中心議題：

• 探討光子學技術的應用

解決方案：

• 采用與內燃機聯合在一起的激光點火係統
• 利用基於光子學技術的駕駛員輔助係統

從LED頭燈、夜視安全係統
，到正在湧現的激光點火係統，光子學技術正憑借其帶來的緊湊、低能耗以及高性能等優勢，在汽車應用中大顯身手。

目 前，光學與光子學技術正在為汽車製造商提供一個日益豐富的“工具包”，幫助汽車製造商提高汽車的安全性、降低長期成本
、提高效率
，並為汽車增添獨特的設計 元素。除了常見的LED尾燈，有些汽車也正在嚐試LED頭燈。與此同時，光纖也正在被用於連接汽車中的通信及顯示設備。據悉，目前福特公司正在調查研究汽 車激光點火係統
，而另有一些高端汽車還將提供夜視係統和駕駛員輔助係統。

LED尾燈和頭燈

“雖 然目前汽車尾燈和車內照明燈采用LED解決方案的成本仍然遠遠高於白熾燈的成本，但是LED解決方案的巨大優勢已經足以使汽車製造商在開發和製造中接受其 較高的成本。”德國卡爾斯魯厄大學（University Karlsruhe）專門研究汽車照明的Cornelius Neumann教授說，“LED除了具備超長的使用壽命外（其壽命通常長於汽車壽命），其快速的響應時間也是製動燈的一項重要安全因素，通常LED的響應 時間要比常用的燈泡縮短約75毫秒。此外，LED的低功耗以及新穎的造型
，也是製造商選擇LED用作汽車信號等的主要原因。”

Neumann教授聯合德國汽車照明與電子產品供應商海拉公司（Hella）在汽車照明領域進行了11年的深入研究。他表示，雖然LED尾燈在汽車中比較常見，但是汽車要采用LED頭燈卻麵臨著更多的挑戰。

“到目前為止，市場上至少有三種型號的汽車采用了LED頭燈：雷克薩斯的LS 600、奧迪R8和凱迪拉克Escalade Platinum。”Neumann教授說，“但是在頭燈中完全采用LED解決方案，仍然有許多問題需要解決。”
Neumann教授指出
，灰塵、 潮濕、機械振動以及周圍溫度約高達90°C的苛刻環境

，將對LED帶來一定的挑戰，因為LED的性能會隨著溫度的升高而下降，因此一些高功率的LED都需 要配有冷卻裝置。而且，LED頭燈不是使用一個單一的光源（如鹵素燈或高強度放電（HID）燈），而是要將多個 LED組裝在一起，以達到行車信號照明的需求。[1]在LED頭燈中，通常使用三種不同的光學係統，分別實現不同的功能。這三種係統需要彼此穩固地配合在 一起
，發出亮度足夠高的光，以滿足路上行車照明的要求。

盡管LED頭燈仍然麵臨著諸多挑戰，但Neumann教授補充說
，與常用的燈泡解決方案相比，LED解決方案能節省50％甚至更多的能耗（見表 1）。[2]另據一些研究顯示，用不到20％的LED光就能獲得與HID燈同等的亮度，並且LED的照明更加安全。[3]隨著數學模型和軟件算法的發展，現在工程師們可以設計產生各種形式的反射鏡和透鏡
，將從光源發出的光引導到交通路麵的特定區域（見圖1）。

圖 1：歐寶Signum汽車的頭燈全部采用了LED解決方案，其用不同的模塊實現不同的信號功能：6組LED用於近光燈；底部3組LED用於遠光燈；邊上兩 組小LED用於地角燈；10組LED用作日間行駛燈。方向指標燈由位於頭燈頂部的具有反射係統的3組LED組成。根據各個信號燈的不同用途，分別選用不同 的LED。

表1：傳統照明方式與LED照明功耗對比

高 亮度LED製造商有充分的理由相信未來LED向汽車領域的滲透。市場調研公司Strategies Unlimited預測
，到2013年
，全球汽車LED室外照明的整體市場規模將由2008年的1.58億美元增長到3.47億美元。另據水清木華研究中 心（ResearchInChina）的《2008-2009年全球與中國汽車LED照明行業研究報告》顯示，到2014年，LED頭燈將在成本和性能上 與傳統的HID頭燈（假設LED技術能按照目前的發展速度不斷進步）具備可比性，到那時，LED在汽車領域的應用將大為改觀，單是汽車頭燈的市場規模就將達到1.22億美元。
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寶馬的BMW-7係列汽車采用了瑞典Autoliv公司的第二代Night Vision 2夜視係統


，該係統采用了一個遠紅外傳感器，用以掃描路上的行人，其夜視距離是近光燈的3倍。當檢測到車輛前方有行人或動物時，係統會自動分析現場和車輛 動態，評估駕駛員碰撞到目標的風險，並在必要時向駕駛員發出警報（如通過車載顯示屏發出警報，見圖2）。“Autoliv公司最新的夜視係統，將夜間駕駛 安全提高到了一個全新的水平，它為駕駛員在夜間道路上提供了‘另外一隻眼’。”Autoliv公司夜視係統總經理Stuart Klapper如是說。

