浅析激光照明车灯应用现状与未来,能否与LED争辉?

日前,一所名为“深圳市中光工业技术研究院暨中村修二激光照明实验室”正式揭牌。据悉,该实验室是深圳在建设国际科技、产业创新中心,积极规划建设十大诺贝尔奖科学家实验室和十大基础研究机构,不断提升源头创新能力过程中,诞生的第二家由诺贝尔奖得主领衔的重大创新平台。


中村修二在中国设立深圳市中光工业技术研究院暨中村修二激光照明实验室

虽然中村修二早于2014年10月因发明“高效蓝色发光二极管(LED)”斩获诺贝尔物理学奖的“蓝光之父”,是依靠LED而一夜爆红,但他却多次在公开的场合提及激光照明的优势,并表示看好激光照明未来,甚至曾经大胆作出预测,宣称未来十年的LED照明将会被激光照明所取代。而在当日的揭牌仪式上,亲临现场的中村修二又再次表明:激光技术将成为未来显示产业的一个重要发展趋势,蓝光LED代表着激光照明的未来。

据介绍,激光照明技术是世界级、颠覆性的新一代照明技术,影响和带动的产业预计将达万亿级规模。听起来俨然就是一个技术尖端、“钱景”开阔的全新领域,那么,什么是激光照明?原来激光照明分可见光激光照明,红外激光照明。

可见光激光照明,按原理分为以下两种:蓝光激发荧光粉实现白光照明(如2014年宝马某车型推出的激光车大灯) ; 红绿蓝激光合成白色激光或真彩色光照明 (如青岛中科光谱的激光照明灯)。红外激光照明,则多应用于夜视、夜间摄像头监控照明。

激光光源是基于半极性GaN激光二极管,并结合先进的荧光粉技术。由于激光集中于荧光粉上某个微小点发射光线并转换成白光,光源能够输出安全且高度准直的白光,再加上使用微小的光学透镜及反光罩,对光进行优异的控制以实现较好的照明效果。相比蓝光LED,激光器不存在的光效下降的问题,在照明上,激光照明可实现非常高的效率。这也是中村修二多次表态看好激光照明未来的重要原因。

事实上,LD激光与LED光从激发源上看没有太大的区别,YAG激光在于多了一个受激光辐射,LED是在半导体激发光后增加了一个荧光转换,视觉上的主要区别在于激光的单色性很好,LED的光谱则要更广一些,适合显示屏、照明等。此外,两者的亮度没法相提并论,因为激光是直线光,方向性很强,如不经过处理亮度会比LED大很多。激光作RGB视觉效果目前还不成熟,只停留在实验室状态,激光投影、激光电视目前也只是一个概念。

中村修二曾经将激光照明与LED照明的优劣作出比较,他认为,激光照明的发光面积更小,发光效率更高,感官上更容易聚焦且照射距离更远,可以广泛应用于汽车车头灯及其他领域。在汽车照明应用上,目前世界知名的汽车品牌如宝马(BMW)和奥迪(Audi),都正在为把这项技术应用在新产品上而作出努力。据介绍,与此同时,激光照明由于是属于“点光源”,未来还有望与光纤技术集合,相信两者可以衍生出更为巨大的应用前景。

关于在未来10年激光照明会否取代LED照明这类问题,坊间的讨论意见不一,基于激光照明体积更小、结构更紧凑、投射距离远等特点,有业内人士认为,在某些领域确实可能会取代LED照明,比如车灯和显示技术领域。在普通照明领域,有人就对激光照明在十年内取代LED照明表示存疑。不过,任何一种创新技术的发展态势都值得保持关注。

下面我们先来看看在车灯方面的应用情况。根据相关测试,激光灯的优势在于如可以通过一个镜片控制激光光束的方向,实现灵活照明,可以有指向性的照射到前方,距离是LED远光灯的两倍。在2014年1月初开幕的美国拉斯维加斯消费电子展上,奥迪就曾发布了SportLaserlightconcept概念车,这也是奥迪首款搭载激光大灯的车型,也预示着奥迪激光大灯的投入使用。

通常激光只能发出红、蓝、绿灯几种固定的颜色,因此有着要将它转化成一个亮度比较高的、接近自然光照明要求。据介绍,白天晴天时日光的色温是5500K,奥迪激光大灯的色温也是5500K。假如在蓝色的激光笔前面涂上一层磷之后,它的光束颜色会变成白色,而奥迪Sport quattro laserlight的激光大灯运行原理是一样的,灯组内含有一个很小的激光二极管,在激光二极管的前方有一个很小的磷化层,它可以将蓝色的光束变成白色。


奥迪的激光大灯同时存在LED和激光模组,两者相互补充来提供照明


激光大灯的照射范围是LED远光灯的两倍,与LED照明系统起互补作用

有研究发现,5500K是比较接近日光的颜色,肉眼看会是偏白又不至于过白,奥迪方面也认为这是最合适的色温。激光大灯在远近光都可以正常使用。激光在它主要的优势是体积更小且照射距离更远,相比LED远光灯,照射距离从250米增加到500米。至于穿透力的问题,雨、雪、雾这类天气会影响到任何车灯的穿透性,激光大灯自然也不例外。

