Nowe technologie w oświetleniu samochodowym

Jednym z takich są lasery. W kontekście oświetlania samochodowego uznaje się je za innowację i kolejny znaczący krok naprzód, porównywalny do takich innowacji przełomowych z przeszłości, jak wprowadzenie lamp halogenowych, ksenonowych, a ostatnio - lamp diodowych.

Przewiduje się, że zapewnią one nowe możliwości w zakresie projektowania reflektorów i poprawy ich parametrów użytkowych, pozwalając na zmniejszenie ich rozmiarów bez wpływu na jasność oraz uzyskanie nieporównywalnego z innymi typami reflektorów zasięgu oświetlenia drogi. To ostatnie zapewni kierowcom lepszą widoczność, w konsekwencji przyczyniając się do poprawy bezpieczeństwa w ruchu drogowym.

Jasność i rozmiary reflektorów laserowych

Będzie to możliwe, ponieważ światło laserowe wyróżnia jasność większa niż w przypadku innych technologii - przykładowo jest ona czterokrotnie większa w porównaniu z diodami LED. Ponadto diody laserowe generują praktycznie punktowy strumień światła o średnicy rzędu mikrometrów. Dlatego do jego skupiania można wykorzystać bardzo małe soczewki.

Dzięki temu reflektor można zbudować z mniejszych komponentów optycznych. Zwiększa to swobodę projektowania i zmniejsza rozmiary lampy. Najlepiej można wyjaśnić to na przykładzie - reflektor halogenowy o natężeniu światła około 100 tys. kandeli ma średnicę około dwustu milimetrów, natomiast lampa laserowa o takiej samej jasności ma średnicę tylko około trzydziestu milimetrów.

Nowe technologie w oświetleniu samochodowym - zasięg, kontrowersje

Z drugiej strony układy optyczne o podobnych rozmiarach, jak te stosowane w reflektorach LED, pozwalają na uzyskanie ekstremalnych zasięgów oświetlenia reflektorów laserowych. W przypadku tych już dostępnych komercyjnie sięgają one 600 metrów, czyli typowo około dwukrotnie więcej, niż zasięg w lampach z diodami LED. Mimo niepodważalnych zalet, wprowadzaniu technologii laserowej do pojazdów towarzyszą również pewne kontrowersje.

Największą z nich jest strach o bezpieczeństwo użytkowników dróg w razie ich oświetlenia przez silnie skoncentrowaną wiązkę promieniowania laserowego. Obawy te są jednak nieuzasadnione i wynikają z niezrozumienia konstrukcji oraz zasady działania tego typu lamp samochodowych. W praktyce bowiem światło laserowe wcale nie opuszcza obudowy reflektora. W zamian wewnątrz oświetla ono luminofor, pobudzając go do świecenia. Zasada działania jest zatem podobna, jak w świetlówkach czy w białych diodach LED.

Reflektory laserowe w praktyce

Takie rozwiązanie jest wymagane, gdyż diody laserowe montowane w lampach samochodowych emitują światło monochromatyczne o długości fali do 450 nanometrów, które ludzkie oko postrzega jako niebieskie/fioletowe. Światło w tym kolorze byłoby niestety nieodpowiednie do wykorzystania w oświetleniu samochodowym. W tym przypadku potrzebne jest bowiem światło białe, najlepiej o temperaturze barwowej około 5500 K.

Pierwsze samochody z reflektorami laserowymi są już użytkowane. Wśród producentów w zakresie ich konstrukcji dominuje podejście hybrydowe.

Polega ono na tym, że jako podstawowe źródło światła wykorzystywane są diody LED. Dodatkowa wiązka światła z lampy laserowej jest natomiast włączana wyłącznie w szczególnych warunkach - przykładowo reflektory te są aktywowane, jeżeli prędkość jazdy przekroczy określoną wartość, a kamera pokładowa wykryje brak ruchu na drodze.

