什麼是雷射頭燈？

新一代的汽車照明技術可能會是雷射頭燈。一些知名汽車製造商早已開始使用雷射頭燈。雷射頭燈 (或稱雷射前照燈) 是先進頭燈系統的一部分，此系統具備更高亮度、更高能源效率，讓駕駛在黑暗中能看得更遠 (因此能夠更早察覺任何迎面而來的車輛)。

雷射頭燈是最新的前照燈技術；前照燈從最初的鹵素燈到氙氣燈，持續大幅演進至發光二極體 (LED)。部分車款已將 LED 照明用於所有內部和外部照明。

雷射頭燈是一種先進的頭燈系統，使用簡單的藍色雷射二極體，將光線聚焦到表面塗覆黃磷的鏡頭上，以產生明亮的光線。

有些照明裝置可能會使用紅磷，而頭燈使用的是黃磷。藍色雷射被配置用於聚焦於反射鏡系統，接著將所有雷射能量聚焦至黃磷表面。

此過程利用受激輻射原理，結合藍光束和鏡頭上的黃磷以產生高亮度的白光。白光的亮度和具體顏色取決於藍色雷射光束和黃磷的比率。最後，此光線會向後照射在反射鏡上，再由反射器將白光反射至頭燈前方的道路上。雷射頭燈功率高，這表示，能減少面對任何對向車輛的應變時間，使夜間駕駛更加安全。

雷射頭燈雖未實現汽車製造商所期望的普及度，但仍已有一些使用案例。事實上，BMW 和 Audi 等知名汽車製造商皆已經開始使用雷射頭燈。

它之所以未獲廣泛採用，除了成本上的障礙，還有兩大原因導致普及率低於預期。第一個原因是美國聯邦機動車輛安全標準第 108 條的制定。依此規定，在美國販賣的車輛頭燈總強度不得超過 150,000 坎德拉。歐洲允許最高總計 430,000 燭光，因此美國的普及速度就受到限制。

第二個原因是 2022 年在美國推出的自適應駕駛光束 (ADB)；這是一種利用既有 LED 技術的替代方案，對頭燈光束的控制準度遠高於一般的 LED 頭燈。

自適應 LED 頭燈比 LED 燈複雜，因為需要用到微型反射鏡或微機電系統 (MEMS)，但也比現有的 LED 頭燈更多元、更安全。雷射頭燈雖可提供較明亮的光線，但新的頭燈設計皆已著重於光束的控制，而非追求盡可能提升亮度。

然後，由於目前成本過高，無法廣泛應用於所有可從效能提升中受益的車輛，雷射頭燈目前主要被整合至高階車款中。

如今雷射頭燈僅用於遠光燈，近光燈則使用傳統 LED 燈。雷射頭燈只有在特定距離內沒有車輛時，且車數達到一定速度門檻 (約每小時 45 英里或 72 公里) 時才會亮起。因此，雷射頭燈目前是以混合方式搭配 LED 燈使用，但未來可能可用於製造頭燈，並在近光燈和遠光燈中都使用雷射，只是近光燈將必須使用低功率的雷射。

除了頭燈之外，雷射還可用於車內和車外許多不同的汽車照明用途，就像現今的 LED 燈一樣，包括近場投影設備、玻璃顯示器和美學照明。此類照明略有不同，是將藍色雷射光線使用以黃磷包覆的光纖來導光。如此一來，當雷射沿著光纖照射時，就會沿著光纖產生白光。

目前有一些概念車問世，例如 Lotus Theory 1 電動車 (EV)，採用雷射照明來實現多種功能。這款汽車是與 Kyocera 協力開發，在車內和車外的照明皆有部分使用該公司的超發光二極體 (SLD) 雷射。除了白色頭燈之外，車內的特色照明也是使用雷射耦合光纖所打造，且在車輛背面也使用了紅色的雷射尾燈。

