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欧司朗 打造宝马i8激光照明新技术
编辑:  时间:  来源:新浪汽车综合  

  新的设计方案令汽车爱好者心驰神往,亦让设计师欣喜不已。对于照明工程师来说,激光是一种备受欢迎的新光源。激光应用首次出现在宝马i8上。但这项技术的背后有何奥秘?

  现今对于激光有两种常见的误解。第一种是激光光束用于道路照明,因此人们担心这种高度集中的光会带来危险。这种想法完全错误,担忧更是毫无根据。制造商当然会使用蓝色激光,但激光光束不会从车头灯贸然射出。

  激光是如何工作的?

  用于汽车照明的激光的工作原理有别于普通光源。在车头灯内,激光光束射在磷光体上, 使其产生光——因此不存在激光的转换。转换原理与传统的荧光灯或白光LED的转换过程相似。如果是荧光灯,紫外光会被转成可见光;而在LED中,被转换的光是蓝光。在此所用的磷光体并非纯元素形式,而是更高性能的陶瓷材料,其中可能含有磷光体化合物。磷光体与载体材料结合而成形,是一种局部半透明的晶片,像宝马i8那样。对性能至关重要的因素包括转换器单元的几何结构、材料选择、处理和光学性质,因此成为开发的关键。

  第二种误解与光量有关。开发新光源并非因为现有光源的光通量不足,而是为了创造更高亮度的光源。获取产生极高光通量的其他足够传统光源,对开发者而言已不在话下。举例来说,过去20年开发者一直使用气体放电技术,在汽车行业体现在氙气车头灯上。开发激光这种新光源的目的,更确切地说,是希望创造一种光源可以达到前所未有的高亮度。

激光的工作原理及在车头灯的可能应用(图:欧司朗)

激光的工作原理及在车头灯的可能应用(图:欧司朗)

  提供充足照明的小巧车头灯

  激光的优点在于亮度高,因此十分小巧的车头灯便可产生充足照明,而且照明定向非常精准。最佳范例如下。发光强度约为100,000坎德拉(cd)的标准卤素远光车头灯,直径在220毫米左右。而采用激光技术产生同等光量,灯直径仅需30毫米。

  但是,宝马i8的车头灯并未具有如此微小的发光面。宝马的工程师,车头灯制造商ZKW和欧司朗并未将磷光体的光设计成直射道路,而是通过反射镜射出。如此一来,便可以在极小的外罩内发挥反射镜系统的优势。

  在这款设计崭新的车型中,LED产生普通远光和近光之余,亦额外搭载激光灯射出具有聚光特性的远光。额外的车头灯乃为实现最佳射程而设。

  混合照明理念

  宝马i8采用混合照明方法,将LED主要前照灯功能与额外搭载的激光技术远光灯相结合。这种新技术可能以类似形式出现,也就是说,与现有光源结合使用。每项技术都能提供自身的特殊属性,因此可有多种不同的组合。除前置照明设备中的LED、氙气和激光器外,未来OLED尾灯也将闪亮登场。

  汽车制造商将运用激光器、LED和OLED发挥设计潜力,同时亦凸显他们的技术胜人一筹,亦勇于创新。在汽车行业,激光光源的亮度远高于任何其他现有光源。因此,激光可以专门用于远光灯功能。除此之外,要从极小位置和发光面取得大量光照的话,也可使用激光作为光源。不过,欧司朗工程师的目标却远不止于此。他们设想在汽车内部应用,比如用激光投影仪取代当前的显示器。

  LED与激光 ——相关但又有所不同

  LED和激光二极管的相关点在于两者都是半导体光源。它们的发光方式相似,结果却大相迳庭。发光二极管可以一定的角度发光。虽然它是一种半辐射发光体,几乎只朝着一个方向发光,但与白炽灯和气体放电灯相比,这却是一个优势,距光源越远,光束就越大。简而言之,LED发出的光就像一个圆锥体。

