光子學技術(shù)在汽車LED頭燈、夜視安全系統(tǒng)及激光點火

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

目前，光學與光子學技術(shù)正在為汽車制造商提供一個日益豐富的“工具包”，幫助汽車制造商提高汽車的安全性、降低長期成本、提高效率，并為汽車增添獨特的設計 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，光纖也正在被用于連接汽車中的通信及顯示設備。據(jù)悉，目前福特公司正在調(diào)查研究汽 車激光點火系統(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遠高于白熾燈的成本，但是LED解決方案的巨大優(yōu)勢已經(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。”德國卡爾斯魯厄大學（University Karlsruhe）專門研究汽車照明的Cornelius Neumann教授說，“LED除了具備超長的使用壽命外（其壽命通常長于汽車壽命），其快速的響應時間也是制動燈的一項重要安全因素，通常LED的響應 時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用作汽車信號等的主要原因。”

Neumann教授聯(lián)合德國汽車照明與電子產(chǎn)品供應商海拉公司（Hella）在汽車照明領(lǐng)域進行了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，市場上至少有三種型號的汽車采用了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、機械振動以及周圍溫度約高達90°C的苛刻環(huán)境，將對LED帶來一定的挑戰(zhàn)，因為LED的性能會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頭燈不是使用一個單一的光源（如鹵素燈或高強度放電（HID）燈），而是要將多個 LED組裝在一起，以達到行車信號照明的需求。[1]在LED頭燈中，通常使用三種不同的光學系統(tǒng)，分別實現(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)學模型和軟件算法的發(fā)展，現(xiàn)在工程師們可以設計產(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，其用不同的模塊實現(xiàn)不同的信號功能：6組LED用于近光燈；底部3組LED用于遠光燈；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)各個信號燈的不同用途，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。市場調(diào)研公司Strategies Unlimited預測，到2013年，全球汽車LED室外照明的整體市場規(guī)模將由2008年的1.58億美元增長到3.47億美元。另據(jù)水清木華研究中 心（ResearchInChina）的《2008-2009年全球與中國汽車LED照明行業(yè)研究報告》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LED技術(shù)能按照目前的發(fā)展速度不斷進步）具備可比性，到那時，LED在汽車領(lǐng)域的應用將大為改觀，單是汽車頭燈的市場規(guī)模就將達到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)采用了一個遠紅外傳感器，用以掃描路上的行人，其夜視距離是近光燈的3倍。當檢測到車輛前方有行人或動物時，系統(tǒng)會自動分析現(xiàn)場和車輛 動態(tài)，評估駕駛員碰撞到目標的風險，并在必要時向駕駛員發(fā)出警報（如通過車載顯示屏發(fā)出警報，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：當在夜間檢測到一名男子在車前橫穿馬路時，寶馬BMW-7系列汽車的遠紅外夜視系統(tǒng)向駕駛員發(fā)出了警報在行車速度較慢、人流較多的城市路段，該系統(tǒng)只對道路上近距離內(nèi)的較小范圍進行監(jiān)測，以避免出現(xiàn)過多的警報；而在行車速度較高、人流稀少的鄉(xiāng)村路段，該系統(tǒng) 監(jiān)控的道路范圍則會相應地擴大。為了對監(jiān)控范圍做出及時、相應的調(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，并用一套先進的 軟件算法對超過5000多萬個“影像片斷”進行檢測，并依此向駕駛員發(fā)出相應的警報信號。

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

德國西門子威迪歐公司還開發(fā)了一種工作距離達150米的紅外夜視系統(tǒng)，其產(chǎn)生一個經(jīng)過電子處理的視頻圖像，用于在汽車中實時顯示。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，由兩個集成到前燈中的紅外發(fā)射器產(chǎn)生的光，被一個安裝在后視鏡附近的小型攝像機捕獲；另一種方式采用長波紅外系 統(tǒng)，這種方式需要安裝一臺相機，用一個工作在6～12µm范圍內(nèi)的傳感器來檢測來自車輛周圍環(huán)境的熱輻射。一旦檢測到人或動物，該系統(tǒng)都會將物體以明亮的 形式顯示出來。