LED手电的进化过程
LED手电的进化短短几年以前，大多数人还不知道LED也可以做手电，而今，无论是在商店，还是Taobao的店铺，LED手电已经随处可见。便宜的几块钱就能买到，贵的有好几千一只的，品种之丰富是几年以前难以想象的。LED到底有什么优势？不同的LED之前有什么区别？各个品牌又有什么特点？本文尝试以LED手电的发展为主线做一个阐明。
LED手电的核心是LED，就好比计算机的核心是CPU一样，甚至更加重要，手电的别的部件几乎都是围绕着LED进行设计的。LED是英文发光二极管的缩写，顾名思义，从第一只LED诞生起，它就是会发光的。LED光源的应用非常早，比如在指示灯上。最初的LED只能发出红色和绿色，后来蓝色光的LED研制出来，这样三色光LED就可以组合成全色的大型户外显示器。单色光的的LED也可以用来做小型手电，但由于只有单色，使用受到极大限制。在白色光LED研制出来以前，曾经有些LED手电使用多只单色光的LED来组合，这些产品可以说是最早的“白光”LED手电。白光是一种混合光，蓝光LED的研制成功，使得用RGB合成白光，以及用蓝光和蓝光激发荧光粉产生的黄光混合产生白光成为可能，这样在1998年，Nichia（日亚）终于推出了第一只白光LED。这种小功率的白光LED大多采用5mm炮弹形封装，驱动电流25ma左右，可以发出2流明左右的光通量，在以后的几年里，其他厂商也开始大量生产类似的产品。Nichia的白光LED本身就已经集成了聚光部件，LED的炮弹前部实际是一个用于聚光的透镜，原理和以前的聚光灯珠是一样的，显然10mm的封装具有更大直径的聚光透镜，所以聚光强于5mm的，而5mm的又强于3mm的。虽然这种透镜使得LED本身有一定的定向照射能力，但却给二次光学（手电的聚光零件）设计带来麻烦，并且由于折射，会引起光斑偏色，色散，不均匀等一些问题。
Fig 1.Nichia 5mm LED
Nicha的5mm LED非常适合在小型手电中使用，因为小功率的灯泡发光效率很低，电池不足时发光效率会更低，甚至达到0（只耗电不发光）。但LED应用有一个麻烦，它的驱动电压是3－4伏特，而且在工作电压附近对电压变化非常敏感。最初的应用方式是用几个电池串连，以超过LED的驱动电压，再加上电阻分压/限流。这种方式现在仍然在低端产品中常见，比如用3个排成品字型的7号电池串连。小体积的手电可能会用纽扣电池，最著名的莫过于Pelican的1930，使用了4个LR44电池串连。很明显这不是一个理想的解决方案，因为纽扣电池的容量太小了，开上半个小时电池就损耗大半，一次更换4节也比较麻烦。
采用降压设计的产品也不乏精品,最有代表性的是Inova的X5。X5在功能，电路上并没有什么突出之处，它的成功在于外观设计，特别是第一版，外观是非常简洁的圆柱，5颗LED嵌在头部孔洞内受到了完美的保护，显得非常结实。这种直筒外观设计的成功，从其后面大量的仿制品就可见一斑（新版的X5现在还在生产销售，LED改用了更高光效的）。
Fig.2 Inova X5第一版
2001年，ARC公司带来LED手电历史上带有划时代意义的产品，ARC AAA(包括高级版的LE）。它首先把升压/整流电路引入手电设计，实现了用一颗普通的AAA驱动LED。ARC的电路是半整流设计，把一颗AAA的电压升高到3.xV，在超过6个小时的时间内可以平稳下降的输出，当电池不足以推动LED高亮时会转入低档继续工作几个小时。此外，ARC AAA的制作也很精良，外壳采用HA III超硬阳极电镀，LE版本使用精选LED，更白更亮，防水性能极好（经过340英尺水压测试）等。相对于以前的灯泡7号手电比如Maglite Solitare等，它在输出，效率，体积，表面处理上有明显优势。所以一经推出就受到了广泛的欢迎，唯一的遗憾是对于中国的消费者，它的价格显得高了些，毕竟当时很多人觉得Maglite已经是高档手电的代表了。
Fig.3 经典的ARC AAA
类似X5这种手电，使用多颗LED来提高光通量，从技术美学角度，这并不是一个理想的解决方案。正如一个亮的灯泡手电不会用很多个小灯泡一样，最理想的应该是应用大功率的发光体，Lumileds公司的产品使这种方案成为可能。
Lumileds成立于1999年，现在已经是Philip的完全子公司，它所生产的Luxeon Star（LS）是最早的大功率LED产品。2001年，又是富于创新的Arc 公司，首先应用了LS LED，推出了ARC LS。ARC LS（第一版，以下同）应用了一颗Lux I大功率LED，驱动电流350ma左右，对应功率略超过1W。由于使用了大功率LED，相比两节锂电驱动的X5，ARC LS用一半的体积做到了高一倍的输出。作为第一款大功率LED手电，ARC LS可以说是革命性的，它向人们证明了，一只小巧的，只有不到7CM长（用一节CR123A锂电）的LED手电，输出可以达到普通两节1号大手电的水平，而且灯泡寿命长几个数量级。作为ARC公司的顶级产品，ARC LS在别的方面自然也不会马虎，防水密封不在话下，HA III nat的涂层，虽然看起来没有X5那么精美，但是硬度高很多，更耐磨损。ARC在电池段方面也很有创新，电池段可以选择一节CR123A，两节AA或者一节AA。现在我们提到最早的大功率单节AA手电，一般会想到Fenix的L1系列，但实际上ARC LS早在很多年前就已经把大功率LED和单AA结合在了一起。只是由于这时候单节AA驱动LS I的输出实在太低，所以没有引起广泛的影响。
