Performance e design per l’automotive lighting

 

Figura 1 – Esempio di LED headlight su Lexus LS600h del 2003 (copyright: Motortrend.com)

Le applicazioni dell’illuminazione a stato solido in ambito automobilistico (LED e laser a semiconduttore basati sul nitruro di Gallio, GaN, e sui suoi composti ternari con l’Indio, InGaN) sono in rapida crescita, come del resto l’intero settore dell’ automotive lighting, il cui mercato dovrebbe sfiorare i 27 miliardi di dollari nel 2020

Contraddicendo il luogo comune secondo il quale l’industria automobilistica tende per prudenza a dilazionare l’introduzione di tecnologie radicalmente nuove, sistemi a LED sono stati applicati all’automobile fin dall’inizio degli anni 2000; premium car come Audi R8 e Lexus LS 600h rappresentano i primi esempi di Daytime Running Light (le luci diurne che si accendono automaticamente all’accensione dell’automobile) e headlight con LED (i proiettori frontali) in applicazioni automotive (apertura, figura 1).

Si prevede tuttavia che, per questioni legate al costo e alle prestazioni, la quota di mercato delle lampade tradizionali si manterrà elevata ancora per molto tempo.

L’illuminazione a stato solido è una tecnologia abilitante in ambito automobilistico: offre nuove funzionalità, maggiore sicurezza, flessibilità nel design, più facile integrazione con sistemi di controllo ed elettronica, maggiore libertà nel disegno della luce, anche per caratterizzare lo stile e la personalità di ciascuna casa automobilistica.

Attualmente le soluzioni SSL in ambito automotive sono sempre più diffuse, specie per le applicazioni di alta gamma, per le quali sostituiscono i sistemi tradizionali, incluse le lampade a scarica Xenon per l’illuminazione low beam (anabbagliante).

I principali motivi di successo della tecnologia LED risiedono nella temperatura di colore più fredda (tipicamente 5000 K), che conferisce un aspetto più tecnologico e metallico alla vettura, nella versatilità di utilizzo, che permette di creare sottili ed uniformi guide di luce per personalizzare ancora di più l’estetica del veicolo.

I LED offrono però anche una maggiore profondità di proiezione, grazie all’intensità luminosa più elevata, e di conseguenza maggiore sicurezza. La tecnologia LED si rinnova continuamente attraverso lo sviluppo di nuove funzioni e sistemi di controllo elettronici; come vedremo nel seguito dell’articolo, il design coinvolge oggi non solo la sorgente, ma anche forma, proiezione e immagine della luce stessa.

LED Daytime Running Light

Le Daytime Running Light rappresentano forse il più comune utilizzo della tecnologia LED in ambito automotive (figura 2): grazie alla versatilità legata alla ridotta dimensione delle sorgenti ed all’elevata luminanza, i sistemi LED consentono di realizzare soluzioni ottiche facilmente integrabili nei fanali automobilistici.

Figura 2 – Daytime Running Light tridimensionali su Volvo XC90 del 2016 (copyright: nydailynews.com)

Le principali soluzioni attualmente utilizzate includono catene di LED di media o alta potenza, ognuno dotato di ottica secondaria a riflettore o a lente generalmente a piccoli gruppi e disposti su di una linea a delineare il profilo dei fanali anteriori; altre soluzioni utilizzano LED ad alta potenza che illuminano – generalmente con un’ottica di collimazione – una guida di luce in polimetilmetacrilato (PMMA), lavorata in modo da estrarre la luce uniformemente per tutta la lunghezza della guida stessa; in altri casi si utilizzano vere e proprie camere di miscelazione che contengono i LED, sfruttando pareti a specchio per generare multiriflessioni interne: in quest’ultimo caso la luce viene estratta grazie a coperture opaline/diffusive in materiale plastico che consentono quindi di ottenere strutture tridimensionali variabili in sezione, direzione e forma.

Low beam/Anabbaglianti

Lo sviluppo di soluzioni Low beam a LED sta di fatto sostituendo nelle vetture di maggior costo la tecnologia a scarica Xenon. Le principali implementazioni prevedono l’utilizzo di diodi LED ad alta potenza, spesso disposti in microarray lineari da 2 a 5 LED.

