反射鏡型的開發。當時聚光燈型LED前照燈已在市面上出現，而反光鏡型尚無實用先例，為了突出「獨創性作為賣點」（村橋），市光工業選擇了開發反光鏡型LED前照燈。
採用多晶片白色LED，每個輸入約10W功率
光源採用的白色LED是從美國飛利浦流明公司（Philips Lumileds Lighting）採購的。市光工業從2005年開始與日產及飛利浦流明共同開發LED前照燈。此次LED前照燈採用飛利浦流明的白色LED並配備在日產車輛上，正是共同開發的成果之一。另外，市光工業在共同開發之前就已經在研發LED前照燈，曾在展會等場合展出過使用20多個LED晶片的LED前照燈。
圖5：白色LED
圖6：飛利浦流明在白色LED上採用的「Thin Film Flip Chip」（TFFC）技術
此次配備的白色LED為多晶片型，4個1mm見方的白色LED橫向排成一列配備在一個封裝內（圖5）。通過使用4個晶片，獲得了可供前照燈使用的足夠亮度。
據市光工業介紹，在開發白色LED時，為了輕鬆配備到前照燈上，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晶片在封裝內的安裝位置精度。詳細數值未予公布，據說原因在於白色LED晶片的安裝位置稍有偏差，就會影響到基於反射面的光學系統。
白色LED晶片是在藍色LED晶片上粘貼了螢光體後形成的。利用飛利浦流明稱為「Thin Film Flip Chip」（TFFC）的技術在陶瓷基板上以倒裝晶片形式安裝藍色LED晶片，然後在上面加蓋「Lumiramic」螢光板（圖6）。裝有4個白色LED晶片的平面被用矽酮樹脂密封。密封部位為平面形狀，而不是白色LED中常見的透鏡形狀。
LED前照燈點亮時向每個白色LED輸入約10W功率。白色LED點亮時的光通量為550lm，因此點亮時的發光效率約為55lm/W。在白色LED中，發光效率宣稱超過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的發光效率，實際上是指脈衝發光狀態下LED晶片結溫接近室溫時的數值。而LEAF使用的白色LED，其性能則是實際使用環境下的數值。實際使用
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