レーザーヘッドライトとは

次世代の自動車照明技術は、レーザーヘッドライトであると言えるでしょう。大手自動車メーカーの中にはすでに使用しているところもあります。レーザーヘッドライト（またはレーザーヘッドランプ）は、明るくエネルギー効率が高く、暗闇の中でより遠くを見ることができる高度なヘッドライトシステムの一部です（対向車をより早く見つけることができます）。

レーザーヘッドライトは最新のヘッドライト技術で、ハロゲンライトやキセノン電球から発光ダイオード（LED）へと大きく進歩し続けています。一部の車両では、すべての内装および外装照明に、LEDライトが採用されています。

レーザーヘッドライトは高度なヘッドライトシステムです。シンプルな青色レーザーダイオードを使用して、レーザー光源から黄色の蛍光面を持つレンズに集光して明るい光を作り出します。

照明装置によっては、赤色の蛍光体を使用することもできますが、ヘッドライトには黄色の蛍光体が使用されます。青色レーザーはミラーシステムに集光されるように配置され、すべてのレーザーエネルギーが黄色の蛍光面に集光されます。

このプロセスは、誘導放出の原理に基づいて動作し、青色光線とレンズ上の黄色の蛍光体の組み合わせにより、明るい白色光が作り出されます。白色光の明るさと特定の色は、青色レーザー光と黄色の蛍光体の比によって決まります。そして、この光が反射体に向かって後方に照射され、反射体がヘッドライトの前方の道路に白色光を反射します。高出力のレーザーヘッドライトにより、対向車に反応する時間を短縮できるため、夜間の運転がより安全になります。

レーザーヘッドライトは、自動車メーカーが期待したほど普及してはいないものの、実際に適応されている事例の複数あります。実際、BMWやアウディなどの大手自動車メーカーでは、すでに採用されています。

大規模な採用にはコスト面の障壁がありますが、想定より普及していない理由はそれ以外に主に2つあります。第1の理由は、米国の連邦自動車安全基準108です。この基準により、米国で販売される車両のヘッドライト出力が合計15万カンデラに制限されることになりました。ヨーロッパでは合計43万カンデラが許可されており、米国市場ではこれが採用の障壁となっています。

2つ目の理由は、2022年に米国でアダプティブドライビングビーム（ADB）ヘッドライトが導入されたことです。既存のLED技術を用いたこのシンプルな代替オプションにより、標準のLEDヘッドライトよりもはるかに高い精度でヘッドライトからの光線を制御できます。

アダプティブLEDヘッドライトは、マイクロミラーまたはマイクロ電気-機械システム（MEMS）を必要とするため、LEDライトよりも複雑ですが、既存のLEDヘッドライトと併用すると、より汎用性が高くより安全に機能します。レーザーヘッドライトは明るい光を照射できますが、新しいヘッドライト設計では、明るさよりむしろ、光線の制御に重点が置かれています。

現在、レーザーヘッドライトはハイエンド車に組み込まれていますが、これは、性能向上の恩恵を受ける可能性のあるすべての車両に使用するにはコストがかかりすぎるためです。

現時点では、レーザーヘッドライトはハイビームとしてのみ使用され、従来のLEDライトはロービームとして使用されています。レーザーヘッドライトは、一定の距離内に車両がなく、速度しきい値（時速約45マイルまたは72km）に達した場合にのみ点灯します。このように、現在、レーザーヘッドライトはLEDライトとのハイブリッド形式で使用されていますが、将来は、ロービームとハイビームの両方にレーザーを使用するヘッドライトを製作できる可能性があります。ただし、ロービームは低出力レーザーでなければなりません。

ヘッドライト以外にも、ニアフィールドプロジェクター、ガラスディスプレイ、意匠照明など、今日のLEDライトと同様に、車両内外のさまざまな自動車照明用途にレーザーを使用できる可能性があります。このような照明はやや特徴的で、青色レーザー光が黄色の蛍光体ジャケットを持つ光ファイバーに沿って通過します。レーザーがファイバーに沿って通過すると、これに沿って白色光が生成されます。

さまざまな機能にレーザー照明を使用する電気自動車（EV）のロータスセオリー1など、コンセプト車も開発されています。京セラ社とともに開発されたこの車は、内部照明と外部照明の両方にスーパールミネッセントダイオード（SLD）レーザーを使用しました。白色ヘッドライトに加えて、光ファイバーと組み合わせたレーザーを使用して車両内のシグネチャーライトが作成され、車の後部には赤色のレーザーテールライトが装備されました。

