光子學(xué)技術(shù)在汽車(chē)LED頭燈、夜視安全系統及激光點(diǎn)火系統中的應用

從LED頭燈、夜視安全系統，到正在涌現的激光點(diǎn)火系統，光子學(xué)技術(shù)正憑借其帶來(lái)的緊湊、低能耗以及高性能等優(yōu)勢，在汽車(chē)應用中大顯身手。

目前，光學(xué)與光子學(xué)技術(shù)正在為汽車(chē)制造商提供一個(gè)日益豐富的“工具包”，幫助汽車(chē)制造商提高汽車(chē)的安全性、降低長(cháng)期成本、提高效率，并為汽車(chē)增添獨特的設計 元素。除了常見(jiàn)的LED尾燈，有些汽車(chē)也正在嘗試LED頭燈。與此同時(shí)，光纖也正在被用于連接汽車(chē)中的通信及顯示設備。據悉，目前福特公司正在調查研究汽 車(chē)激光點(diǎn)火系統，而另有一些高端汽車(chē)還將提供夜視系統和駕駛員輔助系統。

LED尾燈和頭燈

“雖 然目前汽車(chē)尾燈和車(chē)內照明燈采用LED解決方案的成本仍然遠遠高于白熾燈的成本，但是LED解決方案的巨大優(yōu)勢已經(jīng)足以使汽車(chē)制造商在開(kāi)發(fā)和制造中接受其 較高的成本。”德國卡爾斯魯厄大學(xué)（University Karlsruhe）專(zhuān)門(mén)研究汽車(chē)照明的Cornelius Neumann教授說(shuō)，“LED除了具備超長(cháng)的使用壽命外（其壽命通常長(cháng)于汽車(chē)壽命），其快速的響應時(shí)間也是制動(dòng)燈的一項重要安全因素，通常LED的響應 時(shí)間要比常用的燈泡縮短約75毫秒。此外，LED的低功耗以及新穎的造型，也是制造商選擇LED用作汽車(chē)信號等的主要原因。”

Neumann教授聯(lián)合德國汽車(chē)照明與電子產(chǎn)品供應商海拉公司（Hella）在汽車(chē)照明領(lǐng)域進(jìn)行了11年的深入研究。他表示，雖然LED尾燈在汽車(chē)中比較常見(jiàn)，但是汽車(chē)要采用LED頭燈卻面臨著(zhù)更多的挑戰。

“到目前為止，市場(chǎng)上至少有三種型號的汽車(chē)采用了LED頭燈：雷克薩斯的LS 600、奧迪R8和凱迪拉克Escalade Platinum。”Neumann教授說(shuō)，“但是在頭燈中完全采用LED解決方案，仍然有許多問(wèn)題需要解決。”

Neumann教授指出，灰塵、 潮濕、機械振動(dòng)以及周?chē)鷾囟燃s高達90°C的苛刻環(huán)境，將對LED帶來(lái)一定的挑戰，因為L(cháng)ED的性能會(huì )隨著(zhù)溫度的升高而下降，因此一些高功率的LED都需 要配有冷卻裝置。而且，LED頭燈不是使用一個(gè)單一的光源（如鹵素燈或高強度放電（HID）燈），而是要將多個(gè) LED組裝在一起，以達到行車(chē)信號照明的需求。[1]在LED頭燈中，通常使用三種不同的光學(xué)系統，分別實(shí)現不同的功能。這三種系統需要彼此穩固地配合在 一起，發(fā)出亮度足夠高的光，以滿(mǎn)足路上行車(chē)照明的要求。

盡管LED頭燈仍然面臨著(zhù)諸多挑戰，但Neumann教授補充說(shuō)，與常用的燈泡解決方案相比，LED解決方案能節省50％甚至更多的能耗（見(jiàn)表 1）。[2]另?yè)恍┭芯匡@示，用不到20％的LED光就能獲得與HID燈同等的亮度，并且LED的照明更加安全。[3]隨著(zhù)數學(xué)模型和軟件算法的發(fā)展，現在工程師們可以設計產(chǎn)生各種形式的反射鏡和透鏡，將從光源發(fā)出的光引導到交通路面的特定區域（見(jiàn)圖1）。