Dal punto di vista ottico i LED sono generalmente montati sul corpo fanale in modo da avere un’emissione verso l’alto oppure verso il basso; l’aggiunta di una o più superfici riflettenti opportunamente ingegnerizzate consente di dar forma al fascio luminoso e dirigerlo, con una riflessione totale, in direzione frontale.

L’utilizzo di sorgenti LED multichip ravvicinati e la riflessione totale consentono di ottenere cut-off (taglio netto tra la zona di luce e la zona d’ombra) precisi e una marcata riduzione della luce diffusa, a tutto vantaggio della profondità di illuminazione e della riduzione dell’abbagliamento (figura 3).

Figura 3 – Luci anabbaglianti full LED su Seat Leon del 2013 (copyright foto: Bartletts-SEAT.com)

High Beam / Luci di profondità

Le luci di profondità, generalmente indicate come High Beam possono anch’esse essere realizzate con tecnologia LED ed appositi sistemi di collimazione ottica, a riflettore oppure a lente.

In questo caso è molto più importante riuscire a garantire una buona collimazione del fascio per raggiungere maggiori distanze, piuttosto che ottenere un cut-off netto tipico dell’illuminazione low beam.

Questa necessità favorisce l’uso di tecnologie di illuminazione ancora più avanzate, in particolare basate sull’utilizzo di laser allo stato solido. In questa realizzazione, resa celebre in particolare da BMW con il modello ibrido i8 (figura 4), uno o più diodi laser blu (con lunghezza d’onda pari a 450nm) emettono raggi laser collimati ad elevata densità di potenza che vanno a colpire un target realizzato con opportuni materiali fotoluminescenti (noti anche come fosfori) in grado di emettere radiazione nelle lunghezze d’onda del giallo e del verde.

Figura 4 – Struttura interna dei proiettori laser su BMW i8 (copyright photo: BMW)

La radiazione emessa da questi materiali viene miscelata, almeno in parte, con la radiazione laser blu, ottenendo luce bianca con una luminanza molto più elevata rispetto alla radiazione ottenibile da un LED, consentendo quindi di ottenere fasci collimati con angoli di divergenza estremamente ridotti ed elevatissime profondità di  illuminazione (fino a 600 m secondo le stime di BMW).

Le soluzioni high beam laser permettono inoltre un semplice beam steering, ovvero una deflessione adattiva del fascio emesso, grazie ad opportuni specchi mobili montati su servoattuatori, migliorando così l’illuminazione della strada nelle curve ad ampio raggio.

Matrici di LED

Le soluzioni attualmente più avanzate nella tecnologia LED per l’illuminazione frontale sono basate su sistemi LED Matrix, ovvero matrici di LED dinamiche in grado di garantire una luce di profondità automaticamente adattabile (figura 5), in modo da evitare l’abbagliamento dei veicoli che provengono in senso opposto.

Figura 5 – Carpet lighting su BMW serie 7 del 2016 (copyright: Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering – IOF)

Questa soluzione richiede la suddivisione del fascio emesso in tanti micro-fasci luminosi, ognuno orientato con una direzione leggermente differente, e corrispondente ad un singolo LED della matrice. Quando tutti i LED sono accesi alla stessa intensità il fascio risultante è uniforme e ad elevata profondità, mentre, quando uno o più LED sono spenti o operanti ad intensità ridotta, il fascio complessivo presenta delle zone buie.

Il sistema LED Matrix si integra quindi con telecamere ed un sistema elettronico di visione computazionale capace di far corrispondere istantaneamente le zone buie con le vetture in arrivo, con i segnali catarifrangenti e con eventuali altri veicoli, persone o animali da “proteggere” dall’abbagliamento.

Le matrici LED attualmente utilizzate comprendono 84 LED attivabili individualmente; è stato tuttavia recentemente presentato il prototipo di un sistema che integra 1024 LED sullo stesso chip.

