设计全球最节能的LED前照灯

　　外观为蓝色，却发出白色的光。日本市光工业研制的这种LED前照灯被日产汽车“LEAF”（中国名：聆风）所采用，作为后起厂商，市光工业在开发过程中追求了不同于其他公司产品的性能。

　　2010年12月，日产汽车上市了量产型电动汽车“LEAF”。该车采用了全球功耗最小的LED（发光二极管）前照灯。而之前已经实用化的LED前照灯至少需要三个LED。此次将LED数量减至两个，耗电量只有23W，成功降至以往卤素前照灯的约1/3、LED前照灯的约2/3。

　　除了节能之外，该灯的设计也很有特点。此前的LED前照灯都采用以投影透镜配光的方式，而且具有非常相似的外观。

　　而新型LED前照灯全球首次采用了以反射板（反射镜）配光的方式。设计独创，从外观上看不出光源位于何处，而且虽在亮灯时发出白光，但灭灯时看上去却是蓝色的。

　　蚊香事件

　　开发这款前照灯的是市光工业，由研究开发部P2P3项目一组项目经理村桥克广负责。

　　村桥在回顾当时的情况时说，“终于实现了梦想。尽管市光工业在LED前照灯方面起步较晚，但新技术的实用化让技术人员充满成就感”。

　　村桥进入市光工业的直接原因是受到了大学时代一位学长的邀请。但根本还在于他本来就喜欢汽车及摩托车。从大学的理工学院机械工程系一毕业，他就进入了市光工业工作。“这是因为原本就很喜欢制作东西，对车灯也很感兴趣，曾经自己调高过摩托车前照灯的亮度”。

　　1988年进入公司后，村桥先是在制造后组合灯的工厂实习。“当时觉得无论是工人还是设备，市光工业的规模都很大”。后来又被分配到计算机辅助工程（CAE）部门。在该部门进行模具设计，还在车间参与了产品制造。第二年，也就是1989年被调到研发部门工作。上任伊始就接到了一项任务。

　　“这项工作是查明车厢灯的污垢是如何产生的。因安装在车厢顶棚的车厢灯会沾上灰尘或烟油等，为寻找出这方面的对策，首先要查明原因”。

　　“因为我比较喜欢制作东西，就自己制作了车内模型，点燃10根蚊香，分析烟雾的流动情况及烟尘污垢的附着情况。当时太专注了，结果整个研发楼都是蚊香的气味，为这事没少挨同事及学长的奚落。这个小插曲至今仍令人难忘”。

　　村桥根据蚊香实验的结果，向汽车厂商报告了车厢灯产生污垢的原因，同时，除了烟雾的流动路径之外，还考虑到了静电对烟油的影响，提出了通过更换材料来减少静电的方案。

　　从此，村桥便一直从事有关车内照明的研发。他还研究开发了使用新光源的照明，并负责开发了使用氖灯（Neon Discharge Lamp）的后组合灯及高位刹车灯（High Mount Stop Lamp）等。不过，这些产品最后并未能商品化。

　　参加“光之卵”项目

　　“就像荧光灯逐步被LED取代一样，氖灯也被时代所淘汰。另外，因需要设置高电压电路并采取噪声对策等，氖灯会导致成本增加，这也是氖灯商品化的障碍之一”。

　　之后村桥参与了名为“光之卵（Light Egg）”的大型研发项目。开发的系统是在HID（High Intensity Discharge，高亮度放电）周围安装反射镜，利用光纤进行光分配，然后将其作为汽车各部分的光源使用。这一划时代的构想是只使用一个光源，将其用于前照灯、后组合灯及室内灯等多种照明。

　　“这也花费了很大的成本。原因是光纤并未像预期的那样低成本化。而且，还需要使用遮光板以及可按用途获得不同颜色的滤光片，这同样是开发该系统的瓶颈。另外，因为只有一个光源，还存在如何在发生意外时进行安全保护的问题。尽管我们也实际制作出系统并实施了行车实验，但最终未能达到实用化水平”。

　　但是，通过参与一系列研发工作，村桥获得了接触前照灯的契机。村桥是在上世纪90年代后半期经手这些项目的，而这一时期LED的技术取得了划时代的进步。日亚化学工业于1993年开发出了蓝色LED。随后绿色LED也被开发出来，加上已经实用化的红色LED，RGB三原色LED产品凑齐。1996年采用蓝色LED技术的白色LED也实现了产品化。

 
图1：日产电动汽车“LEAF”的前照灯

日产汽车首次采用了LED前照灯。 

 
图2：前照灯单元

　　蓝色部分为使用LED的近光灯。作为LED前照灯首次采用了反射镜方式。特点是采用了从外部看不到光源的构造。下端的远光灯为普通的卤素灯。

　　“当初进公司时，业界普遍认为蓝色LED无法实现，因此它的诞生令人震惊。同时我也觉得‘照明将会因此而改变’”。

　　LED寿命长、节能、发热量小，而且可靠性高。

　　“但最初亮度很低……而且成本很高”。

　　最初一个白色LED的价格是白炽灯泡的10倍，要提高亮度，需要使用多个LED，要实现相同的亮度，需要花费的成本是白炽灯泡的500～1000倍。

　　红色LED已在高位刹车灯等产品上实用化，而白色LED在汽车领域的实用化进程是从不需要很高亮度的车内灯开始推进的。市光工业的LED车内灯先是应用于日产汽车的“公爵（Cedric）”及“光荣（GLORY）”的车门玻璃边灯（1998年），之后又被推广到丰田“埃尔法（Alphard）”的间接照明（2002年），以及日产“骐达（TIIDA）”的地图灯（2004年）等。

