光子學(xué)技術(shù)在汽車LED頭燈、夜視安全系統(tǒng)及激光點(diǎn)火

從LED頭燈、夜視安全系統(tǒng)，到正在涌現(xiàn)的激光點(diǎn)火系統(tǒng)，光子學(xué)技術(shù)正憑借其帶來的緊湊、低能耗以及高性能等優(yōu)勢(shì)，在汽車應(yīng)用中大顯身手。

目前，光學(xué)與光子學(xué)技術(shù)正在為汽車制造商提供一個(gè)日益豐富的“工具包”，幫助汽車制造商提高汽車的安全性、降低長(zhǎng)期成本、提高效率，并為汽車增添獨(dú)特的設(shè)計(jì) 元素。除了常見的LED尾燈，有些汽車也正在嘗試LED頭燈。與此同時(shí)，光纖也正在被用于連接汽車中的通信及顯示設(shè)備。據(jù)悉，目前福特公司正在調(diào)查研究汽 車激光點(diǎn)火系統(tǒng)，而另有一些高端汽車還將提供夜視系統(tǒng)和駕駛員輔助系統(tǒng)。

LED尾燈和頭燈

“雖 然目前汽車尾燈和車內(nèi)照明燈采用LED解決方案的成本仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于白熾燈的成本，但是LED解決方案的巨大優(yōu)勢(shì)已經(jīng)足以使汽車制造商在開發(fā)和制造中接受其 較高的成本。”德國(guó)卡爾斯魯厄大學(xué)（University Karlsruhe）專門研究汽車照明的Cornelius Neumann教授說，“LED除了具備超長(zhǎng)的使用壽命外（其壽命通常長(zhǎng)于汽車壽命），其快速的響應(yīng)時(shí)間也是制動(dòng)燈的一項(xiàng)重要安全因素，通常LED的響應(yīng) 時(shí)間要比常用的燈泡縮短約75毫秒。此外，LED的低功耗以及新穎的造型，也是制造商選擇LED用作汽車信號(hào)等的主要原因。”

Neumann教授聯(lián)合德國(guó)汽車照明與電子產(chǎn)品供應(yīng)商海拉公司（Hella）在汽車照明領(lǐng)域進(jìn)行了11年的深入研究。他表示，雖然LED尾燈在汽車中比較常見，但是汽車要采用LED頭燈卻面臨著更多的挑戰(zhàn)。

“到目前為止，市場(chǎng)上至少有三種型號(hào)的汽車采用了LED頭燈：雷克薩斯的LS 600、奧迪R8和凱迪拉克Escalade Platinum。”Neumann教授說，“但是在頭燈中完全采用LED解決方案，仍然有許多問題需要解決。”

Neumann教授指出，灰塵、 潮濕、機(jī)械振動(dòng)以及周圍溫度約高達(dá)90°C的苛刻環(huán)境，將對(duì)LED帶來一定的挑戰(zhàn)，因?yàn)長(zhǎng)ED的性能會(huì)隨著溫度的升高而下降，因此一些高功率的LED都需 要配有冷卻裝置。而且，LED頭燈不是使用一個(gè)單一的光源（如鹵素?zé)艋蚋邚?qiáng)度放電（HID）燈），而是要將多個(gè) LED組裝在一起，以達(dá)到行車信號(hào)照明的需求。[1]在LED頭燈中，通常使用三種不同的光學(xué)系統(tǒng)，分別實(shí)現(xiàn)不同的功能。這三種系統(tǒng)需要彼此穩(wěn)固地配合在 一起，發(fā)出亮度足夠高的光，以滿足路上行車照明的要求。

盡管LED頭燈仍然面臨著諸多挑戰(zhàn)，但Neumann教授補(bǔ)充說，與常用的燈泡解決方案相比，LED解決方案能節(jié)省50％甚至更多的能耗（見表 1）。[2]另據(jù)一些研究顯示，用不到20％的LED光就能獲得與HID燈同等的亮度，并且LED的照明更加安全。[3]隨著數(shù)學(xué)模型和軟件算法的發(fā)展，現(xiàn)在工程師們可以設(shè)計(jì)產(chǎn)生各種形式的反射鏡和透鏡，將從光源發(fā)出的光引導(dǎo)到交通路面的特定區(qū)域（見圖1）。

圖 1：歐寶Signum汽車的頭燈全部采用了LED解決方案，其用不同的模塊實(shí)現(xiàn)不同的信號(hào)功能：6組LED用于近光燈；底部3組LED用于遠(yuǎn)光燈；邊上兩 組小LED用于地角燈；10組LED用作日間行駛燈。方向指標(biāo)燈由位于頭燈頂部的具有反射系統(tǒng)的3組LED組成。根據(jù)各個(gè)信號(hào)燈的不同用途，分別選用不同 的LED。