Samochodowe lampy hybrydowe

Przewiduje się, że w przyszłości podejście hybrydowe będzie wciąż dominować. Dzięki połączeniu techniki laserowej z innymi typami źródeł światła w różnych kombinacjach, każde z nich wniesie swój wkład i wpłynie na ostateczne parametry oraz funkcjonalność reflektorów.

Kolejną zaletą laserowych źródeł światła w tym zastosowaniu jest to, że dioda laserowa wcale niekoniecznie musi znajdować się wewnątrz reflektora. Po podłączeniu do światłowodu można ją bowiem umieścić w dowolnym miejscu w aucie. Jest to ogromną zaletą w przypadku ograniczeń przestrzennych tak typowych dla samochodów.

Na koniec warto dodać, że dostosowanie technologii laserowej do wymagań oraz specyficznych warunków pracy lamp samochodowych nie było łatwe. Złożyło się na to kilka czynników.

Laserowe oświetlenie samochodowe - specjalne wymagania i zabezpieczenia

Jednym ze szczególnych wyzwań była konieczność zwiększenia sprawności generowania niebieskiego światła. W porównaniu na przykład z diodami laserowymi czerwonymi czy tymi emitującymi promieniowanie w zakresie podczerwieni, w niebieskich diodach laserowych większa ilość energii wejściowej jest tracona na ciepło. Ich silniejsze nagrzewanie się należy zatem uwzględnić na etapie projektowania układu chłodzenia reflektorów.

Dużo wysiłku wymaga również dostosowanie diod laserowych do warunków pracy wewnątrz aut. Na przykład reflektory, a tym samym diody laserowe, muszą pracować w zakresie temperatur od -40 do +80ºC. Podobnie wysoka wilgotność nie powinna stanowić problemu. Diody laserowe, jak i całe moduły świetlne, muszą być też odporne na silne wibracje.

Oprócz wyzwań technologicznych, przed wprowadzeniem lamp laserowych do seryjnej produkcji należało również zagwarantować bezpieczeństwo ich użytkowania. Przykładami rozwiązań w tym zakresie są zabezpieczenia, dzięki którym podczas normalnej pracy promieniowanie laserowe nie może spowodować na przykład uszkodzenia ludzkiego oka. Reflektory są także zaprojektowane w taki sposób, żeby w razie ich uszkodzenia, na przykład na skutek wypadku, laser natychmiast się wyłączał.

Nowa funkcjonalność oświetlenia samochodowego

Funkcjonalność oświetlenia samochodowego jest prosta oraz określona jednoznacznie: zewnętrzne służy przede wszystkim do oświetlania drogi w nocy oraz w trudnych warunkach atmosferycznych, a poza tym poprawia widoczność auta dla innych użytkowników dróg. To wewnętrzne natomiast oświetla kabinę dla wygody kierowcy oraz pasażerów.

Zasadniczo, pomimo rozwoju technologii oświetleniowych, ta podstawowa funkcjonalność od lat pozostaje taka sama. W tym zakresie można jednak oczekiwać zmiany wraz z upowszechnieniem się nowej technologii projektorów z mikrosoczewkami. Dzięki nim oświetlenie posłuży również do komunikacji poprzez wyświetlanie obrazów na drodze.

Jak działa projektor oświetleniowy?

Projektor taki składa się ze źródła (źródeł) światła LED, kolimatora lub kilku takich elementów i matrycy mikrosoczewek. Ostatnie są precyzyjnie kształtowane oraz ustawiane tak, by wyświetlały obraz na powierzchni znajdującej się w określonej odległości od projektora. Może ona być płaska albo zakrzywiona, ustawiona względem projektora prostopadle albo pod kątem. Dzięki matrycy mikrosoczewek można znacznie skrócić ogniskową w porównaniu do układów z pojedynczą soczewką. To zmniejsza rozmiary projektora.