レーザーヘッドライトは、従来のものよりも高度な自動車照明システムです。その使用には多くのメリットがありますが、自動車業界における普及を妨げるいくつかの制限があります。

レーザーヘッドライトのメリット:

• 車両前方の視認距離が800メートル（0.5マイル）まで向上し、ドライバーの反応時間を改善
• 他の車両用ヘッドライトより消費エネルギーが少なく、高いエネルギー効率を実現
• 他のヘッドライト技術より小さいワット数の電力でより高いルーメンレベルを達成、エネルギー消費を削減
• 設計に汎用性があり、今日のLEDと同様に、さまざまなタイプの自動車照明に使用可能
• 約10,000時間の長寿命を実現
• 既存のLEDベースのヘッドライトシステムに組込み可能
• LED素子の100分の1というコンパクトなサイズにより、小型化設計の自由度が高く、ハイエンド車向けに優れた意匠性を提供

レーザーヘッドライトの制限:

• LEDやその他の自動車照明技術と比較して高コスト（現在のところLED技術の3～4倍）
• レーザー光で失明する恐れがあるため、人を保護する高度な安全機能が求められる。道路上、およびヘッドライトを扱う製造環境の両方に必要
• 道路上での安全な動作を保証するために高度なセンサーが必要。さらなるコスト上昇につながる
• レーザーヘッドライトを供給するメーカーが少ない
• 2000ルーメンを超えるヘッドライトにはヘッドライト用のワッシャが必要なため、部品数が増加（これはレーザーヘッドライトだけでなく、すべての高出力ヘッドライトに該当。しかし、レーザーはより頻繁に高レベルに達する可能性が高い）
• 車両に必要な明るさによって制限される可能性があるため、多くの自動車メーカーで追加コストが正当化されず、LED技術が引き続き選択肢となる可能性がある
• 他のヘッドライトよりも複雑な技術が組み込まれる
• さまざまな方法で開発と革新が続く従来のLED技術（優先されるオプションとなっているアダプティブヘッドライトなど）との競争
• 車両が特定の速度しきい値を超えるか、特定の運転条件で走行していない場合は作動しない
• 規制要件により、レーザーヘッドライトの採用が進まない可能性がある 

レーザーヘッドライトの多くのメリットと制限は、現時点で新車にほぼ標準として装備されるLEDヘッドライトと直接対応しています。以下の表に、2つの照明技術の主な違いを示します。

レーザーは複雑な光源であり、レーザー、その特性、ダイオードからの伝播、および車両環境におけるレーザーの使用をシミュレーションするには、複数のツールを組み合わせる必要があります。これは、レーザーが特有の特性を持つコヒーレント光源であり、システム全体としての挙動をシミュレーションする必要があるためです。Ansysでは、以下に示すように、レーザーヘッドライトの挙動と性能を評価するための光学および非光学シミュレーションツールを提供しています。

Ansys Lumerical FDTD - 高度な3D電磁界FDTDシミュレーションソフトウェア: レーザー光線自体の特性を評価し、光線の光学特性をモデル化してから、コンポーネントおよびより広いシステムレベルでその特性を検討できます。

Ansys Zemax OpticStudio - 光学システム設計および解析ソフトウェア: Ansys Lumericalで開発されたレーザー光線を取得し、コンポーネントレベルでダイオードとヘッドライトがどのように機能し、どのように動作するかを評価します。そして、適切な性能を持ち、道路を適切に照射し、ヘッドライトの光の挙動が予想どおりであることを確認します。

Ansys Speos - CADに統合された光学および照明シミュレーションソフトウェア: Ansys LumericalおよびAnsys Zemax OpticStudioのデータを統合し、システムレベルでレーザーヘッドライトがどのように動作するかをシミュレーションします。さまざまな運転シナリオを考慮して、規制に確実に適合するようにします。

Ansys Mechanical - 構造の有限要素法解析ソフトウェアおよびAnsys Icepak - エレクトロニクス冷却シミュレーションソフトウェア: 通常動作時にレーザーにより放出される熱を測定し、動作上の問題やコンポーネントの損傷を引き起こすほど高温にならないことを確認します。

Ansys AVxcelerate Headlamp - 自動車用ヘッドライトテストソフトウェア: さまざまなリアルタイム運転シナリオで、ヘッドライトがどのように機能するかシミュレーションおよびテストします。

レーザーヘッドライトは当初に考えられていたほど広く採用されていませんが、将来的な開発には関心が寄せられています。シミュレーションを使用して、より安価で高性能なレーザーヘッドライトを開発する方法を知りたい場合は、当社のテクニカルチームにお問い合わせください。

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