Эволюция автомобильной светотехники

Прожигая жизнь лазером

На протяжении всего существования автотранспорта, начиная с получения Бенцом в 1886 г. патента на изобретение автомобиля, осветительные приборы постоянно совершенствовались и прошли путь от керосиновых, масляных, а затем ацетиленовых светильников до HID, LED и лазерных фар. Последние разработки позволяют уместить в небольшом блоке фары светотехнику, по эффективности превосходящую прожектор на тепловозе.

Первые фары, работающие от АКБ, автомобиль получил в 1908 году. Несколько позже, в 1915 году, на автомобили начали устанавливать уже отдельные фары для ближнего и дальнего света, причем появилась возможность независимой регулировки направления светового луча. В 1924 году появились лампы Билюкс, в которых один отражатель использовался и для усиления светового потока, образуемого лампами дальнего света, и он же позволял увеличить эффективность работы ламп ближнего света.

До 1962 года в фарах использовались обычные лампы накаливания, источником света в которых чаще всего оказывалась раскаленная вольфрамовая нить, помещенная либо в инертный газ, либо в вакуум, создаваемый в стеклянной колбе. Галогенные лампы накаливания, появившиеся в 60-х, получили огромное распространение благодаря повышенной светоотдаче, долговечности, устойчивости к колебаниям напряжения, малым размерам колбы. «Господство» галогенных ламп длилось почти 3 десятилетия, но после 1991 года их начали «вытеснять» ртутно-ксеноновые газоразрядные лампы.

Ксеноновые лампы служат не менее 2,8 тыс. ч., в то время как галогенным гарантируется работа в течение 200–500 ч., в зависимости от модели. Мощность светового потока, излучаемого ксеноновой лампой, выше создаваемой лампами накаливания. Например, если «галогенка» мощностью 55 Вт обеспечивает световой поток в 1 550 лм, то ксеноновая 35-ваттная обеспечивает более 3 000 лм. Однако нельзя не сказать, что, по статистике, собранной компанией Phillips Automative в 2015—16 гг., около 90 % автомобилей пользуются галогенными лампами.

Но и галогенные, и ксеноновые лампы имеют существенные недостатки и низкий КПД, поэтому лишенные их недостатков светодиоды активно начали использоваться в автомобилестроении с 2007 г. Эксплуатационный ресурс до 50 тыс. ч., чрезвычайно низкое энергопотребление, близкий к естественному цвет генерируемого света – это только малая часть преимуществ использования LED-диодов.

Однако LED-фары недолго оставались «последним писком моды». Уже в 2011 году компания BMW продемонстрировала новое осветительное оборудование – лазерные фары. Инженеры BMW оснастили новейшей оптикой концепт-кар BMW i8, а с 2014 года компания начала серийное производство гибридной модификации BMW i8 с возможностью комплектации лазерными фарами. Сегодня лазерные фары, по согласованию с покупателем, также устанавливают на модели BMW 7 Series.

Во время испытаний лазерные фары дальнего света освещали дорогу на 600–700 м перед машиной, причем растительность по краям дороги была хорошо видна, имела «теплый» зеленый цвет, а не серый, как при освещении другими видами фар. Для того чтобы отраженные от дорожных знаков лучи не ослепляли водителя, работу системы освещения контролирует компьютерная программа, вооруженная инфракрасной камерой наблюдения. В нужный момент программа дает команду и меняет интенсивность освещения. Эта же система корректирует направление светового потока, либо выключает фары вообще, если возникает вероятность того, что свет фар может угрожать зрению водителей других автомобилей.

На автосалоне в 2013 году во Франкфурте немецкий концерн Audi продемонстрировал концептуальную модель Audi Sport Quattro с лазерными огнями дальнего света. Президент компании Audi Руперт Штадлер тогда заявил, что подобные фары с 2014 года войдут в список дополнительного оборудования, установка которого будет предусмотрена на некоторые модели Audi.

А на следующий год на 24-часовых гонках на выносливость, проходящих ежегодно с 1923 г. неподалеку от французского города Ле-Ман, компания Audi решила облегчить жизнь водителям своей команды и установила на болидах Audi R18 лазерные фары. Ночной период гонок наиболее сложен. Езда со скоростью более 300 км/ч при освещении, создаваемом только собственными фарами, быстро утомляет даже самых опытных водителей, а мощный поток света от лазерных фар освещал трассу перед машиной на 600 м. Ни одна LED-диодная фара на такое не способна.

В 2013 году свой вариант лазерного освещения предложила компания Mercedes-Benz. При разработке системы освещения концептуальной модели кроссовера GLA инженеры компании, видимо, «увлеклись», и в результате появился автомобиль, у которого наряду с головными фарами с лазерными модулями дальнего света установлены еще и лазерные проекторы. С их помощью можно проецировать фотографии, рисунки, видеоролики на дорожное покрытие любого типа. Управляет работой проекторов разработанный компанией мультимедийный комплекс Comand. Материалы для демонстрации загружаются на Comand практически с любого носителя: смартфона, жесткого диска, непосредственно из интернета.

