【摘要】現(xiàn)今對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帶來危險。這種想法完全錯誤，擔(dān)憂更是毫無根據(jù)。制造商當(dāng)然會使用藍色激光，但激光光束不會從車頭燈貿(mào)然射出。
激光二極管的尺寸遠小于LED發(fā)光二極管，這對于將來汽車的大燈造型變化可謂是革命性的，汽車設(shè)計師對于汽車造型可以更隨意的去設(shè)計，可以更好的表達自己的設(shè)計理念，這對于將來汽車部分造型設(shè)計的影響可謂是革命性的。
現(xiàn)今對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帶來危險。這種想法完全錯誤，擔(dān)憂更是毫無根據(jù)。制造商當(dāng)然會使用藍色激光，但激光光束不會從車頭燈貿(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，紫外光會被轉(zhuǎn)成可見光;而在LED中，被轉(zhuǎn)換的光是藍光。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)新光源并非因為現(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。最佳范例如下。發(fā)光強度約為100,000坎德拉(cd)的標準鹵素遠光車頭燈，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)計嶄新的車型中，LED產(chǎn)生普通遠光和近光之余，亦額外搭載激光燈射出具有聚光特性的遠光。額外的車頭燈乃為實現(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。
汽車制造商將運用激光器、LED和OLED發(fā)揮設(shè)計潛力，同時亦凸顯他們的技術(shù)勝人一籌，亦勇于創(chuàng)新。在汽車行業(yè)，激光光源的亮度遠高于任何其他現(xiàn)有光源。因此，激光可以專門用于遠光燈功能。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卻遠不止于此。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，幾乎只朝著一個方向發(fā)光，但與白熾燈和氣體放電燈相比，這卻是一個優(yōu)勢，距光源越遠，光束就越大。簡而言之，LED發(fā)出的光就像一個圓錐體。
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，散度相對較小。另一區(qū)別是，激光可以很容易地進行進一步處理和準直(光線平行對齊)。故激光光束可以用于發(fā)出極小卻非常密集的光斑。考慮到適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換器設(shè)計，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致同等的光量。
激光的另一方案是，車頭燈不需要實際光源，即激光二極管。它們其實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)動機艙只能提供有限空間，這項技術(shù)將會大有裨益。
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，首個原型乃基于氮化銦鎵化合物完成。激光用于汽車時，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。歐司朗在這兩個領(lǐng)域已積累多年經(jīng)驗。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)藍光LED時所獲得的知識同樣讓藍色激光的研發(fā)獲益匪淺。
提高藍光的效率絕不容易。物理學(xué)原理決定了對于激光二極管，紅光和紅外光比光譜上另一端藍光范圍內(nèi)的光更擅長轉(zhuǎn)換能量。因此藍光激光二極管會損失更多熱量，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，同時還必須解決高濕度問題。必須對激光二極管和整個光模塊進行測試，以證明它們能承受高強度振動。這種測試不僅非常復(fù)雜，且成本高昂。雖然仍未知曉消費電子產(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)玻璃的智能手機突然停止工作，但車內(nèi)的電子系統(tǒng)顯然還在正常運作。
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(譬如運用氙氣技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的照明產(chǎn)品)的經(jīng)驗中受益不淺。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，達到激光燈所需輸出級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車頭燈不會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，激光也會立即關(guān)閉。
毋庸置疑的是，在一輛汽車中，再沒有什么部件的規(guī)范比照明燈更為嚴格了。一項新技術(shù)當(dāng)然不會馬上獲批，如果要通過歐洲經(jīng)濟委員會(ECE)的審批程序，可能需耗時數(shù)年。不過，該組織采取彈性的做法，運用多年前為“遠程定位光源”制定的一項規(guī)則。當(dāng)時，這項規(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)險并不比其他車頭燈大。經(jīng)特別設(shè)計的激光燈更為安全，不會對其他道路使用者造成危險。
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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