光子学技术在汽车LED头灯、夜视安全系统及激光点火

从LED头灯、夜视安全系统，到正在涌现的激光点火系统，光子学技术正凭借其带来的紧凑、低能耗以及高性能等优势，在汽车应用中大显身手。

目前，光学与光子学技术正在为汽车制造商提供一个日益丰富的“工具包”，帮助汽车制造商提高汽车的安全性、降低长期成本、提高效率，并为汽车增添独特的设计 元素。除了常见的LED尾灯，有些汽车也正在尝试LED头灯。与此同时，光纤也正在被用于连接汽车中的通信及显示设备。据悉，目前福特公司正在调查研究汽 车激光点火系统，而另有一些高端汽车还将提供夜视系统和驾驶员辅助系统。

LED尾灯和头灯

“虽 然目前汽车尾灯和车内照明灯采用LED解决方案的成本仍然远远高于白炽灯的成本，但是LED解决方案的巨大优势已经足以使汽车制造商在开发和制造中接受其 较高的成本。”德国卡尔斯鲁厄大学（University Karlsruhe）专门研究汽车照明的Cornelius Neumann教授说，“LED除了具备超长的使用寿命外（其寿命通常长于汽车寿命），其快速的响应时间也是制动灯的一项重要安全因素，通常LED的响应 时间要比常用的灯泡缩短约75毫秒。此外，LED的低功耗以及新颖的造型，也是制造商选择LED用作汽车信号等的主要原因。”

Neumann教授联合德国汽车照明与电子产品供应商海拉公司（Hella）在汽车照明领域进行了11年的深入研究。他表示，虽然LED尾灯在汽车中比较常见，但是汽车要采用LED头灯却面临着更多的挑战。

“到目前为止，市场上至少有三种型号的汽车采用了LED头灯：雷克萨斯的LS 600、奥迪R8和凯迪拉克Escalade Platinum。”Neumann教授说，“但是在头灯中完全采用LED解决方案，仍然有许多问题需要解决。”

Neumann教授指出，灰尘、 潮湿、机械振动以及周围温度约高达90°C的苛刻环境，将对LED带来一定的挑战，因为LED的性能会随着温度的升高而下降，因此一些高功率的LED都需 要配有冷却装置。而且，LED头灯不是使用一个单一的光源（如卤素灯或高强度放电（HID）灯），而是要将多个 LED组装在一起，以达到行车信号照明的需求。[1]在LED头灯中，通常使用三种不同的光学系统，分别实现不同的功能。这三种系统需要彼此稳固地配合在 一起，发出亮度足够高的光，以满足路上行车照明的要求。

尽管LED头灯仍然面临着诸多挑战，但Neumann教授补充说，与常用的灯泡解决方案相比，LED解决方案能节省50％甚至更多的能耗（见表 1）。[2]另据一些研究显示，用不到20％的LED光就能获得与HID灯同等的亮度，并且LED的照明更加安全。[3]随着数学模型和软件算法的发展，现在工程师们可以设计产生各种形式的反射镜和透镜，将从光源发出的光引导到交通路面的特定区域（见图1）。

图 1：欧宝Signum汽车的头灯全部采用了LED解决方案，其用不同的模块实现不同的信号功能：6组LED用于近光灯；底部3组LED用于远光灯；边上两 组小LED用于地角灯；10组LED用作日间行驶灯。方向指标灯由位于头灯顶部的具有反射系统的3组LED组成。根据各个信号灯的不同用途，分别选用不同 的LED。

表1：传统照明方式与LED照明功耗对比

高 亮度LED制造商有充分的理由相信未来LED向汽车领域的渗透。市场调研公司Strategies Unlimited预测，到2013年，全球汽车LED室外照明的整体市场规模将由2008年的1.58亿美元增长到3.47亿美元。另据水清木华研究中 心（ResearchInChina）的《2008-2009年全球与中国汽车LED照明行业研究报告》显示，到2014年，LED头灯将在成本和性能上 与传统的HID头灯（假设LED技术能按照目前的发展速度不断进步）具备可比性，到那时，LED在汽车领域的应用将大为改观，单是汽车头灯的市场规模就将达到1.22亿美元。

宝马的BMW-7系列汽车采用了瑞典Autoliv公司的第二代Night Vision 2夜视系统，该系统采用了一个远红外传感器，用以扫描路上的行人，其夜视距离是近光灯的3倍。当检测到车辆前方有行人或动物时，系统会自动分析现场和车辆 动态，评估驾驶员碰撞到目标的风险，并在必要时向驾驶员发出警报（如通过车载显示屏发出警报，见图2）。“Autoliv公司最新的夜视系统，将夜间驾驶 安全提高到了一个全新的水平，它为驾驶员在夜间道路上提供了‘另外一只眼’。”Autoliv公司夜视系统总经理Stuart Klapper如是说。

图2：当在夜间检测到一名男子在车前横穿马路时，宝马BMW-7系列汽车的远红外夜视系统向驾驶员发出了警报在行车速度较慢、人流较多的城市路段，该系统只对道路上近距离内的较小范围进行监测，以避免出现过多的警报；而在行车速度较高、人流稀少的乡村路段，该系统 监控的道路范围则会相应地扩大。为了对监控范围做出及时、相应的调整，Autoliv公司的夜视系统不断地从周围环境中收集夜视视频图像，并用一套先进的 软件算法对超过5000多万个“影像片断”进行检测，并依此向驾驶员发出相应的警报信号。

Autoliv公司的夜视系统中采用的远红外相机采用320×240像素的钒氧化物热辐射测量仪，并具有一个锗窗口以保护相机的镜头免受外界的伤害。Klapper说：“与第一代相机相比，现在我们已经成功地将镜头的成本降低了30％之多。”

德国西门子威迪欧公司还开发了一种工作距离达150米的红外夜视系统，其产生一个经过电子处理的视频图像，用于在汽车中实时显示。该系统具有两种工作方式： 一种方式采用近红外系统，在这种方式下，由两个集成到前灯中的红外发射器产生的光，被一个安装在后视镜附近的小型摄像机捕获；另一种方式采用长波红外系 统，这种方式需要安装一台相机，用一个工作在6～12µm范围内的传感器来检测来自车辆周围环境的热辐射。一旦检测到人或动物，该系统都会将物体以明亮的 形式显示出来。