• Thứ Tư, 25/12/2013 08:50 (GMT+7)

    Đèn laser đâu chỉ dành cho xe hơi

    Nguyễn Thúc
    Hệ thống đèn pha laser thế hệ mới có ánh sáng mạnh hơn gấp 1.000 lần đèn LED hiện tại nhưng chỉ sử dụng 2/3 mức năng lượng. Thêm vào đó, với tuổi thọ cao gấp nhiều lần và khả năng thiết kế linh hoạt, laser được mệnh danh là công nghệ chiếu sáng của tương lai.

    Khi chiếc xe điện i8 của BMW được hé lộ lần đầu, cộng đồng người dùng đã thực sự kinh ngạc với hệ thống đèn pha laser thế hệ mới với quảng bá có ánh sáng mạnh hơn gấp 1.000 lần các công nghệ LED hiện tại nhưng chỉ sử dụng 2/3 mức năng lượng. Thêm vào đó, với tuổi thọ cao gấp nhiều lần và khả năng thiết kế linh hoạt, laser ngay sau đó đã được mệnh danh là công nghệ chiếu sáng của tương lai. Vậy thực tế, bí quyết nào đã tạo ra ưu thế này?

    Laser sẽ là công nghệ chiếu sáng của tương lai – không chỉ đối với xe hơi
    BMW đã chuyển các tia siêu sáng xanh thành một luồng sáng trắng tập trung hình nón – nhưng không phải là laser – nên không còn gây nguy hiểm.
    Xenon dù sáng hơn đèn sợi đốt rất nhiều nhưng vẫn không thể bằng LED hay laser mới.

    Laser – tương lai của công nghệ chiếu sáng?
    Vào lúc này, công nghệ chiếu sáng mới do BMW phát triển đang được thí nghiệm tại FIZ  (Forschungs- und Innovationszentrum) – cơ sở nghiên cứu và sáng tạo của hãng xe Đức tại Munich. Toàn bộ dự án laser nằm dưới quyền điều hành của giám đốc Stefan Weber và nhà phát minh Helmut Erdl. “Mặc dù ít ai trực tiếp để ý nhưng thực tế bạn có thể cảm nhận được ngay sự khác biệt giữa ánh sáng tốt và tồi” – Weber cho biết. Điển hình như nguồn sáng của một ngày nắng đẹp với nhiệt độ màu 6500k (mức cũng được coi là nhiệt độ màu tự nhiên nhất với nhiếp ảnh).

    Tuy nhiên, những kĩ sư mong muốn đạt được nhiều hơn chỉ là độ sáng của nguồn chiếu, hướng tới một luống sáng trắng tập trung với độ tương phản cao – gần giống với những gì mặt trời đem lại cho trái đất. Như thế, hệ thống của BMW sẽ cung cấp luồng sáng ở mức nhiệt độ màu khoảng 5.500k tới 6.000k – mức cao nhất mà luật quốc tế cho phép. Mức này gần hơn dải màu xanh dương cuối bảng rất nhiều so với những gì các loại đèn pha hiện tại đang có. Sự khác biệt này sẽ giúp lái xe nhận biết các vật thể nhanh hơn đáng kể đồng thời giảm áp lực đối với mắt nhìn.

    Trước khi giải pháp chiếu sáng bán dẫn lần đầu tiên xuất hiện, nguồn sáng trắng nhất và mạnh nhất mà các cụm đèn pha xe có được là từ bóng đèn HID (Xenon) – thứ được BMW ra mắt lần đầu trên dòng 7 của mình vào năm 1991. Cho tới nay, đây vẫn là lựa chọn nâng cấp trên nhiều dòng xe hiện đại. Đèn Xenon cho ánh sáng trung bình từ 2800 đến 3500 lumens và có nhiệt độ màu ở ngưỡng trên 4000K. Tuy nhiên, nó không “ăn nhằm” gì so với khả năng của ánh sáng LED hay laser khi vừa sáng yếu hơn trong khi lại có hiệu suất kém hơn. Trong khi đó, bóng đèn sợi đốt do Thomas Edison phát minh ra vào năm 1879 đã thể hiện khả năng tồn tại và phát triển tuyệt vời – đặc biệt là trong ngành công nghiệp xe hơi. Chúng vẫn tiếp tục được sử dụng như một chuẩn mực cơ bản cho các dòng xe cho tới tận ngày nay. Giá rẻ, dễ thay thế vẫn là những ưu thế đáng giá không thể phủ nhận.

