Освещая путь вперед: взгляд в будущее автомобильного освещения

Для тех, кто проявляет живой интерес к разработкам на стыке технологических решений и творческого поиска, развитие автомобильного освещения – увлекательнейшая тема. Просто потому, что сегодня его основная задача не только видимость; современные системы освещения являются интеллектуальными, энергоэффективными и эстетично привлекательными инновациями, в создании которых участвуют специалисты чрезвычайно широкого спектра компетенций. Что же они предлагают? Давайте вместе отправимся в захватывающее путешествие по последним достижениям в области технологий автомобильного освещения.

Освещение автомобиля, от фар до подсветки комбинации приборов и фонаря номерного знака, имеет важное значение для функциональности, стиля, безопасности и комфорта. С начала 2000-х годов количество, разнообразие и сложность автомобильных систем освещения значительно возросли, что стало возможным благодаря появлению и активному внедрению мощных светодиодов. 

Необходимость соответствия требованиям, предъявляемым к автомобилю (в сочетании с региональными нормами), и удовлетворения передовых дизайнерских запросов увеличила многогранность процессов оптического проектирования. Это привело к тому, что в поиске инновационных решений специалисты все больше полагаются на программное обеспечение. Высококачественное ПО для моделирования играет сегодня фундаментальную роль в разработке таких оптических систем, поскольку оно позволяет дизайнерам и инженерам-оптикам создавать, моделировать и валидировать оптические модели на протяжении всего процесса разработки – от первых концепций, которые проверяют осуществимость проекта, до финального, высокоточного и одобренного продукта. 

Наряду с различными фотометрическими данными, характеризующими оптические характеристики, фотореалистичные изображения используются для точного прогнозирования того, как фары автомобиля будут выглядеть в реальной жизни. Все эти задачи могут быть выполнены виртуально с помощью программного обеспечения, что снижает необходимость в дорогостоящих и отнимающих много времени физических прототипах.

К сожалению, ввиду исключительной субъективности таких факторов, как стиль, комфортность и им подобных, мы не можем с достаточной степенью точности сказать о величине влияния на них надлежащего освещения, однако про связь с безопасностью есть вполне конкретные цифры. Например, базовая статистика NHTSA (Национальное управление по безопасности движения на магистралях, США) показывает, что 49% всех смертельных случаев в инцидентах с пассажирскими транспортными средствами происходят в темное время суток, хотя у среднестатистического водителя только 25% времени за рулем приходится на ночь и сумерки. Так что фары все чаще оказываются в центре внимания, поскольку исследования продолжают выявлять проблемы безопасности.

Еще одна заслуживающая самого пристального внимания в контексте нашего разговора статистика.

Не так давно IIHS (Страховой институт дорожной безопасности, США) опубликовал рейтинг фар, и его результаты произвели отрезвляющее впечатление. Toyota Prius V был единственным автомобилем среднего размера из 31 протестированного (самые свежие модели), получившим оценку «Хорошо». Вы только вдумайтесь – единственным!

11 исследованных машин оказались достойны лишь оценки «Приемлемо», 9 – говоря русским языком: «На грани». А 10 моделей тест откровенно провалили, получив оценку «Плохо».

Пятый Prius заслужил похвалы экспертов за оснащение светодиодными фарами и системой адаптивного дальнего света. Однако они доступны только в максимальной комплектации. Тот же автомобиль с галогенными фарами мог получить лишь низкую оценку. Как сообщили аналитики, практическое приложение этой оценочной шкалы выражается в необходимости сокращения скорости движения от максимально допустимой на конкретном участке дороги для достижения безопасной остановки в темное время суток при внезапном возникновении препятствия минимум на 10 км/ч для каждой градации. То есть, грубо говоря, на машинах с оценкой «Плохо» за городом ночью желательно ездить не быстрее 60 км/ч.

Вот такая, заставляющая как следует задуматься, аналитика. Хорошая новость заключается в том, что технологии в своем развитии не тормозятся, становясь не только более прогрессивными, но и доступными. А следовательно – интегрируясь в более широкий круг моделей. Что это за технологии? Сейчас расскажем.    