Собственно, «лазерной» фару называют достаточно условно, потому что, по сути, это матричная фара, в состав которой входит лазерный модуль дальнего света. Термин «матричная фара» начали использовать на Audi. Компания преуспела в разработке этого перспективного оборудования, соединяющего в одном корпусе матричный модуль дальнего света, модуль ближнего света, а также модуль габаритных огней и модуль указателей поворота.

Матричные фары Matrix LED headlights с 2013 г. штатно устанавливаются в модели Audi A8. Модуль дальнего света в фарах A8 – это соединение 25 светодиодов, разделенных на 5 групп. Каждая группа из 5 светодиодов оснащается отдельным отражателем и металлическим радиатором для отвода тепла, выде­ляемого работающими диодами. Под модулем дальнего света в фаре A8 располагается модуль ближнего света, 15 светодиодов этого модуля также поделены на несколько групп. Еще ниже, под модулем ближнего света, находится модуль ДХО, в котором 30 последовательно соединенных светодиодов. Такое расположение модулей связано с конкретным дизайном фар модели, но порядок установки модулей может меняться, если того требуют дизайнерские или конструктивные требования.

Внутри матричной фары находится воздуховод с вентилятором, для эффективной работы светодиодов необходимо принудительное охлаждение. Кроме того, там же внутри закреплен блок управления фарой, являющийся частью электронной системы автомобиля. Важнейшим элементом управления фарой является инфракрасная камера, фиксирующая движущиеся объекты, находящиеся на дороге.

Системы управления фарой также анализируют показания датчиков различных систем автомобиля, а именно сигналы датчика скорости движения машины, датчика дорожного просвета, датчика освещения, датчика угла поворота руля и даже датчика дождя. При установке дополнительного навигационного оборудования и согласования его работы с системой управления фарами, интенсивность освещения может автоматически меняться в зависимости от рельефа местности, качества дорожного полотна, ситуации на трассе в целом.

В лазерных матричных фарах модулем дальнего света является инновационный лазерный модуль, состоящий из нескольких лазерных диодов, а также DMD-матрицы, люминофора и линзы. Лазерные диоды под действием тока генерируют лазерные лучи, которые попа­дают в цифровое микрозеркальное устройство, именуемое DMD-матрицей. Там лучи преломляются и собираются в единый световой поток. В конструкции DMD-матрицы от компании Bosch более 100 тысяч микрозеркал, которые с помощью электромеханического привода могут менять свое пространственное положение как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях. Микрозеркальное устройство позволяет оперативно менять интенсивность освещения, а также размеры освещаемой площади, причем в широком диапазоне.

Лазерные диоды излучают синее свечение, а люминофор позволяет преобразовать поток лазерных лучей с длиной волны в 450 нм в белое свечение. Цветовая температура свечения – 5 500 К, что сопоставимо с цветовой температурой дневного света, составляющей 6 500—7 500 К. На последнем этапе оптическая линза собирает отдельные лучи в световой пучок, концентрируя их мощность.

Надо отметить, что лазерные модули включаются при определенной скорости автомобиля. Например, в фарах лазерного «первенца» Audi R18 E-tron Quattro до 60 км/ч освещение осуществляют LCD-диоды, а с увеличением скорости подключаются лазерные светодиоды, по 4 в каждой фаре. В BMW i8 такое подключение происходит при скорости выше 70 км/ч. Благодаря работе DMD-матрицы при 70—80 км/ч лазерные фары освещают значительную площадь дороги и прилегающую обочину. С увеличением же скорости мощность светового потока увеличивается, а освещаемая площадь заметно сокращается.

Преимуществ использования лазерных модулей немало. Свет, создаваемый лазерным модулем, оказывает минимальную усталостную нагрузку на глаза водителя, в то же время лазерный луч светит намного мощнее всех существующих сегодня ламп и светодиодов. Дальность освещения превышает минимум в 2 раза дальность лучей LED-диодов, а световой поток интенсивнее в 10 раз, чем в существующих источниках света.

Потребление энергии лазерным модулем на 30 % ниже, чем требуется для работы LED-диодов. Лазерный модуль BMW потребляет всего 10 Вт, излучая при этом свет в 340 лм. К тому же, лазерные прожекторы очень компактны, в фаре BMW i8 диаметр отражателя составляет менее 30 мм, тогда как в ксеноновой фаре с близкими параметрами отражатель имеет диаметр 70 мм, а в галогенной фаре вообще 120 мм.

Очень важно то, что лазерные фары существенно улучшают обзорность, не ослепляя при этом водителей и пешеходов. Волны излучаемых лучей имеют одинаковую длину и постоянную разность фаз, благодаря этому становится возможным гибкое управление освещением конкретных зон и участков. Спецрежим автоматически отключает часть диодов, которые могут «создать проблемы» мощным свечением другим участникам движения.

К сожалению, сегодня только очень состоятельные люди могут ощутить в полной мере преимущества лазерной технологии: стоимость комплекта лазерных фар около €10 тыс. Однако все нововведения, как правило, начинали использоваться в первую очередь в наиболее дорогих моделях автомобилей, о которых обычные люди могут только мечтать. Но постепенно прежние новинки получали широкое распространение. Что ж, будем ждать и надеяться, что в этом случае развитие событий будет аналогичным.