　　LED的“低亮度”拖了后腿

　　“令人记忆深刻的是最初实用化的车门玻璃边灯。这种灯是在后窗下端安装LED，向上照射，目的是在夜间或暗处上下车时提高视认性。但令人苦恼的是，LED的光在穿过玻璃时会被吸收，几乎照不到上端。这需要与日产汽车及玻璃厂商合作开发特殊的玻璃”。

　　尽管当时也开始考虑将LED应用于前照灯，但此时LED的“低亮度”的弱点拖了后腿。

　　“我们从2004年开始开发LED前照灯，不过在车展上展出的第一件试制品时却使用了20个LED。虽然找到了产品开发的感觉，但如果不提高亮度的话，要想产品化仍困难重重”。

　　2005年，市光工业、日产汽车以及美国LED制造商飞利浦流明三家企业共同成立了LED前照灯开发项目组。目标是开发出全球最省电的产品。为此，需要把LED的个数减至最少。要达到普及目标，就要在不牺牲配光性能的情况下降低价格。

　　“提高亮度只能委托LED厂商。通过努力，提高光提取效率及散热性的开发取得了进展。我们的任务是使其达到亮度方面的要求，此外还为如何散热采取了技术对策”。

　　关于LED前照灯，丰田的“雷克萨斯LS600h”首先采用了投影透镜式产品。鉴于成本问题，当时是只配备在了高级车上。

 
图3：光之卵的实验

　　使用HID（High Intensity Discharge）的高亮度光源，利用光纤进行分配，设想作为多处照明的光源使用。 

 
图4：LEAF的LED前照灯截面构造
首先用一枚反射镜使配置于散热片的LED的光纤发生反射，再用第2枚反射镜进行配光。

　　另一方面，在采用LED前照灯方面落后于其他企业的日产希望能够拥有不同于先行产品的特性。所以决定采用两个LED，以此在电动汽车LEAF上实现LED所带来的节能价值。另外，决定采用的不是之前占主流的投影透镜式，而是使用反射镜的配光方式，同时还改换了外观。

　　通过采用反射镜方式，可以实现更加精细的配光。另外，由于从表面看不到LED，因此还可引起消费者对“使用的是什么灯”产生好奇心。不过，这也加大了技术难度。

　　“虽说只使用两个LED，但仍设置了用来释放热量的散热片。散热片是由铝合金材质制成的压铸件，为了尽量减小尺寸及重量，进行了热模拟并改进了形状。亮灯电路使用DC-DC转换器进行高精度控制，将输出电流误差减小到了±5％以下，从而实现了耗电量只有23W的前照灯，节能性达到全球最高水平，而亮度却在500lm以上，色温为5500K”。
光学系统采用与法国法雷奥（Valeo）公司合作开发的使用3枚反射镜的组合方式。相当于投影透镜的第2枚反射镜为进行精细的配光控制而采用了复杂的形状。第2枚反射镜采用工程塑料聚碳酸酯制成。

　　“我们注重的是其出色的成本优势及能够直接蒸镀的特性。由于可获得较高的面精度，因此还具有无需涂覆底层（Undercoat）的优点，正因为LED发热量小，所以才得以选择这种材料”。

　　另外还需要达到以10μm为单位的极高反射精度与位置精度。为了在量产时达到这种精度要求，生产时也煞费苦心。研发部门与生产技术部门一同对成型品的厚度及栅极位置进行了数次模拟。

　　村桥强调，该灯的开发得益于全公司的共同努力，“正因为有生产技术人员及量产人员的大力协助，才完成了这款灯的开发”　。

　　此外，日产还希望这款灯看上去是蓝色的，以便给人留下环保的印象，市光工业为满足这一要求而进行了改进，虽然只将反射镜前面的面板改成了蓝色，但映射后反射镜看上去也是蓝色的。这样，便实现了外观新奇的LED前照灯，即利用看上去是蓝色的反射镜却获得了白色照明灯。

　　“从技术进化的设计蓝图来看，就会发现我们较早地开发出了反射镜型LED前照灯。由两个LED构成的前照灯虽然相当先进，但我们不能就此止步。目前我们已开始着手进行下一轮研发”。

　　“以前，我的一位上司曾经说过，‘只要有针头那么大点儿地方，就能制作出前照灯’。如果光源技术进一步发展，能够获得高密度光源和非常精密的光学系统，就能够实现点状或线状前照灯。LED方面，我们希望将来除了近光灯之外，还能实现远光灯，估计能用一个LED同时实现远光灯和近光灯”。

　　村桥说，梦想的实现总与辛勤的汗水相伴。真实体验到这一点的村桥似乎已做好为下一目标付出辛劳的准备。

 
图5：传统的投影透镜式LED前照灯
利用反射镜反射LED发出的光，然后用凸透镜配光。 

 
图6：从后面看LEAF的前照灯单元
散热片背面设有冷却片。