在氙气大灯方兴未艾,LED大灯才刚刚普及之际,BMW也早在2014年就将激光大灯装备在i8上。在LED技术尚未挖掘到头的时候就迫不及待地上马激光大灯,原因何在?据透露,除了具备了LED的大部分优点,如快速响应、寿命长、能耗低等,激光独有的定向发光以及极高亮度是其余光源所不可比拟的,特别是激光的光束发散性极小,几乎接近平行。这也就意味着,只要有足够的能量,激光大灯照射的距离只取决于人类视力的极限。

另外,在目前的科技下激光二极管单元长度可以做到10微米,这仅仅是常规LED单元的百分之一。激光的照明效率也比LED要高许多,LED的光输出约为100Lm/W,而激光单元的光输出可达到170Lm/W。综上,激光大灯也许会改变将来汽车前脸的设计方向,大灯总成所占车头的面积会越来越小。

BMW的激光大灯是采用了与LED普遍采用的方法,将蓝色单色光与黄磷滤镜配合而产生白光,亮度和色温都经过调整,并且需要经过反复的验证,确认对人类、动物以及周边自然环境安全无害。据介绍,BMW的激光大灯的开启条件非常苛刻,当车辆时速超过40km/h以上才可以开启,并与BMW远光灯辅助系统结合,防止驾驶者没有及时切换远、近光灯而对来车造成影响。

在2015年1月开幕的CES国际电子消费展上,宝马又对外展示了一项新的激光大灯技术。在原有激光大灯可达600米最远照射距离的基础上,增加了自动调节光源角度的功能。即在检测到迎面有行驶车辆通过时,升级后的激光大灯可自动调整角度以避免与来车发生炫目情况。

来到2016北美CES上,BMWK1600GTL概念车首次配备了激光大灯照明科技,这项激光照明科技源于新一代BMW7系和BMW i8,并有意应用在BMW摩托车上。激光大灯能产生特别明亮的纯白灯光,官方表示,其远光灯照明范围可达 600 米,是普通LED大灯的两倍,适合长途旅行的道路照明需求。此外,激光大灯还拥有体积小、免维修和寿命长等特点。

目前,BMW摩托车激光照明科技正通过K 1600 GTL概念车进行可行性测试,BMW摩托车部门正在着手这项科技在量产车型中的应用。虽然激光照明科技在摩托车上的使用成本依然非常高昂,但是,随着该科技在汽车工业中大范围应用,其成本有望进一步下降。

去(2015)年,曾经有外媒报道,松下开发出了可使汽车前灯亮度达到世界最高水平的技术。新技术将电力转换为光的半导体激光器采用了新材料,将光的强度提高至以往的1.5倍。在黑暗环境下也易于发现远方行驶的汽车等,有助于提高行车的安全性。

据指,松下在DVD播放机等使用的半导体激光器领域在全世界掌握约8成份额。松下计划利用优势技术,开拓不断增长的汽车相关市场。半导体激光器输入功率的7成为热能,如果封闭在内部,发光的能力易于下降。此次为行业内首次降低热能的节能型激光器的开发成为可能。

新型半导体激光器在元件的一部分上采用了易于导热的氮化铝,形成了易于散热的结构。使之能高效发光,作为发光的性能,激光器的输出功率从以往被视为极限的3瓦提高至世界最高的4.5瓦。此外,照射距离有可能从现在的500米左右增加至700米左右。作为属于增长领域的汽车相关市场的战略性零部件,松下力争在2019年之前实用化。

汽车用前灯正不断采用节能性高的发光二极管(LED)。半导体激光器由于价格昂贵,目前在汽车领域仅有一部分高档车采用。松下将宣传能照射得更远的激光器照明的优点,以拓展需求。此外,松下还将作为体育场等的聚光灯和激光加工机的光源来销售。

松下将汽车相关领域定位为增长业务。计划到2018年度将车载相关业务的销售额提高至2.1万亿日元,比2014年度增长8成。锂离子电池和车载导航仪系统等拉动增长,但将来希望将汽车用前灯相关产品打造为核心产品。

除了车外的照明外,将来激光照射还有机会广泛运用在车内的照明上,如利用导光材料,就可以用激光实现车内照明,所以未来也很可能会用激光通过导光管来实现车内照明。

自LED大灯之后,激光大灯已相继被推出,不过可以看到,目前的激光大灯仍然处于初期阶段,普及之路还是困难重重,比如高额的成本,以及照明时产生的巨大热量等,都还是各厂商的需要克服的难题。从当下的情况来看,LED灯并未普及,激光大灯成本也有待控制,不过长远发展下去,激光大灯在某方面甚至最终替代LED亦是不无可能的。

 



来源:新兴产业智库

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