Che cosa sono i fari laser?

La prossima generazione della tecnologia di illuminazione automobilistica potrebbe essere rappresentata dai fari laser. Alcune importanti case automobilistiche li utilizzano già. I fari laser fanno parte di un sistema avanzato di illuminazione: sono più luminosi, più efficienti dal punto di vista energetico e permettono ai conducenti di vedere molto più lontano nel buio (consentendo quindi di individuare per tempo eventuali veicoli in arrivo).

I fari laser rappresentano l'evoluzione più recente nella tecnologia dei fari, che nel tempo è passata dalle lampadine alogene e allo xeno ai diodi a emissione luminosa (LED). Le luci LED sono state adottate in alcuni veicoli per tutta l'illuminazione esterna e interna.

I fari laser sono un sistema di illuminazione avanzato che utilizza semplici diodi laser blu, che dalla sorgente laser convergono su una lente con una superficie al fosforo giallo, producendo una luce molto intensa.

Per alcuni dispositivi di illuminazione può essere utilizzato un fosforo rosso, ma per i fari automobilistici si impiega il fosforo giallo. I laser blu sono posizionati in modo da convergere su un sistema di specchi, e l'intera energia laser viene concentrata sulla superficie al fosforo giallo.

Il processo funziona secondo il principio dell'emissione stimolata: la combinazione del fascio di luce blu e del fosforo giallo sulla lente genera un'intensa luce bianca. La luminosità e il colore specifico della luce bianca dipendono dal rapporto tra il fascio laser blu e il fosforo giallo. Questa luce viene quindi proiettata all'indietro su un riflettore, che la riflette sulla strada davanti al faro. L'elevata potenza dei fari laser contribuisce a rendere la guida notturna più sicura per i conducenti, perché riduce i tempi di reazione necessari di fronte a eventuali veicoli in avvicinamento.

I fari laser non hanno ottenuto il livello di diffusione previsto dai costruttori, ma offrono comunque alcuni casi d'uso. Di fatto, vengono già utilizzati da alcune importanti case automobilistiche come BMW e Audi.

Oltre alle barriere economiche che ostacolano l'adozione su larga scala, esistono due motivi principali per cui la loro diffusione è stata inferiore alle aspettative. Il primo motivo è l'introduzione della normativa statunitense FMVSS (Federal Motor Vehicle Safety Standard) 108. Questa normativa ha introdotto un limite alla potenza dei fari per i veicoli venduti negli Stati Uniti, fissato a sole 150.000 candele totali. In Europa, invece, è consentita una potenza fino a 430.000 candele totali, rallentando quindi l'adozione nel mercato statunitense.

Il secondo motivo è l'introduzione negli Stati Uniti dei fari adattivi con fascio modulato (ADB) nel 2022, che offrivano un'alternativa più semplice basata sulla tecnologia LED esistente, in grado di controllare il fascio di luce proveniente dai fari con una precisione molto più elevata rispetto ai fari LED standard.

I fari LED adattivi sono più complessi rispetto ai normali LED in quanto richiedono micro‑specchi o sistemi MEMS (micro‑elettromeccanici), ma risultano comunque più versatili e più sicuri da utilizzare insieme alla tecnologia LED già disponibile. Sebbene i fari laser offrano una luminosità maggiore, gran parte dell'innovazione nei nuovi sistemi di illuminazione si è concentrata sul controllo del fascio luminoso piuttosto che sull'aumento della sua intensità.

Tuttavia, i fari laser vengono integrati nei veicoli di fascia alta, perché attualmente sono troppo costosi per essere adottati su larga scala, ovvero anche nei veicoli che beneficerebbero di prestazioni superiori.

Oggi, i fari laser vengono utilizzati solo come abbaglianti, mentre i fari anabbaglianti rimangono luci LED convenzionali. I fari laser si accendono soltanto in assenza di veicoli entro una determinata distanza e al superamento di specifiche soglie di velocità (circa 72 km/h). Pertanto, i fari laser sono attualmente utilizzati in una configurazione ibrida assieme ai LED, ma in futuro potrebbe essere possibile realizzare fari in cui sia gli abbaglianti sia gli anabbaglianti utilizzino laser, anche se l'anabbagliante dovrebbe essere un laser a bassa potenza.

Oltre ai fari, i laser hanno il potenziale per essere utilizzati in numerose applicazioni di illuminazione automobilistica, sia interne sia esterne, proprio come avviene oggi con i LED: proiettori a corto raggio, display in vetro e illuminazione estetica. Questa tecnologia di illuminazione è leggermente diversa, poiché la luce laser blu scorre all'interno di una fibra ottica con rivestimento al fosforo giallo; mentre il laser passa lungo la fibra, crea una luce bianca.

Sono stati sviluppati dei concetti automobilistici, come il veicolo elettrico Lotus Theory 1 (EV), che utilizza l'illuminazione laser per più funzioni. L'auto è stata sviluppata insieme a Kyocera, che ha impiegato i suoi laser SLD (superluminescent diode) per l'illuminazione interna ed esterna. Oltre ai fari bianchi, l'illuminazione interna è stata realizzata con laser accoppiati a una fibra ottica, mentre sul retro il veicolo presentava fari laser rossi (posteriori).

