Najważniejsze rozwiązania w oświetleniu samochodowym

Każdemu kierowcy niezbędna jest dobra widoczność. Chociaż współczesne samochody coraz częściej są wyposażone w skuteczne oświetlenie LED, to większość aut na naszych drogach wciąż jeszcze ma tradycyjne światła halogenowe lub ksenonowe, których skuteczność z upływem czasu staje się coraz mniejsza. Od czego to zależy? Skąd biorą się tak duże różnice w jasności i zasięgu promienia światła?
 

Dzisiaj na drogach współistnieją ze sobą różnego rodzaju technologie, począwszy od tradycyjnych halogenów, przez statyczne i aktywne światła LED, na wyrafinowanych konstrukcjach OLED i świecących na odległość ponad pół kilometra laserach skończywszy.

Od pierwszej żarówki do ksenonów

Na początku były lampy naftowe i gazowe, bardziej służące do oznaczania obecności pojazdu na drodze, niż jej oświetlania. Pierwsze elektryczne żarówki już w 1913 roku trafiły do pojazdów amerykańskiej marki Cadillac. W latach 20. w samochodach Forda zaczęto stosować żarówki z dwoma żarnikami, pozwalające na działanie świateł mijania i drogowych. Rozwiązanie udoskonalano, wprowadzając światła asymetryczne i zwiększając ich zasięg. W latach 60. nadszedł czas na żarówki halogenowe i pierwsze systemy automatycznie przełączające światła drogowe i mijania.

Kolejną rewolucję w samochodowym oświetleniu przyniósł dopiero rok 1991, kiedy to halogenowe żarówki zastąpiono dwukrotnie jaśniejszymi palnikami ksenonowymi. Takie rozwiązanie trafiło wtedy do flagowej limuzyny BMW serii 7. Zamiast żarnika, źródłem światła stał się łuk świetlny, powstający na skutek wyładowań pomiędzy elektrodami. Oprócz jasności, do jego zalet należy również zbliżona do dziennego światła temperatura barwowa oraz 10-krotnie większa trwałość źródła światła.

Automatyczne światła

Automatyczne włączanie świateł pojawiło się jeszcze w czasach oświetlenia halogenowego. To stosunkowo prosty system, działający w oparciu o mierzący natężenie światła czujnik zmierzchu. Dzięki niemu światła włączają się, gdy zapada zmierzch lub auto wjedzie do tunelu. Sprawność działania tego urządzenia jest uzależniona od jego czułości. Dziś jest dostępne w zdecydowanej większości obecnych na rynku samochodów.

Bardziej skomplikowanym rozwiązaniem są tzw. automatyczne światła drogowe. To system, który na podstawie danych z kamery wykrywa oświetlenie innych pojazdów i przełącza światła z drogowych na mijania, by nie oślepiać pozostałych uczestników ruchu, a po ich wyminięciu czy wyprzedzeniu ponownie włącza światła drogowe. Zarówno automatycznie włączane światła, jak również automatyczne przełączanie świateł drogowych zwiększa bezpieczeństwo wszystkich użytkowników ruchu. Zwłaszcza nieoświetlonych nocą pieszych i rowerzystów. To także sposób na uniknięcie kolizji ze zwierzętami.

Doświetlanie zakrętów

Pierwsze rozwiązania wykorzystywały lampy przeciwmgłowe, uruchamiane pojedynczo w momencie włączenia kierunkowskazu. Z czasem systemy doświetlania zakrętów aktywowały się również na krętych drogach, wskutek reakcji na kąt wychylenia kierownicy.

Najnowsze i najbardziej rozbudowane systemy korzystają z kamer, nawigacji, czujników GPS i rozbudowanych zespołów diod LED, by perfekcyjnie doświetlać zakręty, korzystając z różnych scenariuszy oświetlenia i w ten sposób skutecznie wspomagać kierowcę.

Rewolucyjne diody LED

W 2007 roku nadszedł przełom. Były nim diody LED świecące jasnym, białym światłem. Jako pierwszy w przednich światłach auta drogowego zastosował je Lexus, japoński producent luksusowych samochodów. Początkowo diody LED zabłysły w reflektorach flagowej limuzyny LS, z czasem oświetlenie LED zaczęto stosować dosłownie wszędzie.

Luminescencyjne diody są jeszcze trwalsze i wytrzymalsze niż lampy ksenonowe. Dały też niespotykane możliwości stosowania coraz lepiej oświetlających drogę, a jednocześnie coraz mniejszych reflektorów, czego najlepszym przykładem stał się dysponujący w chwili swojego debiutu najmniejszymi na rynku reflektorami sportowy Lexus RC.

Adaptacyjne światła

System adaptacyjnych świateł drogowych jako pierwsi opracowali i zastosowali w 2012 roku w ksenonowych reflektorach limuzyny LS japońscy inżynierowie Lexusa. Opracowany przez japońską markę system adaptacyjnych świateł AHS (Adaptive High-beam System) pozwala maksymalnie wykorzystać moc świateł drogowych, nie oślepiając innych użytkowników drogi. To rozwinięcie funkcji automatycznych świateł drogowych (AHB - Automatic High Beam), która po wykryciu przez zamontowaną z przodu kamerę innego pojazdu, samoczynnie przełącza światła drogowe na mijania.

