Лазерная оптика для авто. Игорь Владимирский — о спорткаре Audi R8 c «лазерными» фарами
Недавно фирмой Audi была представлена новая версия суперкара R8. Она получила обозначение LMX. Новинку оснастили фарами головного света, конструкция которых содержит лазерные светодиоды. По словам представителей бренда, купе LMX можно считать первым в мире серийным авто, оснащенным лазерной оптикой «с завода».
Скоро должны выпустить и гибридный суперкар BMW i8, прототип которого был представлен еще в 2011-м году. Данный автомобиль тоже получит лазерные фары, но только в качестве опции. Возникает вопрос, не опасна ли новая технология для глаз, и целесообразно ли применять ее на практике. Ответить на подобные вопросы мы попытаемся далее.
Конструкция
Каждая фара Audi LMX содержит массив из четырех светодиодов. Луч лазера, идущий от каждого светодиода, попадает на люминофор, который излучает видимый свет с температурой 5500 K. Световой поток, излучаемый люминофором, больше напоминает свет галогенных ламп, и не имеет ничего общего с лазерным излучением. Значит, какой-либо опасности для глаз человека инновационная оптика не представляет, несмотря на то, что основным источником энергии в ней является лазер.
Спрашивается, зачем нужны все эти сложности, такие как лазеры, фосфоресцирующий экран и так далее. В действительности дальность освещения, получаемого с использованием лазерных модулей, вдвое превосходит показатели, характерные для LED или ксенона. Что является хорошим аргументом для применения рассматриваемой технологии именно в автомобильной оптике. Разумеется, что дальнобойный лазерный свет нельзя будет задействовать, когда используется режим ближнего света. Это можно считать еще одной гарантией того, что новая технология является безвредной.
Только в суперкарах
Вряд ли рассмотренная здесь технология в реальности получит повсеместное распространение. Лазерные фары в автомобиле Audi LMX активизируются на скорости 60 км/ч, но суперкар обладает системой, обнаруживающей встречные машины и отключающей лазерный модуль в случае необходимости. Наверняка подобная кибернетическая система является дорогостоящей, а без наличия подобных систем использовать лазерную оптику будет неправомерно.
Дождался темноты, выехал на суперкаре Audi R8 LMX на загородные немецкие дорожки подальше от Ингольштадта, пропустил всех встречных, врубил дальний - и... где же обещанный лазерный свет? Он срабатывает только после 60 км/ч, и освещенная зона удлиняется почти вдвое - до шестисот метров! Только светит при этом... не совсем лазер.
Были автомобильные фары масляные, потом ацетиленовые, затем с лампами накаливания, потом газоразрядные и светодиодные. А теперь еще и лазерные! Они появились практически одновременно на BMW i8 и на Audi R8 LMX. Литеры LMX - в честь Ле-Мана. Ведь в этом году победные болиды Audi были впервые оснащены «лазерной» головной оптикой, а теперь ее серийный вариант ставится на дорожный R8 в «ле-мановской» версии.
В продажу пойдет лишь 99 таких -купе, которые отличаются от серийной версии V10 plus (АР №19, 2013) форсированным двигателем (570 л.с. вместо 550 л.с.), углепластиковыми деталями кузова (спойлеры, антикрыло, корпуса зеркал и т.д.), спортивными атрибутами в салоне и особой синей окраской. В Германии Audi R8 LMX продается за 210 тысяч евро - на 35 тысяч дороже исходной версии V10 plus. И примерно половина этой доплаты - как раз за «лазерный» свет!
Сравнение световых пучков фар Audi R8 LMX
Почему в кавычках?
Что такое лазер? Если коротко, то это квантовый генератор, вырабатывающий излучение оптического диапазона с недостижимой для других источников света монохроматичностью и когерентностью.