圖 1：歐寶Signum汽車(chē)的頭燈全部采用了LED解決方案，其用不同的模塊實(shí)現不同的信號功能：6組LED用于近光燈；底部3組LED用于遠光燈；邊上兩 組小LED用于地角燈；10組LED用作日間行駛燈。方向指標燈由位于頭燈頂部的具有反射系統的3組LED組成。根據各個(gè)信號燈的不同用途，分別選用不同 的LED。

表1：傳統照明方式與LED照明功耗對比

高 亮度LED制造商有充分的理由相信未來(lái)LED向汽車(chē)領(lǐng)域的滲透。市場(chǎng)調研公司Strategies Unlimited預測，到2013年，全球汽車(chē)LED室外照明的整體市場(chǎng)規模將由2008年的1.58億美元增長(cháng)到3.47億美元。另?yè)迥救A研究中 心（ResearchInChina）的《2008-2009年全球與中國汽車(chē)LED照明行業(yè)研究報告》顯示，到2014年，LED頭燈將在成本和性能上 與傳統的HID頭燈（假設LED技術(shù)能按照目前的發(fā)展速度不斷進(jìn)步）具備可比性，到那時(shí)，LED在汽車(chē)領(lǐng)域的應用將大為改觀(guān)，單是汽車(chē)頭燈的市場(chǎng)規模就將達到1.22億美元。

寶馬的BMW-7系列汽車(chē)采用了瑞典Autoliv公司的第二代Night Vision 2夜視系統，該系統采用了一個(gè)遠紅外傳感器，用以?huà)呙杪飞系男腥?，其夜視距離是近光燈的3倍。當檢測到車(chē)輛前方有行人或動(dòng)物時(shí)，系統會(huì )自動(dòng)分析現場(chǎng)和車(chē)輛 動(dòng)態(tài)，評估駕駛員碰撞到目標的風(fēng)險，并在必要時(shí)向駕駛員發(fā)出警報（如通過(guò)車(chē)載顯示屏發(fā)出警報，見(jiàn)圖2）。“Autoliv公司最新的夜視系統，將夜間駕駛 安全提高到了一個(gè)全新的水平，它為駕駛員在夜間道路上提供了‘另外一只眼’。”Autoliv公司夜視系統總經(jīng)理Stuart Klapper如是說(shuō)。

圖2：當在夜間檢測到一名男子在車(chē)前橫穿馬路時(shí)，寶馬BMW-7系列汽車(chē)的遠紅外夜視系統向駕駛員發(fā)出了警報在行車(chē)速度較慢、人流較多的城市路段，該系統只對道路上近距離內的較小范圍進(jìn)行監測，以避免出現過(guò)多的警報；而在行車(chē)速度較高、人流稀少的鄉村路段，該系統 監控的道路范圍則會(huì )相應地擴大。為了對監控范圍做出及時(shí)、相應的調整，Autoliv公司的夜視系統不斷地從周?chē)h(huán)境中收集夜視視頻圖像，并用一套先進(jìn)的 軟件算法對超過(guò)5000多萬(wàn)個(gè)“影像片斷”進(jìn)行檢測，并依此向駕駛員發(fā)出相應的警報信號。

Autoliv公司的夜視系統中采用的遠紅外相機采用320×240像素的釩氧化物熱輻射測量?jì)x，并具有一個(gè)鍺窗口以保護相機的鏡頭免受外界的傷害。Klapper說(shuō)：“與第一代相機相比，現在我們已經(jīng)成功地將鏡頭的成本降低了30％之多。”

德國西門(mén)子威迪歐公司還開(kāi)發(fā)了一種工作距離達150米的紅外夜視系統，其產(chǎn)生一個(gè)經(jīng)過(guò)電子處理的視頻圖像，用于在汽車(chē)中實(shí)時(shí)顯示。該系統具有兩種工作方式： 一種方式采用近紅外系統，在這種方式下，由兩個(gè)集成到前燈中的紅外發(fā)射器產(chǎn)生的光，被一個(gè)安裝在后視鏡附近的小型攝像機捕獲；另一種方式采用長(cháng)波紅外系 統，這種方式需要安裝一臺相機，用一個(gè)工作在6～12µm范圍內的傳感器來(lái)檢測來(lái)自車(chē)輛周?chē)h(huán)境的熱輻射。一旦檢測到人或動(dòng)物，該系統都會(huì )將物體以明亮的 形式顯示出來(lái)。