    Những cụm đèn pha LED đầu tiên chiếu sáng cho những chiếc xe đã bắt đầu xuất hiện khi Lexus giới thiệu mẫu sedan LS 600h L đầu tiên. Và trong một tương lai không xa, ngọn đuốc dẫn đường công nghệ sẽ sớm được chuyển tiếp qua cho những loại đèn laser mới với tiên phong là mẫu BMW i8 tại châu Âu. Bản thân i8 cũng là mẫu xe hybrid thể thao cắm-sạc hội tụ rất nhiều công nghệ mới cho phép nó tăng tốc từ 0-100 km/giờ chỉ trong vòng 4,4 giây và tiêu thụ nhiên liệu ở mức 2,45 lít/100km. 

    Như thế, thời đại của đèn pha LED có thể kết thúc sớm hơn nhiều so với dự kiến của mọi người. Điều này cũng được chính Shuji Nakamura đồng ý. Nakamura cũng chính là người đã phát minh ra tia laser xanh (Blue Laser) và LED xanh (Blue LED) – hai nền tảng chính cho công nghệ chiếu sáng “tĩnh”. Bản thân công ty Soraa của ông tại Silicon Valley cũng đang phát triển những hệ thống laser hỗ trợ công nghệ chiếu sáng LED. “Chúng tôi tin rằng công nghệ laser là tương lai của nhu cầu chiếu sáng như tại gia đình, công sở và các loại màn hình hiển thị” – Nakamura nhận định.

    Dù vậy, việc ứng dụng laser sẽ ẩn chứa nhiều mối nguy hiểm trong môi trường dân dụng. Những nguồn phát sáng laser trực tiếp có thể dễ dàng khiến các vật liệu dễ cháy bùng lên và có hại với sức khoẻ. Dĩ nhiên, những điều này sẽ không thể cản bước công nghệ chiếu sáng mới. Trên thực tế, tia laser sẽ được “gói kín” một cách an toàn và không thể phản chiếu vào võng  mạc người sử dụng – kể cả khi xe bị va chạm. Lý do là bởi đèn của BMW đã chuyển các tia siêu sáng xanh thành một luồng sáng trắng tập trung hình nón – nhưng không phải là laser – nên không còn gây nguy hiểm khi nhìn vào.

    Trong khi đó, phiên bản sản xuất sẽ có 4 diode laser xanh Class 4. Hệ thống kính chuẩn trục sẽ điều chỉnh hướng chiếu vào một tấm phốt pho để chuyển đổi tia laser thành ánh sáng trắng. Luồng sáng an toàn này sau đó sẽ di chuyển qua một lớp thấu kính thứ hai và chuyển hướng vào đường bộ phía trước. Thực tế, quy trình này có nhiều điểm tương đồng với công nghệ đèn chiếu sáng LED trắng hiện tại. Thậm chí, LED có thể đạt ngưỡng sáng 6000K lý tưởng dễ dàng hơn. Nó là lựa chọn tuyệt vời cho việc phủ kín một khu vực với ánh sáng trắng phân tán. Tuy nhiên, Nakamura và nhiều chuyên gia khác đều tin tưởng rằng ánh sáng laser sẽ tốt và hiệu quả hơn nhiều khi tập trung chiếu sáng chính xác ở một điểm cách xa – thứ mà đèn xe hơi luôn hướng tới (hoặc các ứng dụng khác như máy chiếu hình ảnh).