Монохроматичность, то есть постоянство цвета луча, - это следствие фиксированной длины волны. То есть лазерный луч может быть или красным, или синим, или... Но никак не белым, -поскольку белый свет, который и нужен для освещения дороги, - ахроматичес-кий. У белого света нет собственной длины волны, и получается он в результате смешения как минимум трех монохроматических излучений (например, красного, зеленого и синего - как в кинескопах телевизоров).
А когерентность - это синхронность колебаний волн в разных точках пространства и в разное время. Вспомните лазерные указки, работающие от обычных батареек. Мощность такого лазера - не более 5 милливатт, но луч бьет на пару-тройку километров, при этом на «прицельной» поверхности видно лишь небольшое освещенное пятно.
Но для автомобильных фар, наоборот, нужен источник рассеянного света, чтобы освещать большое пространствопередмашиной!
При этом даже дешевые лазерные указки опасны для глаз: сконцентрированный в одной точке луч бесповоротно повреждает клетки сетчатки. А с ростом мощности в «группу риска» попадают и кожа, и даже неорганические материалы.
Так каким образом инженерам немецкой компании Osram, которая разрабатывала новые фары и для Audi, и для BMW, удалось приспособить лазер для освещения дороги?
Косвенно. Лазеры в фарах Audi R8 LMX есть, но их лучи не выходят за пределы корпусов!
Видите секцию «лазерного» света? А она есть! Дуло лазерно-люминофорной «пушки» (показано стрелкой) - диаметром всего 2 см и прикрыто миниатюрными жалюзи, которые открываются по команде электронного блока при включении
Во-первых, головная оптика здесь прежде всего светодиодная: полупроводниковые источники света отвечают и за ближний свет, и за дальний. Но вдобавок в каждой фаре есть и четыре миниатюрных лазерных диода мощностью 1,6 Вт каждый (в фарах BMW i8 таких диода три - и это единственное принципиальное отличие от Audi). Лазеры генерируют тонкие, с волос, лучи синего цвета (длина волны - 450 Нм). С помощью линз эти лучи собираются в один и... попадают на люминофор - желтую фосфорную пластину площадью всего 0,5х0,5 мм. Это и есть истинный источник света! Поглощая энергию лазерного излучения, он испускает пучок практически белого света (цветовая температура - 5500 К), который через систему отражателей падает на дорогу.
От выхода «чистых» лазерных лучей наружу предохраняет многоступенчатая система безопасности, отрубающая питание при малейшем повреждении или «подозрении» на нештатную ситуацию. Жалюзи в фарах - тоже часть этой системы.
То есть лазер здесь - лишь источник энергии, и корректнее называть такие фары лазерно-люминофорными. А если учесть, что «лазерная» секция автоматически подключается к светодиодной только после 60 км/ч, то... О стыд, Osram? Но кого нынче интересует техническая корректность? Не будешь же называть эти фары «светодиодно-лазерно-люминофорными». Длинно и малопонятно. А скажешь «лазерные» - и вау-эффект обеспечен!
А какая технология лучше?
На сегодняшний день - матричная, - без тени сомнения отвечает Штефан Берлитц, главный специалист Audi по головному свету.
Герр Берлитц имеет в виду светодиодную оптику Audi Matrix LED, которая устанавливается, к примеру, на Audi A8 (АР №21, 2013): 25 мощных светодиодов с компьютерным управлением автоматически регулируют форму светового пучка, избегая ослепления встречных водителей. Лазерно-люминофорная оптика этого не умеет. Зато бьет на 500-600 метров! А у штатных светодиодных фар Audi R8 заявленная дальнобойность - всего около 300 м.
Но светодиодные матричные фары на обновленном Мерседесе CLS (АР №15-16, 2014) «по паспорту» светят на 485 м, лишь немного уступая лазерным фарам Audi.
И мы, и наши коллеги из Мерседеса уже научились делать хорошие светодиодные фары, - объясняет Штефан Берлитц. - А «лазерный» свет пока может похвастать лишь дальнобойностью и миниатюрными размерами. Но мы только начали работу над ним, дальше будет интереснее!
