Компания OSRAM разрабатывает лазерные диоды для автомобильного освещения
Фанаты автомобилей очаровываются, а дизайнеры находят новые творческие возможности. Для специалистов в области светотехники лазерный луч теперь представляет долгожданный новый источник света. Но что стоит за этой технологией?
Широкое распространение получили два неправильных представления, когда речь заходит о лазерном освещении. Во-первых, целью использования лазерного луча является освещение дороги, а во-вторых, это подогревает опасения, что высококонцентрированный направленный свет опасен для человеческого глаза. Тем не менее, это неправильно и страх необоснованный. Хотя для автомобильного освещения используется синий лазер, лазерный луч не покидает область фар.
Лазерный свет - как это работает?
Принцип действия автомобильного освещения отличается. Внутри фары лазерный луч попадает на люминофор и возбуждает его, чтобы создать свет - в результате так называемой "конверсии" лазерного излучения. Этот принцип можно сравнить с работой классической люминесцентной лампы или светодиода белого света. В люминесцентной лампе УФ-излучение преобразуется в видимый свет, а в светодиоде синий свет преобразуется в белый свет. Люминесцентные материалы также называют "люминофоры" (фосфоры). Чистый химический элемент фосфор не используется, потому что флуоресцирующие вещества представляют собой керамические материалы высокой производительности, содержащие соединения фосфора. Вместе с материалом-носителем флуоресцирующие материалы перерабатываются в частично прозрачные листы. Помимо геометрии, выбор материала, качество обработки и оптические характеристики преобразования света имеют решающее значение для уровня освещенности и, следовательно, являются предметом дальнейшего развития.
Второе неправильное представление о лазерном свете касается количества света. Лазерное освещение не получило достаточного развития, потому что существующие источники света не производят достаточного светового потока, но обладают беспрецедентной яркостью. Разработчики осветительных приборов имеют выбор из достаточного количества других традиционных источников света, которые генерируют высокий световой поток. На протяжении более 20 лет использовалась газоразрядная технология, например ксеноновые фары в автомобилях.
Много света из малого источника
Преимуществом лазерного света является то, что он позволяет производить много света, который направленно излучается из очень компактных фар. Следующий пример может проиллюстрировать данную концепцию – общий свет галогенных фар дальнего света с интенсивностью света около 100 000 кандел (Кд) имеет диаметр приблизительно 220 миллиметров. Для получения сопоставимого количества света с помощью лазера требуется всего 30 миллиметров.
Концепция гибридного освещения
Первые автомобили с лазерным светом уже используются на дорогах. Производители автомобилей полагаются на гибридные концепции освещения - светодиоды используются для функции основного освещения, а дополнительный дальний свет (который включается только при более высоких скоростях) может быть реализован с использованием технологии лазерного луча.
Эта новая технология, как ожидается, будет реализована в будущем аналогичным образом, т.е. в сочетании с установленными источниками света. Каждая концепция освещения будет иметь свои особенности, что сделает возможным большое разнообразие вариантов освещения. В дополнение к светодиодам, ксенону и лазерным источникам света установленным в фары, в будущем органические светодиоды (OLED) также будут интегрированы в задние фонари автомобилей.
Производители автомобилей будут использовать лазеры, светодиоды и органические светодиоды не только для целей проектирования, но и подчеркнуть их технические инновации. С точки зрения освещенности лазерные источники света обеспечивают значительно более высокую яркость, чем все источники света ранее установленные в автомобиле. По этой причине лазерный луч можно рассматривать в приоритете для создания пучка высокой плотности. Кроме того лазерный луч можно использовать там, где желательно получить высокую мощность светового излучения из очень маленькой геометрии источника света и с поверхностей, которые столь же малы. Тем не менее, инженеры компании Osram Opto Semiconductors думают о перспективах дальнейшего развития технологии и уже рассматривают сценарии применения лазерного луча внутри транспортного средства, например, в качестве лазерных проекторов, которые заменят существующие автомобильные дисплеи.
Конструктивные преимущества волоконной оптики
Другим преимуществом лазерного света является то, что фактический источник света, т.е. лазерные диоды, не обязательно должны быть расположены внутри автомобильной фары. В случае подключения через оптическое волокно они могут быть размещены практически в любом месте внутри автомобиля. Это делает лазерную технологию особенно интересной при отсутствии достаточного места для установки излучателя внутри моторного отсека автомобиля.