Fig.4 Lumileds Lux I LD封装加星形基板
在现在看来，ARC LS的不足仍然非常明显。这时候的Lux I采用的是LD（Low Dome）封装，有些类似炮弹形LED，发光核心上面覆盖的透明体相当于一个直径很小的透镜，对光线有一定汇聚作用，这种封装在后来看来是不成熟的。LS公司建议配合NX05透镜或者类似产品（当时大部分LS LED手电都是如此）作为二次光学对LED发出的光进行汇聚，但由于LD的透镜，使得发光体等效面积（像面积）增大，光斑发散并且由于折射作用有偏色(主要是偏蓝）和不均匀等现象。另外，这时候的LS I，只能发出15流明左右的光，发光效率比同功率的灯泡并没有占到明显优势，花一百多美元去买一只ARC LS，一方面是由于寿命，更多则是出于对新技术的一种追逐吧。
LED光源上的巨大进步，也引起了Surefire的注意.Surefire可以说是高端手电的代表，长期以来为军方和执法部门生产高质量的照明工具，包括手电，战术灯，激光瞄准装置等。大部分产品使用一次性锂电驱动，小巧高亮。Surefire的产品线很庞大齐全，各种配件更是让人眼花缭乱，所以当Surefire打算涉足LED电筒领域的时候，它是以生产LED灯头（作为灯泡灯头的一种可选替代）起步的。2002年，SF推出了KL1，KL2，KL3三款灯头，分别用于配合Surefire E系列，M系列和Classic系列（包括M2，C系，G系，P系）筒身。KL1,KL3使用了一颗LS 1W LED，配合NX05透镜，光通量标称17和19流明（实际没有什么区别），KL2则使用了19颗5mm白光LED，光通量标称27流明，电池寿命则取决于使用的筒身。稍晚一些，Surefire又推出了两档调光的L1（电筒而非灯头）以及混合使用LED和白帜灯泡的A2。Surefire虽然相对ARC，Inova等公司进入LED手电领域较晚，但还是体现出了自己的鲜明特色。由于Surefire的电筒全部使用锂电，不用考虑兼容负载能力较低的碱性电池等，所以Surefire采用了全整流设计（之前ARC等采用半整流设计），只要电池还能输出额定的电流，灯头的输出没有变化，放电曲线完全平直。又由于Surefire每个系列有多种不同电压的筒身，Surefire普遍采用了健壮性较强的电路，输入电压范围很宽，以KL1为例，输入2－9V电压都能正常工作，输出几乎不变，但是代价是电路效率相对专用电路较低。另外，SF这几款灯头也保持了Surefire的一贯优势，制造质量上乘。外观造型炫目美观（或者说够噱头），尤其是第一版的KL3，好似一个CPU散热器，这也在某种程度上体现了当时对大功率LED散热的过分担心。
Fig.6 Surefire KL1(第一版），KL2，KL3（第一版）
Surefire的这几款灯头仍然体现了当时LED技术和应用水平的局限：LD封装＋透镜的散而蓝的光斑，KL3比KL1大得多的体积，却使用一样的LED，一样的透镜，一样的输出，KL2还在使用多颗小功率LED的方式等等。但是，LED在灯头寿命上的优势，Surefire在市场的信誉和庞大占有量，手电发烧友对新技术的追捧，这些因素加在一起，还是使得这几款灯头（尤其是KL1）获得了巨大的成功。KL1和KL3的改版目前仍在生产，当然结构已经大变，性能已经不可同日而语了。
在手电厂商忙着研制和改进手电的时候，Lumileds也在着手研发新的LED。LD封装之后，SE（Side emitter)和HD（High Dome）封装被应用。 SE的透镜类似一个漏斗，可以把LED向前发出的光线折返回来，这样可以让较浅的反光碗也能收集到足够光线。HD则拥有一个半球型透镜，发光体位于球心，这样球壳对发光核心折射作用被减小到最低，光线可以自由辐射出去，发光形态被认为是最接近灯泡手电的，HD封装在应用上获得了巨大的成功，LD的封装则逐渐被淘汰了。更大功率的LED也被开发出来，典型的就是Lux V，功率达到5W左右。在电气结构上，采用两只1W管脚串连，所以驱动电压是普通LED的两倍，达到接近7V，物理结构上则是把四个1W核心田字型排列，通过增大发光体面积来获得更高的光通量。
Fig.7 HD，LD，SE三种封装外观区别
HD封装的Lux I和原有的LD封装产品是兼容的，所以ARC很快就推出了 ARC LSHP （H表示HD封装，P表示高级版），光束比原来更加集中，而且也不再那么蓝了，只是由于发光体是方形，在透镜的成像作用下，光斑也呈现出方形。第一只应用Lux V的手电则是ARC的LS III，灯头类似原有的ARC LS，仍然使用同样的透镜，但驱动电路改变，电池段改为两节Cr123A串连。ARC LS 3只生产了几十只，产品生涯非常短暂，虽然号称是第一只5W LED手电，但实际只工作在2W 功率上，它的不成熟从其昙花一现的生命就可见一斑（以至于很多手电发烧友都不知道有这款产品）。
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