Не сомневаюсь. Ведь и ксеноновые фары сперва были крайне дорогими, а теперь это вчерашний день. А будущее - или светодиодное, или люминофорное. И однозначно - яркое.
По сравнению с фарами с другими источниками света (лампами накаливания, газоразрядными, классическими светодиодами) лазеры имеют целый ряд преимуществ. Лазерное излучение имеет высокую пространственную когерентность, т. е. излучение может быть направлено в виде узкого луча.
Однако лазерные фары - это собственно не лазеры белого света, а люминесцентные источники, освещаемые мощными синими или ультрафиолетовыми полупроводниковыми лазерами.
На самом деле, существуют лазеры белого цвета на основе эффекта генерации суперконтинуума , но их использование в фарах серийных автомобиле невозможно из-за очень высокой цены (более 10 000 долларов за штуку).
Использование лазерной подсветки фосфОра позволило создать очень яркие и компактные фары с узконаправленным лучом.
Лазерные фары самые компактные из всех сущест-вующих. Светоизлучающая площадь поверхности излучающего фосфОра в сто раз меньше, чем у обычного светодиода. Поэтому при одной и той же светоотдаче лазерной фаре нужен отражатель диаметром 30 мм, для ксенона - 70 мм, а для галогенной лампы - 120 мм. Благодаря этому лазерные фары можно делать намного меньшими без потерь эффективности освещения дороги. В случае с BMW i8 высота отражателя снизилась с 9 до менее 3 сантиметров. Хотя дизайнеры пока не планируют уменьшать ее, так как новые возможности позволят более удобно располагать фары, моделировать лучший дизайн автомобиля.
Лазерный головной свет будет работать в паре с «цифровым помощником», который препятствует ослеплению водителей встречных и попутных машин. Оптика на основе лазеров обеспечивает более точную форму светового пучка, что делает передний свет более безопасным и комфортным для автомобилистов, движущихся во встречном направлении.
В корпусе каждой фары расположены три источника лазерного излучения мощностью около 1 Вт каждый. Лучи направляют при помощи системы зеркал на элемент из флуоресцентного материала. При поглощении последним энергии выделяется белое свечение, из которого формируется световой пучок.
Светодиодная указка
Лазерные технологии в автомобильной светотехнике подтолкнули баварцев на создание еще одной интересной технологии, получившей название Dynamic Light Spot - динамическое точечное освещение. Новая система способна обнаруживать пешехода или другое препятствие на дороге и направлять на него усиленный луч свет. Так водитель получает информацию о потенциальной опасности. Причем такая подсказка выскакивает раньше, чем объект появляется в лучах ближнего света фар. Следовательно, сидящий за рулем получает фору в несколько секунд или десятков метров, которых часто не хватает, чтобы затормозить или объехать человека. Система Dynamic Light Spot может держать в поле зрения несколько объектов. Лишь только в объектив инфракрасной камеры попадет человек или животное, луч света сразу укажет на него.
Источники света для автомобиля являются важнейшей системой, позволяющей повысить уровень безопасности транспортного средства и управляемость машиной в условиях ограниченной видимости.
Естественно, что автопроизводители стараются постоянно совершенствовать свои осветительные технологии: изначально использовались обычные , затем стали применять LED-источники и светодиоды, теперь дело дошло до лазерной фары для авто.
Принцип работы и устройство лазерных фар
Некоторые люди, насмотревшись фантастических фильмов и услышав первые новости о появлении лазерных фар для автомобиля, забили тревогу – этот источник света, дескать, будет не только ослеплять встречных автолюбителей, но и негативно воздействовать на сетчатку человеческого глаза, разрушая ее.
На самом деле разработчики подобной технологии давно решили эту проблему, благодаря особому подходу к устройству своих систем и принципу их функционирования:
- Лазеры используются только для разогрева специального элемента – фосфора.