Za pośrednictwem matrycy mikrosoczewek wiele wersji wyświetlanego obrazu jest rzutowanych w to samo miejsce. Na przykład w przypadku układu 100 soczewek wypadkowy obraz powstaje przez nałożenie się na siebie 100 pojedynczo rzutowanych obrazów. Realizacja tego nie jest prosta, gdyż kąt załamania światła od danego źródła światła będzie nieco inny dla każdej soczewki w obrębie matrycy, nawet w przypadku wyświetlania obrazu na płaski i ustawiony prostopadle ekran. W związku z tym soczewki muszą być odpowiednio względem siebie przesunięte. Ze względu na małe rozmiary - średnica mikrosoczewki typowo nie przekracza 1 milimetra - produkcja matryc do projektorów MLA wymaga ekstremalnej precyzji.

Dla uzyskania pożądanego efektu końcowego w postaci ostrego, niezniekształconego obrazu równie ważne są też pozostałe komponenty projektora. Na przykład wymagane jest stabilne źródło światła oraz jego prawidłowa kolimacja.

Przykładowe zastosowania

Opisywane rozwiązanie zapewnia lepszą jakość oświetlenia i większe możliwości kontroli zarówno w porównaniu ze "zwykłymi" reflektorami, jak i z tymi z matrycami diod LED. Wśród jego zalet są wymieniane m.in. takie cechy jak: eliminacja ryzyka oślepiania nadjeżdżających pojazdów, większy komfort kierowców w czasie deszczu i mgły, dzięki słabszemu efektowi odbijania się światła od kropel wody, który jest nieprzyjemny dla kierowców, większa dynamika kierowania wiązki oraz możliwość rzutowania informacji kontekstowych.

Ponadto, ze względu na małe rozmiary, projektory z mikrosoczewkami mogą być wbudowywane w zasadzie w dowolną część auta. To otwiera szereg nowych możliwości w zakresie ich zastosowań.

Jednym z nich jest wyświetlanie pod progiem drzwi auta oznaczenia, na przykład w postaci wzoru charakterystycznego dla danego modelu samochodu albo jego marki, w momencie, kiedy wykryta zostanie obecność właściciela w jego pobliżu. Taka funkcjonalność poprawia wygodę użytkowania, na przykład ułatwiając wsiadanie do pojazdu w ciemności, w aspekcie psychologicznym sprawia, że użytkownik ma wrażenie, że jest przez auto "witany", zaś z punktu widzenia producentów może stanowić dodatkową reklamę. Kolejnym potencjalnym zastosowaniem jest rzutowanie na drogę oznaczeń sygnalizujących pieszym, rowerzystom oraz innym użytkownikom drogi zamiar zmiany kierunku jazdy albo pasa ruchu.

Przyszłość oświetlenia dla motoryzacji

Obecnie trwają prace nad tym, aby reflektory z mikrosoczewkami stały się inteligentnymi, adaptacyjnymi źródłami światła. Może to w praktyce oznaczać na przykład możliwość dynamicznej zmiany kształtu i zasięgu wiązki w odpowiedzi na zmiany prędkości auta i warunków na drodze.

Reflektory z mikrosoczewkami mogą również umożliwić komunikację pojazd-kierowca, pojazd-pojazd i pojazd-pieszy na niespotykaną dotychczas skalę poprzez wyświetlanie ikon. Na przykład mogą posłuży do wyświetlenia na drodze symbolu przejścia dla pieszych. To będzie sygnalizować, że kierowca decyduje się na przepuszczenie pieszego, który chce przejść przez ulicę.

Reflektory mogą też wyświetlać sygnały ostrzegawcze na drodze przed kierowcą, gdy zostaną uruchomione przez system informacji o ruchu i bezpieczeństwie pojazdu. Wewnątrz natomiast reflektory mogą służyć do wyświetlania wirtualnych przycisków. Istnieje więc wiele potencjalnych zastosowań reflektorów z mikrosoczewkami nie tylko w zakresie oświetlenie, ale i komunikacji, a także brandingu i personalizacji.

Monika Jaworowska
źródła zdjęć: Osram