Система освещения автомобиля развивается стремительными темпами, обеспечивая все новые и новые уровни безопасности и комфорта движения. Впечатляет эволюция источников автомобильного света: галоген, ксенон, светодиоды и вот, наконец, лазеры. Источниками света на основе лазерных диодов в настоящее время занимаются две автомобильные компании – BMW и Audi, представившие лазерные фары на своих спортивных автомобилях.
Лазерная фара в ее нынешнем виде фарой, как таковой, не является, а представляет собой лазерный модуль дальнего света в составе матричной фары . В перспективе вся автомобильная оптика может перейти на лазерные источники света. Преимуществами лазерных фар, обеспечивающими их широкое применение в будущем, являются:
Помимо адаптивного дальнего света лазерные фары могут выполнять и другие функции:
С развитием системы коммуникации между автомобилями перечень функций лазерных фар будет только расширяться.
Конструкция лазерной фары (лазерного модуля матричной фары) включает блок лазерных диодов, зеркальную матрицу, люминофор и линзу. Лазерные диоды от фирмы Osram формируют лазерные лучи длиной 450 нм, которые преобразуются (преломляются) DMD-матрицей (Digital Micromirror Device, дословно – цифровое микрозеркальное устройство), состоящей из более 100000 микрозеркал.
Матрица от фирмы Bosch построена на кремниевой технологии и имеет электромеханическое управление, позволяющее каждому из микрозеркал поворачиваться в горизонтальной и вертикальной плоскости. Это дает возможность изменять площадь и интенсивность освещения с высокой скоростью в широком диапазоне. Люминофор преобразует синие лазерные лучи в белое свечение. На выходе линзы получается мощный световой пучок высокой цветовой температуры, соизмеримой с дневным светом.
Управление лазерной фарой осуществляет электронный блок, который изменяет положение микрозеркал на основании сигналов от радара и видеокамеры . При низких скоростях движения свет распределяется на большой площади проекции, и дорога освещается в широком диапазоне. На высоких скоростях угол раствора уменьшается, а интенсивность света увеличивается.
Ждем появления лазерных фар на массовых автомобилях и это, по всей видимости, не за горами.
Автомобильный свет развивается в строго устоявшихся направлениях, которые редко меняются. На сегодняшний день особый интерес у большинства водителей вызывает светодиодная оптика. У нее масса достоинств, которые не позволяют приблизиться к этому сегменту альтернативным решениям. И все же технологические разработки не стоят на месте, постепенно набирает популярность совсем другая концепция светоподачи. Это лазерные фары, которые привнесли принципиально новые качества в организацию оптического обеспечения современного автомобиля.
Если традиционные источники автомобильного света типа ламп накаливания и стандартных светодиодов обеспечивают в некотором смысле динамическое излучение, то лазер дает монохромное и когерентное рассеивание. Во многом этим и обуславливаются преимущества технологии. Несмотря на это, конструкция также базируется на диодах, за счет которых и функционируют лазерные фары. Принцип работы такой оптики основывается на том, что лазер выступает не источником освещения, а элементом энергообеспечения. За свет по-прежнему отвечают три светодиода с фосфорсодержащим веществом. Именно эта группа при поддержке лазера и формирует пучок света с нужными параметрами.
В процессе работы любых фар атомы активного вещества потребляют энергию, отдавая на выходе фотоны. В частности, классическая лампа накаливания содержит вольфрамовую нить, которая испускает свет по мере нагрева от электроэнергии. Изменение же конфигурации потребления энергии привело к тому, что лазерные фары головного света могут обеспечивать мощность, которая в десятки раз превышает потенциал
Новая технология обеспечила сразу несколько преимуществ автомобильной оптике. Как уже отмечалось, даже у современного ксенона такая фара выиграет за счет мощности. И потребитель это подтверждает. Так, практика использования говорит о том, что сила лазерной системы в разы выше, чем у традиционных галогенок и светодиодов. Более точные расчеты указывают на то, что лазерные фары способны работать на 600 м вперед. Для сравнения, максимальный потенциал обычного дальнего света в лучшем случае достигает 400 м.
Но даже не в базовых рабочих качествах заключается главное преимущество лазерного света. Такой источник благодаря особому принципу работы облегчил процессы управления пучком света. Немногие пользователи, в частности, смогли опробовать новейшую систему интеллектуального управления динамическим лазерным светом. Однако, по словам специалистов, это направление развития оптики обещает массу новых возможностей. Достаточно сказать, что в последних моделях немецких автомобилей лазерный ориентируется на возможность точечной подачи луча. Таким образом, система автоматически отслеживает опасные зоны, акцентируя на них внимание водителя.