- Фосфор, нагреваясь, превращается в сильнейший источник света, который фокусируется на дороге и позволяет ее эффективно освещать.
Кроме того, разработчики реализовали в своих лазерных противотуманных фарах следующие принципы:
- Автоматическое отключение оборудования, в случае попадания транспортного средства в дорожно-транспортное происшествие, при котором фары могут быть повреждены.
- Наличие специальных датчиков, считывающих информацию обо всех встречных предметах и изменению конфигурации дороги. После этого компьютерная система автомобиля может принимать самостоятельные решения о снижении интенсивности выпускаемого пучка света.
Преимущества технологии
Понятно, что подобные источники света автоматически поднимают изначальную стоимость транспортного средства, на котором они будут эксплуатироваться. Поэтому у автолюбителей возникает вполне логичный вопрос – а какие именно преимущества будет давать подобная технология? Их несколько:
- Чистое освещение – источник дает абсолютно белый свет, который совершенно не искажает предметы и их очертания.
- Лазерные фары способны освещать дорогу на расстоянии до 600-та метров.
Последний фактор является очень существенным, так как позволяет в ночное время перемещаться за пределами городской черты на довольно высоких скоростях, одновременно обеспечивая себе и автомобилю приемлемый уровень безопасности.
История появления и развитие
Первая официальная информация о подобной технологии появилась в 2011-ом году. Совсем не удивительно, что пионерами в этом направлении развития автомобильных осветительных систем стали две именитые немецкие компании – БМВ и АУДИ.
Первыми стали представители BMW, которые в 2011-ом году представили мировой публике концептуальное транспортное средство под названием i8, получившее в качественно оснащения подобную технологию. Ровно через три года немецкий спорткар перешел в стадию серийного производства и сегодня доступен людям, конечно, за достаточно высокую сумму денег от десяти миллионов рублей и выше.
Audi представила свой вариант несколькими месяцами позже, в том же 2011-ом году. Но, в отличие от конкурентов, это сразу была серийная модель R18 E-tron Quattro. Одновременно автопроизводитель презентовал и очередной свой концепт (Sport Quattro Laserlight) с аналогичной системой освещения.
То есть, на данный момент времени, люди, которые мечтают иметь собственное транспортное средство, оснащенное лазерными источниками света, может выбрать только среди ограниченного числа автомобильных марок, выпускаемых двумя немецкими компаниями – все остальные автопроизводители пока-что не заявили о разработке аналогичных технологий.
Автомобильный свет развивается в строго устоявшихся направлениях, которые редко меняются. На сегодняшний день особый интерес у большинства водителей вызывает светодиодная оптика. У нее масса достоинств, которые не позволяют приблизиться к этому сегменту альтернативным решениям. И все же технологические разработки не стоят на месте, постепенно набирает популярность совсем другая концепция светоподачи. Это лазерные фары, которые привнесли принципиально новые качества в организацию оптического обеспечения современного автомобиля.
Принцип работы лазерной оптики
Если традиционные источники автомобильного света типа ламп накаливания и стандартных светодиодов обеспечивают в некотором смысле динамическое излучение, то лазер дает монохромное и когерентное рассеивание. Во многом этим и обуславливаются преимущества технологии. Несмотря на это, конструкция также базируется на диодах, за счет которых и функционируют лазерные фары. Принцип работы такой оптики основывается на том, что лазер выступает не источником освещения, а элементом энергообеспечения. За свет по-прежнему отвечают три светодиода с фосфорсодержащим веществом. Именно эта группа при поддержке лазера и формирует пучок света с нужными параметрами.