    Lý do cho điều này hoàn toàn rõ ràng. Với diện tích chỉ 10micromet vuông, khoảng phát sáng của laser nhỏ bằng 1/10.000 so với đèn LED (khoảng 1mm vuông). Điều đó cho phép laser được định hướng và tập trung một cách chính xác đúng vào nơi cần thiết. Bản thân chip laser nhỏ và có mật độ cao sẽ thuận tiện hơn cho việc chiếu sáng thay vì vô số các đèn LED cồng kềnh như hiện nay. Khi nguồn sáng nhỏ gọn và tập trung như vậy, nhà sản xuất cũng có thể linh hoạt điều khiển luồng chiếu sáng theo ý muốn chỉ bằng một chuyển động nhỏ của nguồn phát có thể khiến ánh sáng từ đèn chiếu ra thay đổi đáng kể - rất thích hợp cho các công nghệ “liếc” thông minh với khoảng liếc xa và nhanh hơn rất nhiều so với đèn pha xe hơi đang có hiện nay. Trong khi đó, với đèn LED, ánh sáng thường phân tán khắp nơi và khó để hội tụ lại bằng quang học. Ngoài ra, với laser, bạn còn có thể kết hợp những thế mạnh về cường độ sáng cao của đèn thông thường với độ tin cậy, tuổi thọ và hiệu suất năng lượng của LED. Với công nghệ chiếu sáng laser, tuổi thọ trung bình của thiết bị có thể lên tới 30.000 giờ - đủ để vượt xa vòng đời trung bình của những chiếc xe hơi.

    Tia laser có thể dễ dàng được định hướng và tinh chỉnh theo ý muốn
    Mắt đọc ứng dụng laser xanh trên đầu đĩa Bluray của Playstation
    Các hướng ứng dụng đối với tia laser xanh là vô biên!

    Vượt trội về tính hiệu quả
    Đáng chú ý, các giải pháp chiếu sáng laser cũng đánh bại đèn LED ở sân chơi của chính chúng: hiệu suất vận hành. Dù thực tế LED hiệu quả hơn trong việc chuyển điện năng thành ánh sáng nhưng các giải pháp laser đang ngày càng hiện đại và có hiệu suất cao hơn. Trong khi đó, nếu nhìn ở góc độ tổng thể, LED không thể tốt như laser trong việc định hướng chính xác luồng sáng vào nơi cần thiết. Tia sáng laser có cường độ cao chỉ mất khoảng 10-20% năng lượng ban đầu khi dẫn qua các hệ thống cáp quang – khác với mức 90% của LED. Ngoài ra, trong khi một cặp đèn halogen thường ngốn khoảng 120W từ xe thì đèn LED đời mới hiện tại ở mức 40W. Trong khi đó, với laser, con số này chỉ chưa tới 30W.

    Trên thực tế, công nghệ laser xanh không phải quá mới. Bản thân Nakamura đã đưa ra các giải pháp đầu tiên vào năm 2005 với những phiên bản điện thế thấp đang có mặt trong đầu đĩa Bluray hay máy Playstation. Một số phiên bản điện thế cao hơn được sử dụng trong quy trình hàn công nghiệp. Kể từ đó, các kĩ sư liên tục tìm cách nâng công suất đầu ra của các chip phát sóng bước ngắn sử dụng vật liệu indium gallium nitride này – cho tới khi tia laser xanh 1W đầu tiên ra đời. Đây chính là tiền đề mở đường cho hàng loạt ứng dụng mới.

    Bản thân các nhà sản xuất màn hình kĩ thuật số cũng hưởng lợi so với việc phát triển LED khi phát hiện ra khả năng bắn tia laser vào phốt pho để tạo ra ánh sáng rất mạnh. Hệ quả là một thế hệ màn hình không cần sử dụng đèn chiếu sáng, dựa trên công nghệ laser ra đời. Hiện tại, chúng đã có mặt ở nhiều nơi, từ trường học, văn phòng cho tới máy chiếu tại các rạp phim. Như thế, có thể thấy rằng công nghệ chiếu sáng bán dẫn thực sự là ví dụ điển hình cho sự trưởng thành của một ngành công nghiệp khi việc phát triển chip liên tục có những bước tiến mới còn giá thành sản xuất lại giảm đi không ngừng. Với công nghệ laser, sự kết hợp của nhiều lĩnh vực khác nhau đã đưa nó tới gần khả năng ứng dụng thực tế hơn bao giờ hết. Trong đó, việc chiếu sáng cho những chiếc xe hơi là một ví dụ điển hình.
    Do các diode laser xanh của BMW chỉ có kích thước 10 micro mét, chúng có thể được đặt ở bất cứ đâu trong xe và truyền tải ánh sáng thông qua cáp quang. Điều này cho phép các nhà thiết kế tạo ra vô số những mẫu đèn pha mới nhằm đem lại vẻ ngoài độc đáo, mới lạ và đẹp mắt hơn trong khi lại tiết kiệm không gian bên trong vỏ xe và linh hoạt hơn trong việc phân bổ trọng lượng. Ngoài ra, công nghệ laser còn có thể được ứng dụng rộng rãi trong  mọi lĩnh vực cuộc sống, từ chiếc máy chiếu di động trên điện thoại, màn hình, các loại kính như Google Glass hay đơn giản hơn là ánh sáng dân dụng và công nghiệp…