Il processore che controlla questo sistema analizza continuamente le condizioni di guida, il percorso, le condizioni di visibilità e la presenza di altri veicoli, e adatta di conseguenza l’illuminazione ed il fascio luminoso; tutto questo viene realizzato elettronicamente, senza necessità di attuazioni meccaniche.

Proiezioni a terra

Dalla possibilità di progettare fasci di luce di forma e caratteristiche arbitrarie, offerta da LED e laser a semiconduttore, nasce l’idea di utilizzare la proiezione non solo per illuminare la strada durante la guida, ma anche per accogliere il guidatore e i passeggeri illuminando l’ambiente circostante il veicolo, migliorando il comfort e la sicurezza alla partenza e all’arrivo.

L’illuminazione dell’intorno del veicolo, a partire da queste funzioni di welcome e goodbye, si trasforma ed evolve proiettando pattern e simboli a terra (figura 6) al fine di aiutare i passeggeri ad accedere al veicolo, supportare le azioni di svolta dell’auto avvertendo con maggiore efficacia ciclisti e pedoni, oppure proiettare, utilizzando la tecnologia laser, strisce luminose a terra, per rendere l’auto più visibile in condizioni di nebbia o forte pioggia.

Figura 6 – Carpet lighting su BMW serie 7 del 2016 (copyright: Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering – IOF)

La proiezione (statica) di segnalazioni luminose sulla superficie stradale è ormai un optional a basso costo per biciclette e motocicli.

C’è anche chi ha sviluppato sistemi, per il momento amatoriali, per la proiezione delle indicazioni di direzione del GPS sulla superficie stradale davanti all’autoveicolo, in modo che siano visibili al guidatore.

L’utilizzo di questi sistemi di indicazione è legato all’evoluzione della normativa e della standardizzazione al riguardo.

Illuminazione interna dell’autoveicolo

Per quanto riguarda l’illuminazione dell’abitacolo dell’automobile, se fino a poco tempo fa gli sviluppi principali riguardavano la personalizzazione della luce a scopo essenzialmente decorativo (colore, effetti luminosi correlati all’ascolto di musica ecc.) oppure luci di servizio ( ad esempio illuminazione per i passeggeri che non disturbi il guidatore), recentemente sono apparsi sistemi per la regolazione della temperatura di colore all’illuminazione interna del veicolo, finalizzati a rendere l’automobile più confortevole e accogliente, come una seconda casa.

Un concetto interessante e innovativo è stato presentato da Artemide che ha sviluppato, in collaborazione con il Centro Stile Mercedes-Benz, Ameluna (NdR: sullo stesso tema, vedi anche il nostro Speciale a pagina 32), una lampada a sospensione formata da due parti, uno spot di luce in alto e una corona di luce in basso, entrambe a LED.

Uno speciale software permette la scelta tra diverse cromie e intensità luminose; queste, attraverso una speciale APP, si possono riprodurre all’interno di una Mercedes Classe E creando lo stesso scenario a casa e a bordo dell’auto (figura 7).

Figura 7 – Illuminazione interna di Mercedes Benz classe E Cabrio ed Artemide Ameluna (copyright: Mercedes Benz Passion Blog)

In conclusione…

In Italia, il settore dell’illuminazione per l’automobile include presenze industriali significative: oltre alla già citata ‘outsider’ Artemide, operano in quest’ambito Automotive Lighting, del gruppo Magneti Marelli, con uno stabilimento a Tolmezzo che occupa più di 800 persone, centro di competenza per il rear lighting; anche OSRAM a Treviso sviluppa applicazioni automobilistiche, mentre Infineon a Padova progetta circuiti integrati per l’alimentazione e il controllo dei LED per applicazioni automobilistiche.

L’Università di Padova (Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione) e il suo spin-off LightCube collaborano con queste e altre aziende nell’ambito della ricerca e sviluppo di sistemi LED e laser, del design di sistemi di illuminazione (inclusa la progettazione meccanica, elettrica, ottica e termica) e dello studio della affidabilità degli stessi.

(Nicola Trivellin  LightCubeSRLEnrico Zanoni, Gaudenzio Meneghesso e Matteo Meneghini – DEI – Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione, Università degli studi di Padova) 

 

 

 

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