Инновационные технологии освещения с более чем десятилетним практическим опытом
В 2006 году компания Osram Opto Semiconductors начала разработку подходящих лазерных диодов для использования в автомобильном освещении. Первые прототипы были изготовлены на основе индий-галлий-нитридных соединений. Когда использование лазерного луча стало предметом обсуждения для автомобильной промышленности компания Osram Opto Semiconductors объединила две ранее независимые технологии - лазеры и конверторы, которые представляют собой флуоресцирующие материалы, преобразующие излучение лазера в полезный свет. Компания Osram Opto Semiconductors обладает многолетним опытом работы в обеих областях. В течение почти 40 лет Osram Opto Semiconductors разрабатывает и производит как светодиоды, так и полупроводниковые лазеры. С 1996 года на производственном предприятии в г. Регенсбург на основе InGaN изготавливаются синие светодиоды, которые значительно опередили в своем развитии синие лазеры.
Одной из важных задач стало повышение эффективности синего света. По физическим причинам лазерные диоды для красного и инфракрасного диапазона длин волн преобразуют энергию входного сигнала лучше, чем это возможно на другом конце светового спектра – в синей области спектра. Поэтому синие лазерные диоды производят больше отработанного тепла, который необходимо отводить с помощью соответствующих мер охлаждения. В 2013 году компании Osram Opto Semiconductors удалось увеличить эффективность для синих лазерных диодов в диапазоне нескольких Вт до 30 процентов и, таким образом, снизить потребность в охлаждении.
Трудная задача - автомобильная промышленность
Потребовалось приложить много усилий, чтобы адаптировать лазерные диоды в автомобильной промышленности, т.к. производители автомобилей предъявляют высокие требования к эксплуатации используемых компонент. Например, фары (и, следовательно, лазерные диоды) должны работать в температурном диапазоне от -40 до +80 градусов. Кроме того высокая влажность воздуха не должна создавать проблем при эксплуатации. При тестировании проводятся сложные испытания, в которых как лазерные диоды, так и целые световые модули, должны доказать свою устойчивость к сильным вибрациям. Такие стрессовые условия не встречаются в области бытовой электроники, где значительно более низкий температурный диапазон является распространенным явлением. Эта разница очевидна, например, когда смартфон, прикрепленный к ветровому стеклу автомобиля, перестает работать в жаркую погоду и при солнечном свете, в то время как автомобильная электроника, естественно, продолжает работать.
При выполнении этих требований компания Osram Opto Semiconductors извлекла пользу из опыта, накопленного в качестве мирового лидера в автомобильном секторе для других осветительных приборов, таких как ксеноновые лампы или полупроводниковые технологии. Этот опыт также включает в себя лазерные диоды для применения в измерении расстояния в системах помощи водителю. Тем не менее, эти лазерные диоды имеют намного меньшую энергию импульса и работают в инфракрасном диапазоне. Лазерные диоды, обладающие классом лазера, необходимые для создания лазерного света никогда раньше не применялись в автомобиле и при таких относительно экстремальных условиях окружающей среды.
В дополнение к технологическим вызовам препятствием для серийного производства лазерного света являются вопросы безопасности и соответствия. Необходимо использовать несколько систем безопасности, которые контролируют, чтобы во время нормальной работы лазерный луч не мог выйти из лампы и привести к повреждению, например, человеческого глаза. Системы спроектированы таким образом, что после того как фара повреждается (например, после аварии) лазер немедленно выключается.
Едва ли какая-либо часть автомобиля в значительной степени регулируется различными регламентами, как свет. Характеристики фар должны соответствовать существующим правилам сертификации и качества. Таким образом, максимальный разрешенный уровень освещенности для лазерного света используемого в автомобильных фарах составляет в 200 000 кандел. Таким образом, стоит опасаться более высоких значений освещенности, т.к. лазерный луч должен повысить безопасность на дороге и не подвергать опасности других участников дорожного движения.
В 2013 году компания Osram Opto Semiconductors представила синие лазерные диоды, которые имеют на 30% более высокий КПД, чем доступная аналогичная продукция на рынке. В настоящее время доступны лазерные диоды с длиной волны излучения в 450 нм и с выходной оптической мощностью до 50 Вт. Например, лазерный диод PLPM4 450 имеет 18-20 многомодовых лазерных чипов собранных в корпусе «бабочка». Они используются для задач связанных с освещением и в лазерных проекторах. Лазерные диоды PLT5 488 с длиной волны излучения 488 нм были разработаны в голубой области спектра для медико-биологических исследований, медицинской и измерительной техники. Они имеют выходную мощность 60 мВт и подходят как для импульсного, так и непрерывного режима работы.
Более подробную информацию о синих лазерных диодах компании Osram Opto Semiconductors можно получить, перейдя по следующей ссылке: Синие лазерные диоды, 405-488 нм