Очевидные преимущества все же не исключают отрицательных моментов эксплуатации лазерных фар. Недостатки обуславливаются теми же особенностями, которыми обладают светодиоды. Так, пользователи отмечают, что в некоторых ситуациях свет чрезмерно слепит встречных водителей и вообще он непривычен, что может отвлекать других автолюбителей. Кроме того, в существующих модификациях лазерные фары стоят очень дорого и это важный момент, если учесть, что далеко не всегда их достоинства являются жизненно необходимыми.
Существует две категории производителей лазерных фар. С одной стороны, такие технологии вполне закономерно осваивают непосредственно изготовители автомобилей. Наиболее успешные разработки в сегменте демонстрируют компании Audi и BMW. Правда, в массовых моделях лазерная оптика пока фигурирует редко - такой оснасткой чаще обзаводятся в качестве опционального решения. И с другой стороны, лазерные фары выпускают передовые разработчики светодиодной техники. Можно отметить фирмы Philips, Osram и Hella, которые занимают лидирующие позиции в области проектирования новейших Что особенно интересно, в обеих категориях компании занимают узкоспециализированные ниши, продвигая уникальные технологические решения.
О полноценном изготовлении лазерной фары с упомянутыми выше характеристиками речи быть не может, однако частичное внедрение диодов такого типа в автомобильную оптику может дать некоторый положительный результат. Так, многие домашние мастера предлагают технику изготовления лазерной указки для фары, основой в которой выступит диод из привода DVD-RW. Лазер интегрируется в нишу стоп-сигнала или с коррекцией луча посредством холодной сварки. Для ограничения длины потока можно применить трафарет, который повторит форму нужного луча. Поэтому еще перед началом изготовления следует определиться с теми, какими характеристиками должны обладать лазерные фары. Своими руками коррекционную основу можно выполнить из картона, оставив окошко подходящего размера. Обычно делают фары из расчета подачи луча в 1,5 м при условии обеспечения 4-метровой проекции.
В разных сферах технологического улучшения автомобилей происходят процессы активного внедрения интеллектуальных систем. Оптическая конфигурация даже в современных поколениях проектируется с большим упором на обеспечение основных характеристик светоподачи. Оптимальные свойства излучения уже были достигнуты на примере стандартных светодиодов. В свою очередь, лазерные фары головного света наряду с повышением эксплуатационных качеств оптики также позволили разработчикам освоить и новые принципы управления светом. Пока еще не в массовом производстве, но на примерах концептуальных машин передовые компании демонстрируют впечатляющие примеры автоматизации лазерных фар. По словам специалистов, работа в этом направлении должна не только улучшить взаимодействие водителя с фарами, но и в целом повысить эргономику управления машиной и уровень безопасности.
В свете последних публикаций (технологии Вольво , технологии Мерседес), читатели Хабра попросили рассказать более подробную информацию о технологических новинках автомобилестроения. Мне кажется, что одна из самых интересных и перспективных разработок на данный момент - лазерные фары от БМВ.
В сентябре 2011 года БМВ представила новую технологию автомобильных фар, основанную на использовании синих лазеров. Эта технология впервые применяется на автомобиле BMW i8, который был показан на Франкфуртском автосалоне в 2009 году. В фаре используется не один, а сразу три лазера, всего в автомобиле их 12 - по 3 в каждой из 2 секций фары. Чтобы понять как эта технология работает посмотрите на диаграмму.
Три лазера (A) установлены на треугольную форму и светят на маленькие зеркала (В), которые перенаправляют луч на линзу(С). Внутри линзы (С) находится желтый фосфор, который под воздействием синего лазера излучает яркий белый свет. Этот свет излучаемый фосфором, перенаправляется линзой на отражатель (D), который отбрасывает свет на 180 градусов на дорогу перед автомобилем. Внутренности фары созданы специальным образом так, что весь созданный свет отражается на поверхность перед автомобилем. Вверху справа на фотографии вы можете увидеть как работает один из 6 лазеров, хоть его луч и перекрыт карточкой. Учтите, что такая конфигурация лишь одна из возможных и можно сделать фары почти любого размера и формы.
