Matrix, czyli jak daleko zajdzie rewolucja w oświetleniu samochodowym

Typowy użytkownik samochodu kwestię lamp głównych postrzega wciąż jeszcze przez pryzmat dylematu - czy warto dopłacić trzykrotność ceny i kupić żarówki reklamowane jako jaśniejsze, oszczędniejsze lub trwalsze, mimo że wynalezione w 1989 r. znakomite lampy ksenonowe są od co najmniej 15 lat zupełnie normalnym zjawiskiem na rynku. Wciąż jednak ich upowszechnienie napotyka na ten sam problem: zarówno cała lampa, jak i żarówki ksenonowe są drogie, a życie takich konstrukcji niedostatecznie długie.

Trudno się więc dziwić, że aktywne odmiany takich lamp nie zyskały dużej popularności. Systemy sterujące strumieniem światła, czujniki, kamery, odbiorniki oraz cała armia siłowników to kolejny ogromny koszt, a i ewentualna naprawa oznacza krociowe wydatki. A szkoda, bo ich wpływ na bezpieczeństwo jest nie do przecenienia. Są one w stanie kierować światło o jasności zbliżonej do dziennego w zależności od prędkości, warunków drogowych i przebiegu drogi tak, by oświetlona przestrzeń przed autem i na boki była większa nawet dwukrotnie niż w przypadku stacjonarnch lamp ksenonowych, nie mówiąc o lampach klasycznych z żarówkami halogenowymi (żarnikowymi).

Choć więc tzw. przeciętny Kowalski wciąż może uważać lampy ksenonowe za ósmy cud świata, wytwórcy aut wspólnie z producentami oświetlenia już od początku XXI w. pracowali nad innymi rozwiązaniami. Te „inne rozwiązania” to druga młodość urządzenia o nazwie „dioda półprzewodnikowa”. W przypadku technologii oświetleniowych mowa o diodach świetlnych (Light-Emitting-Diode, LED), których triumfalny pochód w stronę lamp głównych samochodów rozpoczął się wraz z wynalezieniem ich odmian emitujących intensywne światło białej barwy (rok 2013). Jeśli wziąć pod uwagę, że jeszcze w tym samym roku pojawiły się pierwsze w pełni diodowe lampy główne (Audi), trzeba przyjąć, że producenci byli od dawna gotowi na ten typ źródła światła.

W lampie głównej diodowej LED, która pobiera nawet do 10 razy mniej energii elektrycznej niż ksenony, mamy do czynienia z zespołem diod (kilku, kilkunastu, a ostatnio już i kilkudziesięciu), z których każda ma niemalże abstrakcyjną trwałość rzędu 100 tys. godzin i odpowiada za własny „front robót”, oświetlając inny kawałek przedpola w inny sposób niż pozostałe diody. Wszystkim steruje bardzo wyrafinowana elektronika. Oczywiście, lampy diodowe okazały się drogie. By mieć ultranowoczesne oświetlenie, trzeba było nawet w najdroższych autach wydać dodatkowo ok. 4-5 tys. euro. W dodatku zasady działania takich lamp - wybiórcze włączanie lub wygaszanie poszczególnych diod w każdej z lamp umożliwiające płynne i stałozmienne wpływanie na zasięg i szerokość oraz intensywność strumienia światła - sprawiły, że właściwie natychmiast przeskoczono etap wstępny (czyli samej zmiany źródeł światła z żarówek na diody świetlne), a w ofercie pojawiły się lampy z automatycznym sterowaniem strumieniem światła.

Ogromne zainteresowanie klientów pozwoliło na drastyczną redukcję cen oraz dalszy rozwój technologii diodowych. O ile w roku 2013 aktywne lampy diodowe (tzw. Matrix) oferowane w Audi A8 stanowiły totalny kosmos, pozwalając na uzyskanie z 15 diod w każdej lampie bardzo jasnego i intensywnego strumienia światła o jeszcze wyższej sprawności niż w aktywnych ksenonach, to dziś klienci na nieamerykańskich rynkach mają możliwość nabywania lamp diodowych już w samochodach segmentu B. Przy czym nikogo nie dziwi obecność w pełni aktywnych lamp diodowych już w segmencie C. A od dwóch lat istnieją także lampy laserowe, w których ekstremalnie wydajna dioda niebieska wytwarza światło o intensywności porównywalnej z laserowym, co udało się wykorzystać do stworzenia lamp dalekosiężnych, zapewniających 700-metrowej długości „prywatny” kawałek słonecznego dnia przed samochodem.

Nie widać pieszego - pomoże Matrix

Pierwsze aktywne lampy LED typu Matrix opierały się na elektronicznym sterowaniu zapalaniem i wygaszaniem pojedynczych diod oraz poruszaniu elementami (soczewki, odbłyśniki, filtry), które definiowały sposób rozkładu strumienia światła. Nazwa Matrix pochodzi od słowa „matryca” - elektroniczno-optyczny element pozwalający jednocześnie filtrować światło do idealnie białej barwy i sterować jego ukierunkowaniem, a więc jeździć ze stale włączonym pełnym potencjałem świetlnym, którego rozkład i zasięg jest regulowany automatycznie.

