光子學(xué)技術(shù)在汽車LED頭燈、夜視安全系統(tǒng)及激光點(diǎn)火系統(tǒng)中的應(yīng)用

從LED頭燈、夜視安全系統(tǒng)，到正在涌現(xiàn)的激光點(diǎn)火系統(tǒng)，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(shì)，在汽車應(yīng)用中大顯身手。

目前，光學(xué)與光子學(xué)技術(shù)正在為汽車制造商提供一個(gè)日益豐富的“工具包”，幫助汽車制造商提高汽車的安全性、降低長(zhǎng)期成本、提高效率，并為汽車增添獨(dú)特的設(shè)計(jì) 元素。除了常見的LED尾燈，有些汽車也正在嘗試LED頭燈。與此同時(shí)，光纖也正在被用于連接汽車中的通信及顯示設(shè)備。據(jù)悉，目前福特公司正在調(diào)查研究汽 車激光點(diǎn)火系統(tǒng)，而另有一些高端汽車還將提供夜視系統(tǒng)和駕駛員輔助系統(tǒng)。

LED尾燈和頭燈

“雖 然目前汽車尾燈和車內(nèi)照明燈采用LED解決方案的成本仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于白熾燈的成本，但是LED解決方案的巨大優(yōu)勢(shì)已經(jīng)足以使汽車制造商在開發(fā)和制造中接受其 較高的成本。”德國(guó)卡爾斯魯厄大學(xué)（University Karlsruhe）專門研究汽車照明的Cornelius Neumann教授說(shuō)，“LED除了具備超長(zhǎng)的使用壽命外（其壽命通常長(zhǎng)于汽車壽命），其快速的響應(yīng)時(shí)間也是制動(dòng)燈的一項(xiàng)重要安全因素，通常LED的響應(yīng) 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用作汽車信號(hào)等的主要原因。”

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

“到目前為止，市場(chǎng)上至少有三種型號(hào)的汽車采用了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(jī)械振動(dòng)以及周圍溫度約高達(dá)90°C的苛刻環(huán)境，將對(duì)LED帶來(lái)一定的挑戰(zhàn)，因?yàn)長(zhǎng)ED的性能會(huì)隨著溫度的升高而下降，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?zé)艋蚋邚?qiáng)度放電（HID）燈），而是要將多個(gè) LED組裝在一起，以達(dá)到行車信號(hào)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(tǒng)，分別實(shí)現(xiàn)不同的功能。這三種系統(tǒng)需要彼此穩(wěn)固地配合在 一起，發(fā)出亮度足夠高的光，以滿足路上行車照明的要求。

盡管LED頭燈仍然面臨著諸多挑戰(zhàn)，但Neumann教授補(bǔ)充說(shuō)，與常用的燈泡解決方案相比，LED解決方案能節(jié)省50％甚至更多的能耗（見表 1）。[2]另?yè)?jù)一些研究顯示，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]隨著數(shù)學(xué)模型和軟件算法的發(fā)展，現(xiàn)在工程師們可以設(shè)計(jì)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(dǎo)到交通路面的特定區(qū)域（見圖1）。

圖 1：歐寶Signum汽車的頭燈全部采用了LED解決方案，其用不同的模塊實(shí)現(xiàn)不同的信號(hào)功能：6組LED用于近光燈；底部3組LED用于遠(yuǎn)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(biāo)燈由位于頭燈頂部的具有反射系統(tǒng)的3組LED組成。根據(jù)各個(gè)信號(hào)燈的不同用途，分別選用不同 的LED。

表1：傳統(tǒng)照明方式與LED照明功耗對(duì)比

高 亮度LED制造商有充分的理由相信未來(lái)LED向汽車領(lǐng)域的滲透。市場(chǎng)調(diào)研公司Strategies Unlimited預(yù)測(cè)，到2013年，全球汽車LED室外照明的整體市場(chǎng)規(guī)模將由2008年的1.58億美元增長(zhǎng)到3.47億美元。另?yè)?jù)水清木華研究中 心（ResearchInChina）的《2008-2009年全球與中國(guó)汽車LED照明行業(yè)研究報(bào)告》顯示，到2014年，LED頭燈將在成本和性能上 與傳統(tǒng)的HID頭燈（假設(shè)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在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用將大為改觀，單是汽車頭燈的市場(chǎng)規(guī)模就將達(dá)到1.22億美元。

寶馬的BMW-7系列汽車采用了瑞典Autoliv公司的第二代Night Vision 2夜視系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了一個(gè)遠(yuǎn)紅外傳感器，用以掃描路上的行人，其夜視距離是近光燈的3倍。當(dāng)檢測(cè)到車輛前方有行人或動(dòng)物時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)分析現(xiàn)場(chǎng)和車輛 動(dòng)態(tài)，評(píng)估駕駛員碰撞到目標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，并在必要時(shí)向駕駛員發(fā)出警報(bào)（如通過(guò)車載顯示屏發(fā)出警報(bào)，見圖2）。“Autoliv公司最新的夜視系統(tǒng)，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(tǒng)總經(jīng)理Stuart Klapper如是說(shuō)。