На этой фотографии вы можете увидеть как фары работают на полную мощность. БМВ заявляет, что эти фары в 1000 раз ярче чем диодные фары, которые используются сейчас, но используют лишь половину яркости, чтобы снизить потребление электричества автомобилем. Так же, представители компании заявляют, что срок службы фар не менее 10 000 часов, такой же как у LED фар. Что важно, возможность изменения размера фар позволит дизайнерам более свободно создавать форму фар и их размер.
Конечно, первое, что мы знаем о лазерах это то, что их не надо никому направлять в глаза, чтобы не повредить сетчатку глаза. С этими фарами это просто невозможно, БМВ просит не беспокоиться. Лазер опасен тем, что его свет очень сконцентрированный и сфокусированный. Свет же, производимый желтым фосфором не такой, а чтобы это доказать инженер БМВ посмотрел прямо в луч света создаваемый фарами и пригласил журналистов сделать то же самое. Несмотря на то, что свет фар очень яркий, ни автор текста, ни кто-либо другой не пострадал от этой демонстрации.
Так же исключается возможность того, что свет фар может поджечь объекты перед автомобилем (несмотря на то, что инженер поджег ароматическую палочку от одного из лазеров автомобиля, чтобы продемонстрировать его мощность) по той же причине. Свет создаваемый фарой не является лучом лазера исходя из другой природы самого получения света. Если вы боитесь лазеров, которые вылетят из фары при аварии и начнут разрушать всё вокруг - не беспокойтесь, БМВ позаботилась и об этом, в случае ДТП, так же как и с ксеноновыми фарами - сразу отключается подача электроэнергии на фары.
BMW так же не упустила возможность представить новую технологию Dynamic LightSpot system, которая подсвечивает пешеходов, которые находятся у вас на пути. На технической модели, которую нам показывали эти прожекторы были встроены в установочное место противотуманок и приводятся в движение системой аналогичной адаптивному освещению поворотов. Система использует те же технологии, что используются в системе ночного видения БМВ, которая использует инфракрасные сенсоры и камеры, чтобы распознать человека по температуре тела и силуэту.
Если камера ночного видения обозначит пешехода значком на дисплее развлекательной системы, то система LightSpot более активная и подсветит пешехода одним лучом из места противотуманок. Поскольку в автомобиле две противотуманки, автомобиль может следить сразу за двумя пешеходами, а так же она может вести свет за пешеходом, переходящим дорогу в темноте перед вами.
Чтобы не отвлекаться на пешеходов, не мешающих движению автомобиля, система имеет достаточно узкое поле зрения. Компьютер следит за всеми пешеходами, которые есть перед автомобилем, но система подсветит только тех, что будут пересекаться с траекторией автомобиля или будет угроза пересечения этой траектории. BMW заявляет, что система может двигать луч быстрей чем может бежать любой человек, так что возможности убежать от луча у вас не будет. Правда, в БМВ говорят, что система пока что испытывает трудности на серпантине, где автомобиль постоянно меняет траекторию движения. Именно по-этому это все еще прототип. И все же, компания говорит, что эта система значительно упрощает водителями жизнь и позволяет увидеть пешеходов в среднем на 34 метра раньше чем без нее. Встречные водители так же будут избавлены от любого ослепления, потому что у БМВ есть система Active High Beam, которая следит за встречным трафиком и не позволит ослепить водителей.
Пока что обе системы - прототипы. Dynamic LightSpot дойдет до потребителя первой, хоть БМВ и не говорит когда. Но возможно, скоро придет время когда лазерные фары станут так же распространены как галогенные или ксеноновые фары распространены сегодня.
Техника не стоит на месте - иногда создаётся впечатление, что в последнее время срок использования изобретения сократился всего до нескольких лет. Ещё недавно достаточно дорогой новинкой, проходившей предсерийные испытания, были , а до них аналогичный путь прошли ксеноновые и галогеновые лампы. Теперь же на мировую технологическую арену выходят лазерные фары, которые обладают ещё более сложным принципом действия и намного большей эффективностью, чем все источники света, которые были созданы до настоящего дня. Чтобы понять, скоро ли мы увидим лазерные фары на , и что даст нам их применение, стоит подробнее разобраться в принципе их устройства.
Не стоит думать, что лазерные фары головного света подобны тем, что были установлены на автомобиле всемирно известного шпиона Джеймса Бонда - они являются для окружающих и не способны поджигать своим излучением мешающие вам транспортные средства. Понятно, что на гражданские автомобили будут устанавливаться абсолютно безопасные для окружающих источники света, которые просто существенно повысят эффективность освещения дороги перед транспортным средством. , по которому работают лазерные фары, стоит рассмотреть их устройство.