 Адаптивные светодиодные фары: путеводные огни на дороге

Представьте сценарий, при котором во время движения по извилистой дороге ночью фары интуитивно следуют за дорогой, освещая путь впереди. С адаптивными светодиодными фарами он становится реальностью. Эти интеллектуальные системы действуют, как второй пилот, делая ночное вождение более безопасным и менее напряженным. Именно подобные инновации формируют базу технологий автомобильного освещения будущего.

Тайваньская компания Jasper Display разрабатывает микросветодиоды для производства электронных дисплеев, но также применила эту технологию для фар. Ее инженерами разработана система, которая позволяет проецировать изображения (например, значки направления движения или безопасности) на дорогу перед автомобилем. В чем-то концепция похожа на дополненную реальность, но информация проецируется на дорожное покрытие снаружи автомобиля, а не на лобовое стекло или головной дисплей внутри. Микросветодиоды обеспечивают преимущества при использовании фар благодаря их высокой эффективности, длительному сроку службы и большей устойчивости к воздействию окружающей среды – например, они могут работать при температурах от –70 до +130 °C.

Три года назад корпорация Nichia и Infineon Technologies объявили о совместной разработке движка высокой четкости (HD) более чем с 16 000 микросветодиодов для фар. Теперь обе компании запускают первую в отрасли полностью интегрированную микросветодиодную систему высокой четкости для применения в модулях адаптивного дальнего света. Комплексное решение на микросветодиодах появилось на серийных немецких автомобилях премиум-класса во второй половине 2023 года.

В новой системе используются технология микросветодиодов от Nichia и встроенный светодиодный драйвер от Infineon, который может управлять всеми 16 384 микросветодиодами по отдельности с помощью широтно-импульсной модуляции. Кроме того, драйвером контролируется каждый микросветодиод отдельно и обеспечивается мониторинг температуры на кристалле, обеспечивая оптимальное терморегулирование. Встроенные видеоинтерфейсы обеспечивают высокоскоростную передачу видеосигнала от блока формирования светового рисунка. В отличие от современных решений с HD-матрицами (так называемые матричные фары), драйвер Infineon активирует только те светодиоды, которые действительно необходимы для формирования светового рисунка. Это значительно повышает энергоэффективность светодиодного движка при гораздо меньшем форм-факторе по сравнению с решениями на основе микрозеркальных HD-матриц, представленными на рынке.

Лазерные фары: пионеры освещения на большие расстояния

Следующие в списке – лазерные фары (их называют «лазерными», хотя там тоже применяются, по сути, светодиоды, но совершенно иные). Эти чудеса технологии являются чемпионами среди автомобильных фар по дальности луча. Они освещают дорогу на расстояние до 600 метров впереди. И ярче стандартных светодиодных аналогов в 10–15 раз, обеспечивая более чистый белый свет.

В настоящее время лазерные фары используются в основном в автомобилях высокого класса, но есть надежда, что со временем они станут более доступными, как и все технологии. В частности, Osram предлагает фары, в которых используется три синих лазера, направляющих лучи на набор зеркал, которые затем фокусируют энергию в линзу, заполненную желтым фосфором. Эта линза, в свою очередь, излучает интенсивный белый свет. В отличие от «необработанных» лазерных лучей, отраженный свет этих лучей безопасен для человеческого глаза. 

Инфракрасные системы: лидеры в области ночного видения

Использование лазерных светодиодов открывает прямую дорогу в еще очень мало апробированную в гражданском автомобилестроении сферу – к инфракрасным системам ночного видения. Эти системы используют инфракрасный свет, чтобы помочь водителям видеть за пределами досягаемости их фар. 