I fari laser rappresentano un sistema di illuminazione automobilistica più avanzato rispetto alle tecnologie precedenti. Tuttavia, pur offrendo numerosi vantaggi, presentano anche alcune limitazioni che ne hanno ostacolato l'adozione diffusa nell'industria automobilistica.

Vantaggi dei fari laser:

• Aumentano la visibilità fino a 800 metri davanti al veicolo, migliorando i tempi di reazione del conducente.
• Consumano meno energia rispetto ad altri tipi di fari, offrendo quindi un sistema di illuminazione più efficiente.
• Raggiungono livelli di lumen molto più elevati con un minor numero di watt rispetto ad altre tecnologie, riducendo il consumo energetico.
• Sono versatili nel design e possono essere impiegati in numerose applicazioni di illuminazione automobilistica, in modo simile alla tecnologia LED attuale.
• Offrono una buona longevità, con una durata di circa 10.000 ore.
• Possono essere integrati nei sistemi di illuminazione esistenti basati su LED.
• Le loro dimensioni compatte, pari a 1/100 di un elemento LED, consentono agli ingegneri maggiore flessibilità per creare soluzioni estetiche sofisticate nei veicoli di fascia alta.

Limitazioni dei fari laser:

• Hanno costi elevati rispetto alla tecnologia LED e ad altre tecnologie di illuminazione automobilistica (attualmente circa 3-4 volte i costi della tecnologia LED).
• Richiedono funzionalità di sicurezza avanzate per evitare che le persone vengano abbagliate dalla luce laser, sia durante operazioni su strada sia negli ambienti di produzione in cui i fari vengono gestiti da personale diverso.
• Richiedono sensori avanzati per garantirne un funzionamento sicuro su strada, il che incrementa ulteriormente i costi.
• Esiste un numero limitato di produttori che forniscono fari laser.
• Richiedono un numero maggiore di componenti, poiché i fari con oltre 2000 lumen devono essere dotati di un sistema di pulizia (anche se ciò vale per tutti i fari ad alta potenza, non solo per quelli laser, ma questi ultimi raggiungono livelli elevati più spesso).
• Potrebbero essere penalizzati dai limiti normativi sulla luminosità richiesta nei veicoli; per molte case automobilistiche i costi aggiuntivi non sono giustificati, rendendo così la tecnologia LED ancora la scelta preferita.
• Presentano una maggiore complessità tecnologica rispetto ad altre soluzioni di illuminazione.
• Competono con la tecnologia LED, molto più consolidata e ancora in rapida evoluzione e diversificata, come ad esempio con i fari adattivi, che sono diventati l'opzione più comune.
• Non possono essere attivati se il veicolo non supera una determinata soglia di velocità o se non ricorrono condizioni di guida specifiche.
• Si prevede una diffusione lenta dei fari laser, anche a causa dei requisiti normativi. 

Sebbene molti dei vantaggi e delle limitazioni dei fari laser siano una risposta diretta ai fari LED, che rappresentano l'attuale standard di riferimento adottato nelle nuove automobili, la tabella seguente mostra le principali differenze tra le due tecnologie di illuminazione.

I laser sono una sorgente luminosa complessa e richiedono una combinazione di più strumenti per simulare il laser, le sue proprietà, la propagazione dal diodo e il suo utilizzo nell'ambiente del veicolo. Ciò è dovuto al fatto che si tratta di una sorgente luminosa coerente, con proprietà specifiche che devono essere simulate come un sistema completo. Ansys dispone di una gamma di strumenti di simulazione ottici e non ottici per analizzare il comportamento e le prestazioni dei fari laser, come indicato di seguito.

Software avanzato di simulazione elettromagnetica 3D FDTD Ansys Lumerical FDTD: utilizzato per caratterizzare il fascio laser e modellarne le proprietà ottiche prima di analizzarle a livello di componente e di sistema più ampio.

Software di progettazione e analisi di sistemi ottici Ansys Zemax OpticStudio: utilizza i fasci laser generati con Ansys Lumerical per valutare il funzionamento e il comportamento di diodi e fari a livello di componente, assicurando che le prestazioni e la proiezione su strada siano corrette e che la luce dei fari si comporti come previsto.

Software di simulazione ottica e della luce integrato CAD Ansys Speos: integra i dati provenienti da Ansys Lumerical e Ansys Zemax OpticStudio per simulare il comportamento dei fari laser a livello di sistema, considerando numerosi scenari di guida per garantirne la conformità normativa.

Software di analisi strutturale agli elementi finiti Ansys Mechanical e software di simulazione termica per l'elettronica Ansys Icepak: utilizzati per misurare il calore generato dai laser durante il normale funzionamento, verificando che non raggiunga livelli alti tali da causare problemi operativi o danni ai componenti.

Software per i test dei fari per uso automobilistico Ansys AVxcelerate Headlamp: utilizzato per simulare e testare le prestazioni dei fari in diversi scenari di guida in tempo reale.

Sebbene i fari laser non siano stati adottati su larga scala come inizialmente previsto, permane un forte interesse nel continuarne lo sviluppo in futuro. Se desideri scoprire come utilizzare la simulazione per sviluppare fari laser più economici e performanti, contatta il nostro team tecnico oggi stesso.

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