【摘要】現(xiàn)今對(duì)于激光有兩種常見的誤解。第一種是激光光束用于道路照明，因此人們擔(dān)心這種高度集中的光會(huì)帶來危險(xiǎn)。這種想法完全錯(cuò)誤，擔(dān)憂更是毫無根據(jù)。制造商當(dāng)然會(huì)使用藍(lán)色激光，但激光光束不會(huì)從車頭燈貿(mào)然射出。
激光二極管的尺寸遠(yuǎn)小于LED發(fā)光二極管，這對(duì)于將來汽車的大燈造型變化可謂是革命性的，汽車設(shè)計(jì)師對(duì)于汽車造型可以更隨意的去設(shè)計(jì)，可以更好的表達(dá)自己的設(shè)計(jì)理念，這對(duì)于將來汽車部分造型設(shè)計(jì)的影響可謂是革命性的。
現(xiàn)今對(duì)于激光有兩種常見的誤解。第一種是激光光束用于道路照明，因此人們擔(dān)心這種高度集中的光會(huì)帶來危險(xiǎn)。這種想法完全錯(cuò)誤，擔(dān)憂更是毫無根據(jù)。制造商當(dāng)然會(huì)使用藍(lán)色激光，但激光光束不會(huì)從車頭燈貿(mào)然射出。
激光是如何工作的?
用于汽車照明的激光的工作原理有別于普通光源。在車頭燈內(nèi)，激光光束射在磷光體上， 使其產(chǎn)生光——因此不存在激光的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換原理與傳統(tǒng)的熒光燈或白光LED的轉(zhuǎn)換過程相似。如果是熒光燈，紫外光會(huì)被轉(zhuǎn)成可見光;而在LED中，被轉(zhuǎn)換的光是藍(lán)光。在此所用的磷光體并非純元素形式，而是更高性能的陶瓷材料，其中可能含有磷光體化合物。磷光體與載體材料結(jié)合而成形，是一種局部半透明的晶片，像寶馬i8那樣。對(duì)性能至關(guān)重要的因素包括轉(zhuǎn)換器單元的幾何結(jié)構(gòu)、材料選擇、處理和光學(xué)性質(zhì)，因此成為開發(fā)的關(guān)鍵。
第二種誤解與光量有關(guān)。開發(fā)新光源并非因?yàn)楝F(xiàn)有光源的光通量不足，而是為了創(chuàng)造更高亮度的光源。獲取產(chǎn)生極高光通量的其他足夠傳統(tǒng)光源，對(duì)開發(fā)者而言已不在話下。舉例來說，過去20年開發(fā)者一直使用氣體放電技術(shù)，在汽車行業(yè)體現(xiàn)在氙氣車頭燈上。開發(fā)激光這種新光源的目的，更確切地說，是希望創(chuàng)造一種光源可以達(dá)到前所未有的高亮度。
提供充足照明的小巧車頭燈
激光的優(yōu)點(diǎn)在于亮度高，因此十分小巧的車頭燈便可產(chǎn)生充足照明，而且照明定向非常精準(zhǔn)。最佳范例如下。發(fā)光強(qiáng)度約為100,000坎德拉(cd)的標(biāo)準(zhǔn)鹵素遠(yuǎn)光車頭燈，直徑在220毫米左右。而采用激光技術(shù)產(chǎn)生同等光量，燈直徑僅需30毫米。
但是，寶馬i8的車頭燈并未具有如此微小的發(fā)光面。寶馬的工程師，車頭燈制造商ZKW和歐司朗并未將磷光體的光設(shè)計(jì)成直射道路，而是通過反射鏡射出。如此一來，便可以在極小的外罩內(nèi)發(fā)揮反射鏡系統(tǒng)的優(yōu)勢。
在這款設(shè)計(jì)嶄新的車型中，LED產(chǎn)生普通遠(yuǎn)光和近光之余，亦額外搭載激光燈射出具有聚光特性的遠(yuǎn)光。額外的車頭燈乃為實(shí)現(xiàn)最佳射程而設(shè)。
混合照明理念