В их основу положена уникальная технология рассеяния, которая основана на применении такого химического элемента, как жёлтый фосфор - фактически, лазер используется только в качестве средства, обеспечивающего его свечение. Следовательно, лазерное освещение не может применяться для того, чтобы наносить вред окружающим, на радость большинству участников дорожного движения, и к огорчению поклонников знаменитого английского разведчика. Если рассматривать технологию, созданную , то можно заметить, что в ней используется три синих лазера, которые направлены на кубический осветительный элемент, наполненный фосфором. Через минимальное время после попадания на него луча он начинает испускать очень яркое белое излучение, интенсивность которого в несколько раз выше, чем у иных источников света при сходных энергетических затратах. За фосфорным источником света в лазерных фарах установлен отражатель особой конструкции, который позволяет концентрировать до 99,95% излучения на дороге.
На видео презентация лазерных фар BMW M4:
Многие люди, которые видят перед собой лазерные фары для авто в разрезе, начинают сомневаться, не нанесёт ли подобная технология вреда окружающим - ведь лазеры известны своей способностью ослеплять глаза человека и даже нарушать целостность некоторых материалов при достаточно высокой мощности источника излучения. Однако специалисты компании BMW, которая первая представила прототип лазерных фар, указывают на то, что сам лазер используется исключительно для «розжига» фосфорного осветительного элемента , следовательно, для водителей встречного транспорта, а также людей, встреченных около дороги, такая светотехника будет абсолютно безопасной. Даже если автомобиль, оснащённый лазерными фарами, и целостность его фонарей будет нарушена, источники излучения будут моментально отключены, что позволит свести к минимуму опасность такого источника света для окружающих.
Конечно, у такой технологии есть свои недостатки - в частности, сделать лазерные фары своими руками точно не получится, так как при их изготовлении применяются высокотехнологичные материалы, производство которых обходится достаточно дорого. Однако, в целом от эксплуатации лазерных фар автомобиль только выигрывает. В частности, как уже говорилось ранее, при сходных полученная яркость может быть в несколько раз больше. Лазерные фары от BMW, в настоящее время имеющие статус прототипа, уже позволяют получить интенсивность свечения в 1,7–1,8 раза больше при мощности, меньшей на 50% по сравнению с галогеновыми и ксеноновыми.
Кроме того, лазерный свет фар даёт возможность не только увеличить чёткость распознания объектов, расположенных на пути автомобиля - он имеет в два раза большую дальность даже по сравнению . Предельный показатель равен примерно 500–600 метров, что существенно повышает безопасность при движении с высокой скоростью. При этом фосфор, используемых в лазерных фарах, создаёт почти идеальный свет белого спектра, что также улучшает видимость в сравнении с традиционными желтоватыми лучами ламп накаливания и галогеновых источников света.
У многих людей возникает вопрос - а не будут ли такие лазерные фары с увеличенной дальностью свечения и невероятной яркостью мешать встречному транспорту. Действительно, такая проблема возникла на начальном этапе разработки, однако её достаточно быстро решили при помощи современных технологий. Микроконтроллеры позволяют ограничивать направление, в котором распространяется пучок света лазерных фар, предотвращая создание помех для остальных . При этом компания BMW на этом этапе также решила вопрос с движением по крутым «серпантинам», на которых электроника просто не успевала отреагировать на изменение дорожной обстановки. После распознания изменений дорожных условий лазерные фары переводятся в режим имитации обычных фонарей, что позволяет достичь компромисса между эффективностью и безопасностью.
Пока первые апробации проходят лазерные фары, принцип работы которых ещё не доведён до совершенства, на некоторых и Audi уже устанавливаются дополнительные лампы, использующие аналогичный принцип функционирования. Устанавливающиеся совместно с противотуманными фонарями, они имеют принцип работы, основанный на подсвечивании дорожных помех, способных представлять серьёзную опасность для транспортного средства, движущегося на высокой скорости. В частности, компания BMW использует такие лазерные фары для предотвращения столкновения с .