Так, компания KYOCERA SLD Laser, после весьма успешного запуска своего устройства LaserLight с белым излучением для усиления дальнего света в автомобилях в 2019 году, теперь представляет модули фар LaserLight, которые обеспечивают высокую яркость, а также высокоэффективную функциональность ближнего и дальнего света с двойным излучением: белым и инфракрасным. Яркая белая подсветка на большом расстоянии обеспечивает резкую отсечку, высокую контрастность и точную направленность луча с минимальными бликами. А ИК-подсветка, в свою очередь, улучшает видимость камерами пешеходов и дорог в тумане или задымлении, обеспечивая новые функции освещения фронтальных зон. Среди них дальнометраж и лидарное распознавание. 

Модули фар LaserLight собраны в набор по четыре на фару: два модуля для ближнего света и два модуля для дальнего света, с регулируемой диаграммой направленности излучения SAE или ECE/CCC. Модули фар LaserLight ультракомпактны, имеют тонкий профиль и высоту линз менее 12,7 мм и могут быть сконфигурированы в горизонтальном, 2x2, вертикальном или смещенном расположении, предлагая конвейерным поставщикам фар и OEM-производителям автомобилей кардинальные изменения в дизайне и стилистике.

До сих пор использование источников белого и ИК-излучения с двойным излучением было невозможно, поскольку светодиоды и устаревшие источники света на основе ламп не способны передавать белое и ИК-излучение высокой яркости от одного и того же точечного источника. К тому же их невозможно координировать на высоких скоростях, необходимых для точного измерения и быстрой передачи данных.

Внутреннее и внешнее освещение: мастера гибкости и эффективности

Органические светодиоды, или OLED, являются еще одной интересной разработкой. Они невероятно тонкие и гибкие, что позволяет создавать по-настоящему креативные дизайны. Кроме того, они энергоэффективны и имеют быстрое время отклика, что делает их идеальными для задних фонарей и освещения салона. Подобные инновации показывают, как технологии могут сочетаться с дизайном, создавая нечто поистине уникальное.

Другой абсолютно свежей и очень перспективной технологией можно назвать представленную в конце прошлого года ALIYOS LED-on-foil – светодиоды на фольге. Данная технология позволяет наносить мини-светодиоды на тонкую, гибкую и прозрачную основу. Соединенные почти невидимыми металлическими накладками, мини-светодиоды могут располагаться с большой степенью свободы для формирования индивидуально адресуемых сегментов любой формы. Их можно расположить так, чтобы они выполняли стандартные функции освещения, такие как стоп-сигнал или указатель поворота, но с уникальными нестандартными формами и анимационными эффектами. Мини-светодиоды также можно использовать для отображения символов, слов, изображений или абстрактных узоров для украшения, информации или предупреждения.

Прозрачность в сочетании с мини-светодиодами означает, что свет может появляться из ниоткуда. Кроме того, несколько сборок фольги могут быть размещены одна за другой для создания новых 3D-эффектов освещения и анимации.

В настоящее время компания работает с ведущими мировыми поставщиками и OEM-производителями автомобилей первого уровня, чтобы изучить новые возможности в автомобильном внутреннем и внешнем освещении. Цель состоит в том, чтобы первые транспортные средства были оснащены технологией ALIYOS к концу 2025 года и к этому времени получили квалификацию на соответствие автомобильным стандартам качества и безопасности.

Матричные светодиодные фары: продуманные осветительные приборы

Матричная светодиодная технология – это решение проблемы ослепления других водителей фарами дальнего света. Данные системы могут приглушать свет определенных светодиодов при обнаружении датчиками встречного транспортного средства или пешеходов, чтобы не ослеплять других людей, сохраняя при этом дальний свет. 

В автомобилях, оборудованных ADB (Adaptive driving beam – адаптивный дальний свет), используются электронные датчики для сбора информации о скорости машины, рулевом управлении и высоте, чтобы адаптировать фары к различным условиям движения. Многие адаптивные системы фар также включают функцию самовыравнивания, которая регулирует угол луча света вверх или вниз в зависимости от того, наклонен автомобиль вперед или назад (например, при подъеме на холм или при переезде через искусственные неровности). Кроме того, лучи света могут поворачиваться под углом, например, вправо, когда водитель поворачивает рулевое колесо вправо, фокусируя свет по кривой.