寶馬i8采用混合照明方法，將LED主要前照燈功能與額外搭載的激光技術(shù)遠(yuǎn)光燈相結(jié)合。這種新技術(shù)可能以類似形式出現(xiàn)，也就是說，與現(xiàn)有光源結(jié)合使用。每項(xiàng)技術(shù)都能提供自身的特殊屬性，因此可有多種不同的組合。除前置照明設(shè)備中的LED、氙氣和激光器外，未來OLED尾燈也將閃亮登場。
汽車制造商將運(yùn)用激光器、LED和OLED發(fā)揮設(shè)計(jì)潛力，同時(shí)亦凸顯他們的技術(shù)勝人一籌，亦勇于創(chuàng)新。在汽車行業(yè)，激光光源的亮度遠(yuǎn)高于任何其他現(xiàn)有光源。因此，激光可以專門用于遠(yuǎn)光燈功能。除此之外，要從極小位置和發(fā)光面取得大量光照的話，也可使用激光作為光源。不過，歐司朗工程師的目標(biāo)卻遠(yuǎn)不止于此。他們設(shè)想在汽車內(nèi)部應(yīng)用，比如用激光投影儀取代當(dāng)前的顯示器。
LED與激光 ——相關(guān)但又有所不同
LED和激光二極管的相關(guān)點(diǎn)在于兩者都是半導(dǎo)體光源。它們的發(fā)光方式相似，結(jié)果卻大相逕庭。發(fā)光二極管可以一定的角度發(fā)光。雖然它是一種半輻射發(fā)光體，幾乎只朝著一個(gè)方向發(fā)光，但與白熾燈和氣體放電燈相比，這卻是一個(gè)優(yōu)勢，距光源越遠(yuǎn)，光束就越大。簡而言之，LED發(fā)出的光就像一個(gè)圓錐體。
激光卻有所不同，激光二極管亦然。在此情況下，光從極小表面發(fā)出，散度相對(duì)較小。另一區(qū)別是，激光可以很容易地進(jìn)行進(jìn)一步處理和準(zhǔn)直(光線平行對(duì)齊)。故激光光束可以用于發(fā)出極小卻非常密集的光斑�？紤]到適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)換后的激光甚至也保留了這些特性，因此有可能發(fā)出亮度極高的白色光源。
寶馬i8中的激光模塊包含歐司朗子公司歐司朗光電半導(dǎo)體供應(yīng)的三條藍(lán)色激光二極管。隨著激光光源日漸發(fā)展，有望用更少的激光器達(dá)致同等的光量。
激光的另一方案是，車頭燈不需要實(shí)際光源，即激光二極管。它們其實(shí)可以安裝在汽車上的任何位置，然后通過光導(dǎo)連接至車頭燈。因此，如果發(fā)動(dòng)機(jī)艙只能提供有限空間，這項(xiàng)技術(shù)將會(huì)大有裨益。
多年訣竅成就創(chuàng)新照明技術(shù)
早在2006年歐司朗便開始研發(fā)合適的激光二極管，首個(gè)原型乃基于氮化銦鎵化合物完成。激光用于汽車時(shí)，照明產(chǎn)品制造商結(jié)合了兩種迄今為止互不相關(guān)的技術(shù)，即激光和轉(zhuǎn)換器。后者指上文提及的磷光體，可從激光光束產(chǎn)生可用光。歐司朗在這兩個(gè)領(lǐng)域已積累多年經(jīng)驗(yàn)。歐司朗光電半導(dǎo)體研發(fā)生產(chǎn)LED和半導(dǎo)體激光將近40年。雷根斯堡工廠自1996年開始便一直生產(chǎn)InGaN發(fā)光二極管。研發(fā)藍(lán)光LED時(shí)所獲得的知識(shí)同樣讓藍(lán)色激光的研發(fā)獲益匪淺。
提高藍(lán)光的效率絕不容易。物理學(xué)原理決定了對(duì)于激光二極管，紅光和紅外光比光譜上另一端藍(lán)光范圍內(nèi)的光更擅長轉(zhuǎn)換能量。因此藍(lán)光激光二極管會(huì)損失更多熱量，隨后則需要恰當(dāng)?shù)睦鋮s方式來散熱。2013年，歐司朗已可將一瓦內(nèi)藍(lán)色激光的效率提高30%，從而降低了冷卻要求。