激光點(diǎn)火

2009年夏季，福特公司就宣布其正在聯(lián)合GSI集團和英國利物浦大學(xué)為下一代汽車(chē)發(fā)動(dòng)機開(kāi)發(fā)激光點(diǎn)火系統。事實(shí)上，早在20世紀70年代末，人們就已經(jīng)開(kāi)始研究激光點(diǎn)火系統了，當時(shí)有很多關(guān)于激光點(diǎn)火系統的研究論文已經(jīng)開(kāi)始出現在各類(lèi)汽車(chē)技術(shù)會(huì )議上。

因為激光可以分解成多個(gè)光束，多個(gè)點(diǎn)火點(diǎn)將提高發(fā)動(dòng)機中燃料完全燃燒的機會(huì )，從而能減少排放，提高在寒冷和潮濕條件下燃料的燃燒效率。甚至，有一部分激光能 量還可以被發(fā)射回來(lái)，用以提供有關(guān)發(fā)動(dòng)機如何運轉的信息，從而使空氣/燃料混合物的比例自動(dòng)作出調整，實(shí)現更好的燃油利用率。福特公司還表示，其計劃通過(guò) 一根光纜提供激光火花，這會(huì )比火花塞占用更少的空間，從而能允許使用更大、更高效的發(fā)動(dòng)機氣門(mén)，實(shí)現更加充分的燃料燃燒。

2007年，美國 國家能源技術(shù)實(shí)驗室（www.netl.doe.gov）的研究人員就已經(jīng)設計出了一種與內燃機聯(lián)合在一起的激光點(diǎn)火系統。該系統將1.06µm激光器發(fā) 出的10ns脈沖，通過(guò)火花塞端口聚焦到氣缸中來(lái)產(chǎn)生點(diǎn)火火花。與傳統的單缸、四沖程、火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機相比，利用激光火花點(diǎn)火系統，不但能降低發(fā)動(dòng)機的排 放量，而且還能改善燃料的燃燒利用率。

駕駛員輔助系統

除了照明和夜視應用，目前還出 現了基于光子學(xué)技術(shù)的駕駛員輔助系統。法國法奧雷集團（Valeo）的路虎以及寶馬的BMW-5系列汽車(chē)中，均配備了駕駛員輔助系統。整個(gè)系統包括5臺相 機：一個(gè)安裝在汽車(chē)后部的廣角相機，用于停車(chē)輔助；安裝在前保險杠左右兩側的兩個(gè)相機，用于在車(chē)輛進(jìn)入能見(jiàn)度較差的街道時(shí)，輔助駕駛員觀(guān)察接近車(chē)輛的行人 或其他物體；另外兩個(gè)安裝在兩個(gè)側視鏡上的相機，用于直接監視車(chē)輛周?chē)沫h(huán)境。

Panomorph技術(shù)是加拿大ImmerVision公司獲得專(zhuān) 利的一項廣角鏡頭技術(shù)，該技術(shù)能在一個(gè)圖像視場(chǎng)的特定區域提高了角度分辨率，將感興趣的目標區域放在圖像的中心或邊緣（見(jiàn)圖3）。[4]還有特定的窗口可 供駕駛人員觀(guān)察情況，另外的一些同步視覺(jué)圖像可用于路況分析，例如，通過(guò)一個(gè)智能巡航控制系統，能將防撞系統、盲區查看、行人與道路標志檢測以及車(chē)道跟蹤 等諸多應用集成在一起。

圖3：來(lái)自一個(gè)Panomorph相機的多個(gè)同步非失真圖像，可以起到輔助駕駛的作用，例如幫助駕駛員避免碰撞和輔助停車(chē)等。

ImmerVision公司定制全景應用副總裁Alain Marchildon表示：“目前三星公司已經(jīng)與ImmerVision簽訂了相關(guān)的生產(chǎn)與分銷(xiāo)授權協(xié)議，并且其第一個(gè)Automotive Tier 2將提供一個(gè)Panomorph汽車(chē)視覺(jué)模塊。360°的全景視覺(jué)系統，能夠實(shí)現新的增強型全景瀏覽和傳感應用，從而能大大減少與碰撞有關(guān)的傷亡事件，為駕乘人員提供更加安全的行車(chē)環(huán)境。”