Już druga generacja lamp Matrix pozbyła się odbłyśników - tylko soczewki i matryce były ruchome. Lampy były zdolne tworzyć wzór strumienia światła, w którym wygaszane były całe moduły, by nie oślepiać kierowców jadących przed nami czy z przeciwka. Systemy wykrywania pojazdów błyskawicznie wzbogacono o możliwości wykrywania również pieszych. Zastosowano „światła w światłach”, czyli wyraźne, choć nieoślepiające oświetlenia częściowe obiektów, które bazowy system ukrywały w stożku cienia. Dzięki temu kierowca auta wyposażonego w „Matrixy” może być pewny, że pojawienie się wyciemnienia (zapobiegającego oślepianiu) w ogromnym, szerokim strumieniu światła nie spowoduje ukrycia obiektu (np. pieszego), którego nie da się zauważyć. Pieszy zostanie oświetlony „światłem punktowym”. Automatyczna redukcja olśnienia światłem odbitym od znaków drogowych przyciemnia światło kierowane na wysoce refleksyjne powierzchnie, zwiększając bezpieczeństwo kierowcy. Główne funkcje oświetlenia podczas otwierania pojazdu, włączanie świateł drogowych, przełączanie między różnymi wzorami świateł i sterowanie światłami podczas mijania pojazdów nadjeżdżających z przeciwka to zalety oświetlenia Matrix.

Tak ogromny wzrost możliwości sterowania wiązką światła oznacza, że każdy element ruchomy, którego praca i działanie są potrzebne do realizacji wzoru świetlnego, jest potencjalnym źródłem spowolnienia, opóźnienia zmian w pracy. W efekcie Hella we współpracy z Mercedesem zaproponowała na początku roku 2016 najnowszą generację Matrixów – lampy MultiBeam w Mercedesie klasy E. Tu każda z lamp wyposażona jest w 84 diody LED ustawione asymetrycznie w trzech nierównych rzędach. Każda może być nie tylko wygaszana lub zapalana, ale także przyciemniana - oddzielnie lub wraz z innymi. Dzięki temu wszystkie opisane wyżej funkcje realizowane są bez żadnego opóźnienia, z imponującą sprawnością i precyzją. Jeździ się z włączonymi na stałe światłami dalekosiężnymi - cała reszta, w tym dostosowywanie ukierunkowania i długości strumienia światła, odbywa się samoczynnie. Nie ma mowy o oślepianiu innych użytkowników drogi, ale też o przeoczeniu np. tablic informacyjnych czy znaków drogowych, bo światło je oświetlające jest przygaszone tak, by nie zmieniły się w zwierciadła o nieczytelnej treści.

Laser - kolejny stopień wtajemniczenia

Ale tuż, tuż za drzwiami czeka na nas kolejna odsłona rewolucji oświetleniowej. Audi, we współpracy z firmami Bosch i Osram pracuje nad lampami diodowymi typu Matrix, ale opartymi na diodach „laserowych”, które zapewniają jeszcze niższy pobór energii, jeszcze większą definicję oświetlanych detali – a przede wszystkim ogromny maksymalny zasięg. Tu jednak prace napotykają na ogromne utrudnienia: laserowe diody nie mogą być grupowane i selektywnie wygaszane oraz aktywowane. Przeszkodą jest konieczność każdorazowego filtrowania ich niebieskiego światła tak, by uzyskać wysokiej jaskrawości światło białe. Z tego powodu nie ma mowy o wybiórczym kierowaniu strugi światła. W każdej lampie „laserowej” jest tylko jedna dioda, więc uzyskanie efektu matrycy dla generowania zmiennego wzoru jest niemożliwe – jej światło należy najpierw rozproszyć w pryzmatowej soczewce.

Pracujący nad lampą inżynierowie postanowili zastąpić matrycę typu przeziernego konstrukcją reflektorową, gdzie na powierzchnię odbłyśnika składają się tysiące mikrozwierciadeł, a położenie każdego z nich można zmieniać tak, by odbijana przezeń wiązka światła padała tam, gdzie zdecydował się ją rzucić komputer. Sercem reflektora jest laser o wysokiej mocy, który oświetla matrycę składającą się z prawie pół miliona mikroluster wielkości kilku setnych milimetra, ustawianych niezależnie od siebie z częstotliwością nawet 5000 razy na sekundę. W zależności od pozycji konkretnych luster-pixeli, na drodze mogą być wyświetlone znaki i symbole. Na przykład strzałki wspierające układ nawigacji i wskazujące kierowcy prawidłową drogę.

Oczywiście, jest to zaprzeczeniem idei najważniejszej dla technologii Matrix, czyli minimalizacji liczby ruchomych części, które stanowią potencjalne punkty awaryjne i wymagają czasu, by się przestawić i prawidłowo zrealizować swe zadanie. Laserowe lampy główne typu Matrix mają być dostępne w nowej generacji Audi A8. Natomiast najnowsze lampy Matrix LED, a więc lampy główne dostępne w aktualnej klasie E Mercedesa, zapewniają kierowcy ów wspominany kilkakrotnie „własny dzień” bez żadnych ograniczeń. Tyle że o zasięgu ok. 350 m. Lasery potrafią podwoić ten zasięg, ale na razie tylko w trybie statycznym. Z pewnością nie powinniśmy spuszczać z oka producentów oświetlenia.

A jak to się wszystko zaczęło i do czego zmierza, można prześledzić na filmie, który wita Was w tym artykule.