За технологией ADB последовали дополнительные усовершенствования в подобных системах, некоторые из которых доступны уже сейчас, а другие близки к запуску в серию. Например, исследователи по освещению и визуализации из команды Университета Карнеги-Меллона разработали программируемую фару. Используя пространственный модулятор света, светоделитель, камеру и процессор, они создали реактивную визуальную систему с низкой задержкой, которая может «чувствовать, реагировать и быстро адаптироваться к любой среде при движении по скоростным шоссе». Программируемая система может не только управлять дальним светом, как ADB, но и улучшать видимость во время метели и обеспечивать раннее визуальное предупреждение о препятствиях. В условиях снегопада система пропускает свет между снежинками, чтобы уменьшить вероятные и неизбежные помехи.

Динамические указатели поворота: средства повышения безопасности

Динамические указатели поворота с их последовательной схемой освещения предназначены для привлечения внимания. Это простой, но эффективный способ убедиться, что другие водители заметили ваши указатели поворота, повышающий безопасность на дороге. Такие небольшие, но продуманные инновации могут существенно изменить опыт вождения.

Свет на солнечных батареях: на страже окружающей среды

По мере того, как общество все больше осознает воздействие на окружающую среду, фонари на солнечных батареях предлагают способ снизить потребление энергии транспортными средствами. Эти фонари освещают поездки, используя энергию солнца и доказывая, что технологии и экологичность могут идти рука об руку.

Окружающее освещение в салоне: создатели атмосферы

Окружающее освещение салона предназначено для создания идеальной атмосферы для вождения. Независимо от того, хотите ли вы спокойный синий цвет для безмятежного путешествия или яркий красный для энергичной езды, эти лампы позволяют создать настроение. Это нотка роскоши, которая может сделать каждую поездку немного особенной.

Кроме того, системы освещения могут включать системы контроля. Так, представленный OSLON Black 940-нанометровый светодиод SFH47278AS A01 обеспечивает поле освещения 155° x 130°. Производители автомобилей, использующие этот излучатель, могут снизить сложность и стоимость оптического блока в системах мониторинга салона, одновременно улучшая качество и достоверность получаемых ими ИК-изображений. Он способен поддерживать критически важные приложения, такие как мониторинг отвлечения внимания водителя и сонливости, обнаружение присутствия пассажиров или детей, а также корректность использования ремней безопасности.

Сегодня системы мониторинга салона основаны на осветителях, создающих круговой луч. Производители могут устанавливать дополнительную линзу поверх светодиода, чтобы придать лучу форму, соответствующую полю обзора их камеры в соотношении 4:3. Это увеличивает стоимость и сложность всей оптической системы в целом.

Напротив, при использовании SFH47278AS A01 нет необходимости в дополнительном объективе, что упрощает проектирование и изготовление системы освещения и мониторинга салона.

Лидарная технология: глаза автономных транспортных средств

Хотя LiDAR (ЛиДАР) и не является строго светотехникой, он (Light Detection and Ranging) использует свет, чтобы помочь автономным транспортным средствам понимать, что их окружает. Это все равно что наделить автомобили собственными глазами, приближая нас к будущему самоуправляемых автомобилей.

В прошлом году компания SOSLAB представила аудитории высокопроизводительную лидарную систему ML-X, проведя ее живую демонстрацию на роскошном среднеразмерном кроссовере от Hyundai Motor Company – GV80. По сравнению с существующими продуктами дальномерные характеристики и разрешение ML-X были увеличены более чем вдвое. Устройство уже содержит модуль управления лазером в передающем блоке. Таким образом, общий размер и вес изделия были уменьшены до 9,5x5,0x10,2 см и 860 г соответственно.

Автопроизводитель убежден, что LiDAR можно применять в автомобильных фарах и что он оптимален с точки зрения цены, производительности, размера, долговечности и управления.

В заключение остается сказать, что мир автомобильного освещения полон захватывающих инноваций, которые делают вождение еще более безопасным, эффективным и приятным. Шаг за шагом знакомясь с ними, сложно даже представить, какой прогресс в области освещения ждет нас впереди.