雷射頭燈是比以往各種前照燈更加先進的汽車照明系統。然而，雖然使用上有許多優勢，但仍有些限制阻礙雷射頭燈在汽車產業中的普及率。

雷射頭燈的優點：

• 提升能見度至車輛前方最遠半英里處 (800 公尺)，以改善駕駛的反應時間
• 比其他種類的汽車頭燈更加節能，是一種能源效率較高的頭燈系統
• 與其他種類的頭燈技術相比，能以更低的電力瓦數，獲得更高流明的亮度，進而降低能源消耗
• 設計靈活多樣，可用於多種汽車照明，與現今的 LED 技術非常相似
• 提供良好的使用壽命，長達約 10,000 小時
• 可整合至現有的 LED 頭燈系統中
• 體積僅為 LED 元件的 1/100，可供設計人員靈活應用於各種小巧的設計，讓高階汽車更加美觀

雷射頭燈的限制：

• 成本比 LED 和其他汽車照明技術高，目前約為 LED 技術的 3-4 倍
• 需要進階的安全功能，以防止雷射光傷害視力。這適用於道路行駛操作，以及在頭燈由不同人員操作的製造環境中
• 需要進階的感測器以確保行駛中可安全運作，而這進一步提高了成本
• 僅有少數幾家製造商供應雷射頭燈
• 由於亮度超過 2000 流明的頭燈需要加裝清洗裝置，因此需要更多零件 (儘管所有高功率頭燈皆是如此，並非僅限於雷射頭燈，但雷射頭燈較常能達到較高亮度)
• 可能因各車種所需的最高亮度不同而受限，使其額外成本難以發揮效益而不符許多汽車製造商的需求，導致 LED 技術仍為首選
• 所採用的技術比其他類型頭燈複雜
• 必須與傳統的 LED 技術競爭，然而這些 LED 技術仍持續進行各種開發與創新，例如現已成為首選的自適應頭燈
• 車輛必須達到特定速度門檻，或處於特定行駛狀態時，頭燈才能被啟動
• 基於法令要求，雷射頭燈的預期普及速度緩慢 

由於 LED 頭燈是現行新車使用的黃金標準，因此雷射頭燈的優點與限制大多是直接與 LED 頭燈作比較。下表列出這兩種照明技術的主要差異。

雷射是一種複雜的光源，需要結合多種工具才能模擬雷射、其特性、從二極體的傳播，以及雷射在車輛環境中的使用。這是因為它是一種具有相干性的光源，有些特性必須要當作完整的系統來模擬。Ansys 擁有各式光學和非光學模擬工具，可用於模擬雷射頭燈的行為和效能，如下所示。

Ansys Lumerical FDTD 進階 3D 電磁 FDTD 模擬軟體：用於分析雷射光束本身的特性，在考慮個別元件和廣泛系統層級的特性之前，建立光束的光學特性模型。

Ansys Zemax OpticStudio 光學系統設計與分析軟體：用於評估在 Ansys Lumerical 軟體中開發的雷射光束，查看二極體和頭燈在元件層級的運作方式與作用狀況，以確保效能及照射範圍正確，且頭燈的照明表現符合預期。

Ansys Speos CAD 整合光學與照明模擬軟體：將 Ansys Lumerical 和 Ansys Zemax OpticStudio 軟體的資料加以整合，以模擬雷射頭燈在系統層級的作用狀況，並考量各種不同駕駛情境，以確保符合法規要求。

Ansys Mechanical 結構有限元素分析軟體和 Ansys Icepak 電子散熱模擬軟體：用於測量雷射在正常運作過程中的發熱，以確保不會因過熱導致操作問題或造成元件損傷。

Ansys AVxcelerate Headlamp 汽車前照燈測試軟體：用於模擬和測試前照燈在各種即時駕駛情境中的表現。

雖然雷射頭燈的普及率不如最初所預期，但未來仍有很大興趣持續開發此技術。如果您想瞭解如何運用模擬來開發更便宜、更高效能的雷射頭燈，請立即聯絡我們的技術團隊。

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