  激光却有所不同,激光二极管亦然。在此情况下,光从极小表面发出,散度相对较小。另一区别是,激光可以很容易地进行进一步处理和准直(光线平行对齐)。故激光光束可以用于发出极小却非常密集的光斑。考虑到适当的转换器设计,转换后的激光甚至也保留了这些特性,因此有可能发出亮度极高的白色光源。

  宝马i8中的激光模块包含欧司朗子公司欧司朗光电半导体供应的三条蓝色激光二极管。随着激光光源日渐发展,有望用更少的激光器达致同等的光量。

  激光的另一方案是,车头灯不需要实际光源,即激光二极管。它们其实可以安装在汽车上的任何位置,然后通过光导连接至车头灯。因此,如果发动机舱只能提供有限空间,这项技术将会大有裨益。

  多年诀窍成就创新照明技术

  早在2006年欧司朗便开始研发合适的激光二极管,首个原型乃基于氮化铟镓化合物完成。激光用于汽车时,照明产品制造商结合了两种迄今为止互不相关的技术,即激光和转换器。后者指上文提及的磷光体,可从激光光束产生可用光。欧司朗在这两个领域已积累多年经验。欧司朗光电半导体研发生产LED和半导体激光将近40年。雷根斯堡工厂自1996年开始便一直生产InGaN发光二极管。研发蓝光LED时所获得的知识同样让蓝色激光的研发获益匪浅。

  提高蓝光的效率绝不容易。物理学原理决定了对于激光二极管,红光和红外光比光谱上另一端蓝光范围内的光更擅长转换能量。因此蓝光激光二极管会损失更多热量,随后则需要恰当的冷却方式来散热。2013年,欧司朗已可将一瓦内蓝色激光的效率提高30%,从而降低了冷却要求。

高要求应用的大量光照:欧司朗光电半导体研发的高功率蓝光激光二极管(图:欧司朗)

高要求应用的大量光照:欧司朗光电半导体研发的高功率蓝光激光二极管(图:欧司朗)

  富有挑战性的环境:汽车行业

  为将激光二极管应用于汽车之中,需要花很多功夫。目前操作方面和汽车制造商的要求都颇高。例如,车头灯和激光二极管的工作温度必须介于零下40度至零上80度,同时还必须解决高湿度问题。必须对激光二极管和整个光模块进行测试,以证明它们能承受高强度振动。这种测试不仅非常复杂,且成本高昂。虽然仍未知晓消费电子产品的相关规定,但温度范围通常都小得多。当中的差异在于,例如在阳光普照、温暖宜人的一天,连接至挡风玻璃的智能手机突然停止工作,但车内的电子系统显然还在正常运作。

  为满足这些要求,作为全球汽车照明市场先驱的欧司朗亦从其他照明产品(譬如运用氙气技术和半导体技术的照明产品)的经验中受益不浅。这些产品包括用于在驾驶员辅助系统中测量距离的激光二极管,但它们的输出功率极低,且需在红外光谱中工作。除应用于投影系统等领域外,达到激光灯所需输出级别的激光二极管此前从未用于汽车和其极端环境条件。

  除了技术上的挑战,安全性和审批也是激光灯用于批量生产车辆前必须克服的挑战。举例来说,为确保车辆正常驾驶时车头灯不会射出激光令视力受损,欧司朗特别安装了一些特殊安全系统,有了这些系统,即使车头灯在碰撞中受损,激光也会立即关闭。

  毋庸置疑的是,在一辆汽车中,再没有什么部件的规范比照明灯更为严格了。一项新技术当然不会马上获批,如果要通过欧洲经济委员会(ECE)的审批程序,可能需耗时数年。不过,该组织采取弹性的做法,运用多年前为“远程定位光源”制定的一项规则。当时,这项规则与光导组合有关,而光导组合加上卤素灯可为车辆其他位置的设备提供光源,且此规则同样适用于激光灯。当然,车头灯本身的性能必须符合现有的ECE法规。远光灯最大值限于200,000坎德拉的规定也适用于此。因此,这类车头灯的眩光风险并不比其他车头灯大。经特别设计的激光灯更为安全,不会对其他道路使用者造成危险。

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