Pokładowy komputer Lexusa LS sterował ruchomymi przesłonami w reflektorach, aktywnie zmieniając kształt wiązki światła w taki sposób, by nie oślepiała znajdujących się w jej zasięgu, pozostawiając w pełni oświetlony pozostały obszar drogi – w tym pobocze, na którym mogą znajdować się piesi, zwierzęta lub nieoświetlone, zaparkowane pojazdy. Później Lexus ulepszył system w oparciu na oświetleniu LED. Dzięki AHS, samochód przez cały czas porusza się na włączonych światłach drogowych, choć jadące przed nim i nadjeżdżające z przeciwka pojazdy są oświetlone tak, jakby włączone były światła mijania. Adaptacyjne światła AHS stały się częścią pakietu systemów bezpieczeństwa Lexus Safety System +.

Obecnie adaptacyjne reflektory regulują także długość strumienia światła, jego kierunek oraz natężenie, mogą być dostosowywane do prędkości pojazdu, pory dnia, a nawet kierunku jazdy. Podczas pokonywania zakrętów w mieście więcej światła jest po bokach, aby np. doświetlić skrzyżowanie. Aby móc precyzyjnie działać, adaptacyjne reflektory korzystają z wielu czujników, m. in. kąta skrętu kierownicy przy doświetlaniu zakrętów, prędkości, przyspieszenia, cofania, żyroskopowego, deszczu, a nawet z nawigacji GPS i przedniej kamery.

Potrafią działać według różnych scenariuszy. W mieście emitować krótką, ale szeroką wiązkę światła dla doświetlenia poboczy i zakrętów. Dłuższą poza miastem lub po przekroczeniu prędkości 50 km/h. Najdłuższą i sukcesywnie wydłużaną na autostradzie, po przekroczeniu prędkości 90 km/h. Podczas jazdy w deszczu zasięg świateł może być krótszy, by nie oślepiać innych kierowców - a ich wiązka kierowana tak, aby uniknąć niepotrzebnych refleksów na mokrej nawierzchni.

Adaptacyjne światła LED

Dziś wiele aut ma adaptacyjne światła LED, lecz pierwszym modelem w którym w 2014 roku zastosowano to rozwiązanie znów była japońska luksusowa limuzyna, Lexus LS. Światła LED składają się z krzemowych diod, emitujących światło w momencie, gdy przepływa przez nie prąd. Aby uzyskać pożądaną siłę i barwę światła, potrzebne są zespoły, składające się z wielu diod. Dlatego, w przeciwieństwie do pierwszej generacji systemu AHS, bazującego na ksenonowych palnikach - zamiast ruchomych przesłon, zastosowano indywidualne sterowanie diodami, odpowiedzialnymi za oświetlenie poszczególnych segmentów przestrzeni przed samochodem.

Praca każdej z diod była kontrolowana niezależnie i w czasie rzeczywistym. W efekcie udało się uzyskać precyzję snopa światła dochodzącą do 1,7 stopnia. System AHS (Adaptive High-beam System) korzystał z diod LED ułożonych w dwóch rzędach, jeden pod drugim. W każdym reflektorze było ich 24 - u góry 8, a na dole 16. Emisja światła była kontrolowana w czasie rzeczywistym, niezależnie dla każdej z diod. W 2019 roku Lexus dodatkowo ulepszył inteligentne oświetlenie w swoich samochodach, wprowadzając system BladeScan AHS.

Współczesny reflektor LED składa się z kilku, kilkunastu lub nawet kilkudziesięciu diod LED, podzielonych na sekcje. Mogą być uruchamiane naprzemiennie lub jednocześnie, dla uzyskania odpowiedniego promienia i maksymalnej siły światła. Wygaszanie części z nich zapewnia taki sam efekt, jak ruchoma przesłona. Na takiej zasadzie działają również m. in. reflektory Matrix LED, stosowane np. w samochodach Audi.

Organiczne diody OLED

Jednym z ważniejszych kroków w ewolucji samochodowego oświetlenia stały się organiczne diody LED. W 2016 roku sięgnęła po nie marka Audi, po raz pierwszy stosując je w tylnych światłach modelu TT. Cyfrowa technologia OLED pozwoliła na stworzenie tzw. sygnatury świetlnej, która sprawia, że nawet w absolutnej ciemności jesteśmy w stanie rozpoznać marki i modele samochodów. Oświetlenie OLED pojawiło się już m. in. w samochodach Porsche, Volkswagena i Seata.

Źródłami światła OLED są panelowe promienniki, które – w przeciwieństwie do punktowych źródeł światła, jak diody LED – wykorzystują półprzewodnikowe kryształy. Największą zaletą diod OLED jest bardzo jednorodne światło. Zapewniają bardzo wysoki kontrast, można je bezstopniowo ściemniać i dzielić na segmenty. Segmentami można indywidualnie sterować, nadając im różne poziomy jasności. Jednostki oświetleniowe OLED nie wymagają reflektorów, światłowodów ani skomplikowanej optyki. Są bardzo wydajne, lekkie i płaskie, co znacznie zwiększa swobodę projektowania samochodów.

