光子学在汽车中的应用 - 全文

　　随着科技的进步和发展，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集，以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。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）。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。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。

　　夜视系统

　　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。

　　激光点火

　　2009年夏季，福特公司就宣布其正在联合GSI集团和英国利物浦大学为下一代汽车发动机开发激光点火系统。事实上，早在20世纪70年代末，人们就已经开始研究激光点火系统了，当时有很多关于激光点火系统的研究论文已经开始出现在各类汽车技术会议上。

　　因为激光可以分解成多个光束，多个点火点将提高发动机中燃料完全燃烧的机会，从而能减少排放，提高在寒冷和潮湿条件下燃料的燃烧效率。甚至，有一部分激光能量还可以被发射回来，用以提供有关发动机如何运转的信息，从而使空气/燃料混合物的比例自动作出调整，实现更好的燃油利用率。福特公司还表示，其计划通过一根光缆提供激光火花，这会比火花塞占用更少的空间，从而能允许使用更大、更高效的发动机气门，实现更加充分的燃料燃烧。

　　2007年，美国国家能源技术实验室的研究人员就已经设计出了一种与内燃机联合在一起的激光点火系统。该系统将1.06μm激光器发出的10ns脉冲，通过火花塞端口聚焦到气缸中来产生点火火花。与传统的单缸、四冲程、火花点火发动机相比，利用激光火花点火系统，不但能降低发动机的排放量，而且还能改善燃料的燃烧利用率。

　　驾驶员辅助系统

　　除了照明和夜视应用，目前还出现了基于光子学技术的驾驶员辅助系统。法国法奥雷集团（Valeo）的路虎以及宝马的BMW-5系列汽车中，均配备了驾驶员辅助系统。整个系统包括5台相机：一个安装在汽车后部的广角相机，用于停车辅助；安装在前保险杠左右两侧的两个相机，用于在车辆进入能见度较差的街道时，辅助驾驶员观察接近车辆的行人或其他物体；另外两个安装在两个侧视镜上的相机，用于直接监视车辆周围的环境。

　　Panomorph技术是加拿大ImmerVision公司获得专利的一项广角镜头技术，该技术能在一个图像视场的特定区域提高了角度分辨率，将感兴趣的目标区域放在图像的中心或边缘（见图3）。还有特定的窗口可供驾驶人员观察情况，另外的一些同步视觉图像可用于路况分析，例如，通过一个智能巡航控制系统，能将防撞系统、盲区查看、行人与道路标志检测以及车道跟踪等诸多应用集成在一起。

　　

　　图3：来自一个Panomorph相机的多个同步非失真图像，可以起到辅助驾驶的作用，例如帮助驾驶员避免碰撞和辅助停车等。

　　ImmerVision公司定制全景应用副总裁Alain Marchildon表示：“目前三星公司已经与本公司签订了相关的生产与分销授权协议，并且其第一个Automotive Tier 2将提供一个Panomorph汽车视觉模块。360°全景视觉系统，能够实现新的增强型的全景浏览和传感应用，从而大大减少与碰撞有关的伤亡事件，为驾乘人员提供更加安全的行车环境。”