圖2：當(dāng)在夜間檢測(cè)到一名男子在車前橫穿馬路時(shí)，寶馬BMW-7系列汽車的遠(yuǎn)紅外夜視系統(tǒng)向駕駛員發(fā)出了警報(bào)在行車速度較慢、人流較多的城市路段，該系統(tǒng)只對(duì)道路上近距離內(nèi)的較小范圍進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以避免出現(xiàn)過(guò)多的警報(bào)；而在行車速度較高、人流稀少的鄉(xiāng)村路段，該系統(tǒng) 監(jiān)控的道路范圍則會(huì)相應(yīng)地?cái)U(kuò)大。為了對(duì)監(jiān)控范圍做出及時(shí)、相應(yīng)的調(diào)整，Autoliv公司的夜視系統(tǒng)不斷地從周圍環(huán)境中收集夜視視頻圖像，并用一套先進(jìn)的 軟件算法對(duì)超過(guò)5000多萬(wàn)個(gè)“影像片斷”進(jìn)行檢測(cè)，并依此向駕駛員發(fā)出相應(yīng)的警報(bào)信號(hào)。

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

德國(guó)西門子威迪歐公司還開發(fā)了一種工作距離達(dá)150米的紅外夜視系統(tǒng)，其產(chǎn)生一個(gè)經(jīng)過(guò)電子處理的視頻圖像，用于在汽車中實(shí)時(shí)顯示。該系統(tǒng)具有兩種工作方式： 一種方式采用近紅外系統(tǒng)，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(jī)捕獲；另一種方式采用長(zhǎng)波紅外系 統(tǒng)，這種方式需要安裝一臺(tái)相機(jī)，用一個(gè)工作在6～12µm范圍內(nèi)的傳感器來(lái)檢測(cè)來(lái)自車輛周圍環(huán)境的熱輻射。一旦檢測(cè)到人或動(dòng)物，該系統(tǒng)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(tuán)和英國(guó)利物浦大學(xué)為下一代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)激光點(diǎn)火系統(tǒng)。事實(shí)上，早在20世紀(jì)70年代末，人們就已經(jīng)開始研究激光點(diǎn)火系統(tǒng)了，當(dāng)時(shí)有很多關(guān)于激光點(diǎn)火系統(tǒng)的研究論文已經(jīng)開始出現(xiàn)在各類汽車技術(shù)會(huì)議上。

因?yàn)榧す饪梢苑纸獬啥鄠€(gè)光束，多個(gè)點(diǎn)火點(diǎn)將提高發(fā)動(dòng)機(jī)中燃料完全燃燒的機(jī)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(jī)如何運(yùn)轉(zhuǎn)的信息，從而使空氣/燃料混合物的比例自動(dòng)作出調(diào)整，實(shí)現(xiàn)更好的燃油利用率。福特公司還表示，其計(jì)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(jī)氣門，實(shí)現(xiàn)更加充分的燃料燃燒。

2007年，美國(guó) 國(guó)家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（www.netl.doe.gov）的研究人員就已經(jīng)設(shè)計(jì)出了一種與內(nèi)燃機(jī)聯(lián)合在一起的激光點(diǎn)火系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(tǒng)的單缸、四沖程、火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)相比，利用激光火花點(diǎn)火系統(tǒng)，不但能降低發(fā)動(dòng)機(jī)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(tǒng)

除了照明和夜視應(yīng)用，目前還出 現(xiàn)了基于光子學(xué)技術(shù)的駕駛員輔助系統(tǒng)。法國(guó)法奧雷集團(tuán)（Valeo）的路虎以及寶馬的BMW-5系列汽車中，均配備了駕駛員輔助系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)包括5臺(tái)相 機(jī)：一個(gè)安裝在汽車后部的廣角相機(jī)，用于停車輔助；安裝在前保險(xiǎn)杠左右兩側(cè)的兩個(gè)相機(jī)，用于在車輛進(jìn)入能見度較差的街道時(shí)，輔助駕駛員觀察接近車輛的行人 或其他物體；另外兩個(gè)安裝在兩個(gè)側(cè)視鏡上的相機(jī)，用于直接監(jiān)視車輛周圍的環(huán)境。

Panomorph技術(shù)是加拿大ImmerVision公司獲得專 利的一項(xiàng)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(qū)域提高了角度分辨率，將感興趣的目標(biāo)區(qū)域放在圖像的中心或邊緣（見圖3）。[4]還有特定的窗口可 供駕駛?cè)藛T觀察情況，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(tǒng)，能將防撞系統(tǒng)、盲區(qū)查看、行人與道路標(biāo)志檢測(cè)以及車道跟蹤 等諸多應(yīng)用集成在一起。

圖3：來(lái)自一個(gè)Panomorph相機(jī)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等。

ImmerVision公司定制全景應(yīng)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)與分銷授權(quán)協(xié)議，并且其第一個(gè)Automotive Tier 2將提供一個(gè)Panomorph汽車視覺(jué)模塊。360°的全景視覺(jué)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)新的增強(qiáng)型全景瀏覽和傳感應(yīng)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環(huán)境。”