Принцип работы устройства достаточно непрост - вначале человека или иное живое существо достаточно крупных размеров (например, оленя) обнаруживает , позволяющий улавливать тепловое излучение на большом расстоянии. Он отслеживает его положение в режиме реального времени, и передаёт сигнал на специальные лазерные «поисковые огни», установленные в одном блоке с противотуманными лампами. В свою очередь, те создают достаточно узкий пучок излучения, который позволяет осветить «живое препятствие» и предотвратить тем самым аварию с фатальными последствиями. В среднем, подобные «поисковые огни» позволяют выиграть 1–5 секунд в обнаружении на дороге живого существа - кажется, будто это немного, однако стоит вспомнить, что автомобиль, движущийся с высокой скоростью, может проехать за это время больше ста метров.
Существуют и варианты, которые устанавливаются в качестве ламп головного света - однако существенный недостаток, которым обладают такие лазерные фары - цена, несколько раз большая, чем у светодиодных приспособлений. Кроме того, на трассах с большим количеством электроника не всегда успевает вовремя отреагировать на изменение дорожной обстановке, в результате чего огромная яркость лазерных фар может стать минусом за счёт ослепления встречном. Поэтому лазерные источники света, использующиеся в качестве основных, мы увидим на современных автомобилях только спустя несколько лет. Пока же лазерные фары останутся уделом концептуальных новинок, представляемых на площадках международных выставочных центров.
Специалисты в области электроники автомобилей говорят, что лазерные фары пока что являются прототипами, которые могут использоваться только в наиболее дорогих автомобилях. При этом даже они пока что не доработаны до совершенства - в частности, основным недостатком остаётся проблема ослепления водителей встречного транспорта. Однако совершенно очевидно, что за такими источниками света - будущее автомобильных фар, так как при сходном энергопотреблении они обеспечивают намного большую эффективность работы, а, следовательно - . Что же касается серийного применения, то инженеры говорят, что создать относительно недорогие лазерные фары удастся через 5–10 лет.
По сравнению с фарами с другими источниками света (лампами накаливания, газоразрядными, классическими светодиодами) лазеры имеют целый ряд преимуществ. Лазерное излучение имеет высокую пространственную когерентность, т. е. излучение может быть направлено в виде узкого луча.
Однако лазерные фары - это собственно не лазеры белого света, а люминесцентные источники, освещаемые мощными синими или ультрафиолетовыми полупроводниковыми лазерами.
На самом деле, существуют лазеры белого цвета на основе эффекта генерации суперконтинуума , но их использование в фарах серийных автомобиле невозможно из-за очень высокой цены (более 10 000 долларов за штуку).
Использование лазерной подсветки фосфОра позволило создать очень яркие и компактные фары с узконаправленным лучом.
Лазерные фары самые компактные из всех сущест-вующих. Светоизлучающая площадь поверхности излучающего фосфОра в сто раз меньше, чем у обычного светодиода. Поэтому при одной и той же светоотдаче лазерной фаре нужен отражатель диаметром 30 мм, для ксенона - 70 мм, а для галогенной лампы - 120 мм. Благодаря этому лазерные фары можно делать намного меньшими без потерь эффективности освещения дороги. В случае с BMW i8 высота отражателя снизилась с 9 до менее 3 сантиметров. Хотя дизайнеры пока не планируют уменьшать ее, так как новые возможности позволят более удобно располагать фары, моделировать лучший дизайн автомобиля.
Лазерный головной свет будет работать в паре с «цифровым помощником», который препятствует ослеплению водителей встречных и попутных машин. Оптика на основе лазеров обеспечивает более точную форму светового пучка, что делает передний свет более безопасным и комфортным для автомобилистов, движущихся во встречном направлении.
В корпусе каждой фары расположены три источника лазерного излучения мощностью около 1 Вт каждый. Лучи направляют при помощи системы зеркал на элемент из флуоресцентного материала. При поглощении последним энергии выделяется белое свечение, из которого формируется световой пучок.
Лазерные технологии в автомобильной светотехнике подтолкнули баварцев на создание еще одной интересной технологии, получившей название Dynamic Light Spot - динамическое точечное освещение. Новая система способна обнаруживать пешехода или другое препятствие на дороге и направлять на него усиленный луч свет. Так водитель получает информацию о потенциальной опасности. Причем такая подсказка выскакивает раньше, чем объект появляется в лучах ближнего света фар. Следовательно, сидящий за рулем получает фору в несколько секунд или десятков метров, которых часто не хватает, чтобы затормозить или объехать человека. Система Dynamic Light Spot может держать в поле зрения несколько объектов. Лишь только в объектив инфракрасной камеры попадет человек или животное, луч света сразу укажет на него.