В процессе работы любых фар атомы активного вещества потребляют энергию, отдавая на выходе фотоны. В частности, классическая лампа накаливания содержит вольфрамовую нить, которая испускает свет по мере нагрева от электроэнергии. Изменение же конфигурации потребления энергии привело к тому, что лазерные фары головного света могут обеспечивать мощность, которая в десятки раз превышает потенциал
Положительные отзывы о лазерных фарах
Новая технология обеспечила сразу несколько преимуществ автомобильной оптике. Как уже отмечалось, даже у современного ксенона такая фара выиграет за счет мощности. И потребитель это подтверждает. Так, практика использования говорит о том, что сила лазерной системы в разы выше, чем у традиционных галогенок и светодиодов. Более точные расчеты указывают на то, что лазерные фары способны работать на 600 м вперед. Для сравнения, максимальный потенциал обычного дальнего света в лучшем случае достигает 400 м.
Но даже не в базовых рабочих качествах заключается главное преимущество лазерного света. Такой источник благодаря особому принципу работы облегчил процессы управления пучком света. Немногие пользователи, в частности, смогли опробовать новейшую систему интеллектуального управления динамическим лазерным светом. Однако, по словам специалистов, это направление развития оптики обещает массу новых возможностей. Достаточно сказать, что в последних моделях немецких автомобилей лазерный ориентируется на возможность точечной подачи луча. Таким образом, система автоматически отслеживает опасные зоны, акцентируя на них внимание водителя.
Негативные отзывы
Очевидные преимущества все же не исключают отрицательных моментов эксплуатации лазерных фар. Недостатки обуславливаются теми же особенностями, которыми обладают светодиоды. Так, пользователи отмечают, что в некоторых ситуациях свет чрезмерно слепит встречных водителей и вообще он непривычен, что может отвлекать других автолюбителей. Кроме того, в существующих модификациях лазерные фары стоят очень дорого и это важный момент, если учесть, что далеко не всегда их достоинства являются жизненно необходимыми.
Производители
Существует две категории производителей лазерных фар. С одной стороны, такие технологии вполне закономерно осваивают непосредственно изготовители автомобилей. Наиболее успешные разработки в сегменте демонстрируют компании Audi и BMW. Правда, в массовых моделях лазерная оптика пока фигурирует редко - такой оснасткой чаще обзаводятся в качестве опционального решения. И с другой стороны, лазерные фары выпускают передовые разработчики светодиодной техники. Можно отметить фирмы Philips, Osram и Hella, которые занимают лидирующие позиции в области проектирования новейших Что особенно интересно, в обеих категориях компании занимают узкоспециализированные ниши, продвигая уникальные технологические решения.
Как сделать лазерные фары своими руками?
О полноценном изготовлении лазерной фары с упомянутыми выше характеристиками речи быть не может, однако частичное внедрение диодов такого типа в автомобильную оптику может дать некоторый положительный результат. Так, многие домашние мастера предлагают технику изготовления лазерной указки для фары, основой в которой выступит диод из привода DVD-RW. Лазер интегрируется в нишу стоп-сигнала или с коррекцией луча посредством холодной сварки. Для ограничения длины потока можно применить трафарет, который повторит форму нужного луча. Поэтому еще перед началом изготовления следует определиться с теми, какими характеристиками должны обладать лазерные фары. Своими руками коррекционную основу можно выполнить из картона, оставив окошко подходящего размера. Обычно делают фары из расчета подачи луча в 1,5 м при условии обеспечения 4-метровой проекции.
Заключение
В разных сферах технологического улучшения автомобилей происходят процессы активного внедрения интеллектуальных систем. Оптическая конфигурация даже в современных поколениях проектируется с большим упором на обеспечение основных характеристик светоподачи. Оптимальные свойства излучения уже были достигнуты на примере стандартных светодиодов. В свою очередь, лазерные фары головного света наряду с повышением эксплуатационных качеств оптики также позволили разработчикам освоить и новые принципы управления светом. Пока еще не в массовом производстве, но на примерах концептуальных машин передовые компании демонстрируют впечатляющие примеры автоматизации лазерных фар. По словам специалистов, работа в этом направлении должна не только улучшить взаимодействие водителя с фарами, но и в целом повысить эргономику управления машиной и уровень безопасности.