富有挑戰(zhàn)性的環(huán)境：汽車行業(yè)
為將激光二極管應(yīng)用于汽車之中，需要花很多功夫。目前操作方面和汽車制造商的要求都頗高。例如，車頭燈和激光二極管的工作溫度必須介于零下40度至零上80度，同時(shí)還必須解決高濕度問題。必須對(duì)激光二極管和整個(gè)光模塊進(jìn)行測試，以證明它們能承受高強(qiáng)度振動(dòng)。這種測試不僅非常復(fù)雜，且成本高昂。雖然仍未知曉消費(fèi)電子產(chǎn)品的相關(guān)規(guī)定，但溫度范圍通常都小得多。當(dāng)中的差異在于，例如在陽光普照、溫暖宜人的一天，連接至擋風(fēng)玻璃的智能手機(jī)突然停止工作，但車內(nèi)的電子系統(tǒng)顯然還在正常運(yùn)作。
為滿足這些要求，作為全球汽車照明市場先驅(qū)的歐司朗亦從其他照明產(chǎn)品(譬如運(yùn)用氙氣技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的照明產(chǎn)品)的經(jīng)驗(yàn)中受益不淺。這些產(chǎn)品包括用于在駕駛員輔助系統(tǒng)中測量距離的激光二極管，但它們的輸出功率極低，且需在紅外光譜中工作。除應(yīng)用于投影系統(tǒng)等領(lǐng)域外，達(dá)到激光燈所需輸出級(jí)別的激光二極管此前從未用于汽車和其極端環(huán)境條件。
除了技術(shù)上的挑戰(zhàn)，安全性和審批也是激光燈用于批量生產(chǎn)車輛前必須克服的挑戰(zhàn)。舉例來說，為確保車輛正常駕駛時(shí)車頭燈不會(huì)射出激光令視力受損，歐司朗特別安裝了一些特殊安全系統(tǒng)，有了這些系統(tǒng)，即使車頭燈在碰撞中受損，激光也會(huì)立即關(guān)閉。
毋庸置疑的是，在一輛汽車中，再?zèng)]有什么部件的規(guī)范比照明燈更為嚴(yán)格了。一項(xiàng)新技術(shù)當(dāng)然不會(huì)馬上獲批，如果要通過歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)(ECE)的審批程序，可能需耗時(shí)數(shù)年。不過，該組織采取彈性的做法，運(yùn)用多年前為“遠(yuǎn)程定位光源”制定的一項(xiàng)規(guī)則。當(dāng)時(shí)，這項(xiàng)規(guī)則與光導(dǎo)組合有關(guān)，而光導(dǎo)組合加上鹵素?zé)艨蔀檐囕v其他位置的設(shè)備提供光源，且此規(guī)則同樣適用于激光燈。當(dāng)然，車頭燈本身的性能必須符合現(xiàn)有的ECE法規(guī)。遠(yuǎn)光燈最大值限于200,000坎德拉的規(guī)定也適用于此。因此，這類車頭燈的眩光風(fēng)險(xiǎn)并不比其他車頭燈大。經(jīng)特別設(shè)計(jì)的激光燈更為安全，不會(huì)對(duì)其他道路使用者造成危險(xiǎn)。
激光可以更有效地將電能轉(zhuǎn)化為光能，但如果考慮到整個(gè)能量系統(tǒng)的效率結(jié)論就大相徑庭了：激光光源可以使光的傳輸損耗相比于LED光源小很多。此外，激光前燈還可以省電：比如，一對(duì)老式的惰氣前燈需要120瓦，最好的LED前燈大約耗電40瓦，而“藍(lán)光”前燈可以將電能使用控制在30瓦以內(nèi)，我們相信激光技術(shù)將為人類照明歷史翻開新的篇章。 |
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