表1：傳統(tǒng)照明方式與LED照明功耗對(duì)比

高 亮度LED制造商有充分的理由相信未來LED向汽車領(lǐng)域的滲透。市場(chǎng)調(diào)研公司Strategies Unlimited預(yù)測(cè)，到2013年，全球汽車LED室外照明的整體市場(chǎng)規(guī)模將由2008年的1.58億美元增長(zhǎng)到3.47億美元。另據(jù)水清木華研究中 心（ResearchInChina）的《2008-2009年全球與中國(guó)汽車LED照明行業(yè)研究報(bào)告》顯示，到2014年，LED頭燈將在成本和性能上 與傳統(tǒng)的HID頭燈（假設(shè)LED技術(shù)能按照目前的發(fā)展速度不斷進(jìn)步）具備可比性，到那時(shí)，LED在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用將大為改觀，單是汽車頭燈的市場(chǎng)規(guī)模就將達(dá)到1.22億美元。

寶馬的BMW-7系列汽車采用了瑞典Autoliv公司的第二代Night Vision 2夜視系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了一個(gè)遠(yuǎn)紅外傳感器，用以掃描路上的行人，其夜視距離是近光燈的3倍。當(dāng)檢測(cè)到車輛前方有行人或動(dòng)物時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)分析現(xiàn)場(chǎng)和車輛 動(dòng)態(tài)，評(píng)估駕駛員碰撞到目標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，并在必要時(shí)向駕駛員發(fā)出警報(bào)（如通過車載顯示屏發(fā)出警報(bào)，見圖2）。“Autoliv公司最新的夜視系統(tǒng)，將夜間駕駛 安全提高到了一個(gè)全新的水平，它為駕駛員在夜間道路上提供了‘另外一只眼’。”Autoliv公司夜視系統(tǒng)總經(jīng)理Stuart Klapper如是說。

圖2：當(dāng)在夜間檢測(cè)到一名男子在車前橫穿馬路時(shí)，寶馬BMW-7系列汽車的遠(yuǎn)紅外夜視系統(tǒng)向駕駛員發(fā)出了警報(bào)在行車速度較慢、人流較多的城市路段，該系統(tǒng)只對(duì)道路上近距離內(nèi)的較小范圍進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以避免出現(xiàn)過多的警報(bào)；而在行車速度較高、人流稀少的鄉(xiāng)村路段，該系統(tǒng) 監(jiān)控的道路范圍則會(huì)相應(yīng)地?cái)U(kuò)大。為了對(duì)監(jiān)控范圍做出及時(shí)、相應(yīng)的調(diào)整，Autoliv公司的夜視系統(tǒng)不斷地從周圍環(huán)境中收集夜視視頻圖像，并用一套先進(jìn)的 軟件算法對(duì)超過5000多萬個(gè)“影像片斷”進(jìn)行檢測(cè)，并依此向駕駛員發(fā)出相應(yīng)的警報(bào)信號(hào)。

Autoliv公司的夜視系統(tǒng)中采用的遠(yuǎn)紅外相機(jī)采用320×240像素的釩氧化物熱輻射測(cè)量?jī)x，并具有一個(gè)鍺窗口以保護(hù)相機(jī)的鏡頭免受外界的傷害。Klapper說：“與第一代相機(jī)相比，現(xiàn)在我們已經(jīng)成功地將鏡頭的成本降低了30％之多。”

德國(guó)西門子威迪歐公司還開發(fā)了一種工作距離達(dá)150米的紅外夜視系統(tǒng)，其產(chǎn)生一個(gè)經(jīng)過電子處理的視頻圖像，用于在汽車中實(shí)時(shí)顯示。該系統(tǒng)具有兩種工作方式： 一種方式采用近紅外系統(tǒng)，在這種方式下，由兩個(gè)集成到前燈中的紅外發(fā)射器產(chǎn)生的光，被一個(gè)安裝在后視鏡附近的小型攝像機(jī)捕獲；另一種方式采用長(zhǎng)波紅外系 統(tǒng)，這種方式需要安裝一臺(tái)相機(jī)，用一個(gè)工作在6～12µm范圍內(nèi)的傳感器來檢測(cè)來自車輛周圍環(huán)境的熱輻射。一旦檢測(cè)到人或動(dòng)物，該系統(tǒng)都會(huì)將物體以明亮的 形式顯示出來。