圖2：當在夜間檢測到一名男子在車前橫穿馬路時，寶馬BMW-7係列汽車的遠紅外夜視係統向駕駛員發出了警報在行車速度較慢、人流較多的城市路段，該係統隻對道路上近距離內的較小範圍進行監測，以避免出現過多的警報；而在行車速度較高、人流稀少的鄉村路段，該係統 監控的道路範圍則會相應地擴大。為了對監控範圍做出及時、相應的調整，Autoliv公司的夜視係統不斷地從周圍環境中收集夜視視頻圖像

，並用一套先進的 軟件算法對超過5000多萬個“影像片斷”進行檢測，並依此向駕駛員發出相應的警報信號。

Autoliv公司的夜視係統中采用的遠紅外相機采用320×240像素的釩氧化物熱輻射測量儀，並具有一個鍺窗口以保護相機的鏡頭免受外界的傷害。Klapper說：“與第一代相機相比，現在我們已經成功地將鏡頭的成本降低了30％之多。”

德 國西門子威迪歐公司還開發了一種工作距離達150米的紅外夜視係統，其產生一個經過電子處理的視頻圖像，用於在汽車中實時顯示。該係統具有兩種工作方式： 一種方式采用近紅外係統，在這種方式下

，由兩個集成到前燈中的紅外發射器產生的光，被一個安裝在後視鏡附近的小型攝像機捕獲
；另一種方式采用長波紅外係 統

，這種方式需要安裝一台相機
，用一個工作在6～12µm範圍內的傳感器來檢測來自車輛周圍環境的熱輻射。一旦檢測到人或動物
，該係統都會將物體以明亮的 形式顯示出來。

激光點火

2009年夏季
，福特公司就宣布其正在聯合GSI集團和英國利物浦大學為下一代汽車發動機開發激光點火係統。事實上，早在20世紀70年代末，人們就已經開始研究激光點火係統了，當時有很多關於激光點火係統的研究論文已經開始出現在各類汽車技術會議上。

因 為(wei)激(ji)光(guang)可(ke)以(yi)分(fen)解(jie)成(cheng)多(duo)個(ge)光(guang)束(shu)，多(duo)個(ge)點(dian)火(huo)點(dian)將(jiang)提(ti)高(gao)發(fa)動(dong)機(ji)中(zhong)燃(ran)料(liao)完(wan)全(quan)燃(ran)燒(shao)的(de)機(ji)會(hui)，從(cong)而(er)能(neng)減(jian)少(shao)排(pai)放(fang)，提(ti)高(gao)在(zai)寒(han)冷(leng)和(he)潮(chao)濕(shi)條(tiao)件(jian)下(xia)燃(ran)料(liao)的(de)燃(ran)燒(shao)效(xiao)率(lv)。甚(shen)至(zhi)
，有(you)一(yi)部(bu)分(fen)激(ji)光(guang)能(neng) 量還可以被發射回來
，用以提供有關發動機如何運轉的信息，從而使空氣/燃料混合物的比例自動作出調整，實現更好的燃油利用率。福特公司還表示，其計劃通過 一根光纜提供激光火花
，這會比火花塞占用更少的空間，從而能允許使用更大
、更高效的發動機氣門，實現更加充分的燃料燃燒。

2007年
，美國 國家能源技術實驗室（www.netl.doe.gov）的研究人員就已經設計出了一種與內燃機聯合在一起的激光點火係統。該係統將1.06µm激光器發 出的10ns脈衝，通過火花塞端口聚焦到氣缸中來產生點火火花。與傳統的單缸、四衝程、火花點火發動機相比，利用激光火花點火係統

，不但能降低發動機的排 放量，而且還能改善燃料的燃燒利用率。

駕駛員輔助係統

除了照明和夜視應用，目前還出 現了基於光子學技術的駕駛員輔助係統。法國法奧雷集團（Valeo）的路虎以及寶馬的BMW-5係列汽車中
，均配備了駕駛員輔助係統。整個係統包括5台相 機：一個安裝在汽車後部的廣角相機，用於停車輔助；安裝在前保險杠左右兩側的兩個相機，用於在車輛進入能見度較差的街道時，輔助駕駛員觀察接近車輛的行人 或其他物體；另外兩個安裝在兩個側視鏡上的相機


，用於直接監視車輛周圍的環境。
Panomorph技術是加拿大ImmerVision公司獲得專 利的一項廣角鏡頭技術，該技術能在一個圖像視場的特定區域提高了角度分辨率，將感興趣的目標區域放在圖像的中心或邊緣（見圖3）。[4]還有特定的窗口可 供駕駛人員觀察情況，另外的一些同步視覺圖像可用於路況分析
，例如
，通過一個智能巡航控製係統，能將防撞係統、盲區查看、行人與道路標誌檢測以及車道跟蹤 等諸多應用集成在一起。

圖3：來自一個Panomorph相機的多個同步非失真圖像
，可以起到輔助駕駛的作用
，例如幫助駕駛員避免碰撞和輔助停車等。

ImmerVision公司定製全景應用副總裁Alain Marchildon表示：“目前三星公司已經與ImmerVision簽訂了相關的生產與分銷授權協議
，並且其第一個Automotive Tier 2將提供一個Panomorph汽車視覺模塊。360°dequanjingshijiaoxitong，nenggoushixianxindezengqiangxingquanjingliulanhechuanganyingyong
，congernengdadajianshaoyupengzhuangyouguandeshangwangshijian，weijiachengrenyuantigonggengjiaanquandexingchehuanjing。”