Element oświetleniowy OLED ma zaledwie jeden milimetr grubości, podczas gdy konwencjonalne rozwiązania LED wymagają głębokości instalacji od 20 do 30 milimetrów. Ponadto, zużycie energii przez rozwiązania OLED jest znacznie niższe niż w przypadku optyki LED.

Adaptacyjne światła BladeScan

W 2019 roku inżynierowie z Japonii zrobili kolejny milowy krok. Konieczność stosowania bardzo wielu diod LED w adaptacyjnych światłach sprawiła, że w Lexusie pokuszono się o zupełnie nowe rozwiązanie – adaptacyjne światła LED z zespołem wirujących pryzmatów o nazwie BladeScan AHS. Nowe, adaptacyjne światła zadebiutowały w dużym SUV-ie, modelu RX.

Układ bazuje na dynamicznym włączaniu i wyłączaniu wybranych diod oraz obrotowych lustrach, za pomocą których może sterować strumieniem światła tak, by nie oślepiać innych kierowców, a jednocześnie bardzo dobrze doświetlać całe otoczenie pojazdu. Sercem systemu BladeScan są moduły, zlokalizowane w wewnętrznych narożnikach obu reflektorów, składające się z dwóch szybko obracających się zwierciadeł, o kształcie przypominającym łopatki wiatraka.

Diody LED nie kierują światła do przodu, lecz po przekątnej w stronę modułu. Dzięki synchronizacji obrotów luster oraz dynamicznemu włączaniu i wyłączaniu poszczególnych diod, pozwala to zaciemnić wybrane obszary drogi, a inne bardzo intensywnie oświetlić. Zanim światło ostatecznie trafi przed samochód, przechodzi jeszcze przez soczewkę. Dokładność strumienia świetlnego w przypadku tego systemu dochodzi do 0,7 stopnia, a jego zastosowanie jest znacznie tańsze, niż stosowanie nieporównywalnie większej liczby diod LED, jak np. w przypadku reflektorów Matrix LED w samochodach Audi.

Technologia BladeScan w Lexusie korzysta z 20 diod LED (po 10 w każdym reflektorze). Nocą, kierowca Lexusa RX jest w stanie dostrzec znajdujących się na skraju drogi pieszych już z odległości 56, zamiast dotychczasowych 32 m. Dzięki niej możliwe stało się o wiele intensywniejsze oświetlenie jeszcze większych obszarów na drodze.

Laserowe światła LARP

Ta technologia fascynuje przede wszystkim ze względu na swoje niespotykane możliwości i oczywiście nazwę. W rzeczywistości na drogę nie świeci bezpośrednio wiązka lasera, lecz jej odbite w pryzmatach i przepuszczone przez przetwornik (luminofor) z wykorzystaniem procesu tzw. kolimacji światło. Stąd nazwa LARP (Automotive Laser Activated Remote Phosphor), czyli stosowany w przemyśle motoryzacyjnym, aktywowany laserem zdalny luminofor.

Ze względu na swoją specyfikę, lasery mają wciąż bardzo ograniczone zastosowanie. Ponieważ świecą naprawdę mocno, mogą być stosowane wyłącznie na pustej drodze za miastem, o co troszczy się sterujący światłami komputer. Jako pierwsze po tę technologię sięgnęły marki BMW w modelu i8 oraz Audi w modelu R8. Lasery są aktywowane dopiero po przekroczeniu 70 km/h i tylko wówczas, gdy pokładowa kamera nie wykryje żadnego ruchu z przeciwka.

Ich moc jest ogromna. Wyposażone w nie reflektory mają dwukrotnie większy zasięg i czterokrotnie większą jasność, niż – i tak bardziej wydajne od konwencjonalnych – światła LED. Lasery oświetlają drogę na odległość do ponad 600 metrów przed samochodem, w dodatku z mocą porównywalną do światła dziennego. System czujników i kamer stale monitoruje sytuację przed autem, rozpoznaje obecność samochodów oraz innych uczestników ruchu drogowego i dostosowuje długość i intensywność wiązki światła, by nie oślepiać innych kierowców lub wydobyć z ciemności przeszkody.

Na razie lasery są jeszcze we wczesnym stadium rozwoju, ale z całą pewnością można powiedzieć, że czeka je świetlana przyszłość. Laserowe reflektory to bardzo zwarte i małe konstrukcje. Oznacza to, że z jednej strony mamy małe elementy optyczne, a z drugiej potężną wiązkę światła o bardzo dalekim zasięgu. Już dziś technicznie możliwe jest rzucenie światła na drogę w określony sposób, wyświetlanie ostrzegawczych znaków i komunikatów, a nawet obrazów i filmów, które będą informować i ostrzegać pieszych lub innych kierowców.