    Với nhu cầu chiếu sáng thông thường, sức hấp dẫn của công nghệ chiếu sáng laser nằm ở chỗ chúng có thể phát ra cường độ mạnh hơn những gì LED làm được. Thêm vào đó, các nguồn sáng dựa trên công nghệ laser không chỉ tiết kiệm điện hơn mà còn có tỉ lệ lumen/chi phí cao và có thể được triển khai linh hoạt hơn rất nhiều (ví dụ như đèn chiếu hoặc đèn toả tuỳ ý chỉ với một cú nhấn công tắc). Cùng với mức chi phí ngày càng thấp, các giải pháp chiếu sáng laser có thể trở nên phổ biến trong vòng 10 năm tới đây.

    Khả năng tiết kiệm điện của đèn pha laser sẽ cực kì có lợi với các dòng xe điện.
     

    BMW – sẽ tiên phong ứng dụng đèn pha laser!
    Theo lộ trình của BMW, đèn pha laser sẽ có mặt đầu tiên trên các xe thể thao hybrid cắm-sạc i8 2014. Với tư cách là mẫu xe cắm-sạc, hiển nhiên i8 sẽ cần thiết phải tiết kiệm năng lượng hết mức có thể nhằm dành thêm cho hành trình di chuyển cùng các nhu cầu khác như hỗ trợ lái, hệ thống giải trí, hệ thống điều hoà nhiệt độ… Việc tiết kiệm thêm được ở mọi chi tiết đều đem lại giá trị bởi mỗi watt trên xe điện đều tương đương với số km đi thêm được trên đường.

    Việc ứng dụng đèn pha laser trên xe hơi cũng có nhiều ưu điểm khác nữa. So với đèn HID truyền thống (như Xenon), đèn laser có thể bật lên trong vài mili-giây và ngay lập tức đạt độ sáng 100%. Kích thước nhỏ gọn cũng cho phép nó có thể được lắp ráp theo từng module với hệ thống điều khiển điện mà vẫn tiết kiệm diện tích hơn rất nhiều so với các hệ thống đèn sử dụng gương cầu hiện tại. Ngoài ra, nó cũng sẽ mở đường cho hàng loạt các công nghệ chiếu sáng thông minh mới – điển hình như Dynamic Light Spot của chính BMW. Công nghệ này bao gồm hai đèn chiếu sáng độc lập khỏi cụm đèn pha và được kết nối với các máy quay tầm nhiệt cho phép chiếu sáng các loài vật lớn hoặc người đi bộ từ khoảng cách xa hơn rất nhiều so với tầm chiếu của đèn pha xe. Bên cạnh đó, tương tự như nhiều dòng xe sang hàng đầu khác, xe của BMW cũng sẽ có hệ thống đèn pha với khả năng hạn chế ánh sáng chiếu của xe ngược chiều để tránh làm chói mắt người lái trong khi vẫn đảm bảo tầm nhìn tối ưu.

    Đáng kinh ngạc hơn, theo các kĩ sư của BMW, những chiếc xe hơi của tương lai sẽ có hàng trăm thiết lập ánh sáng khác nhau và có thể tự động thay đổi theo điều kiện giao thông thực tế. Với mô hình này, đèn chiếu laser rõ ràng sẽ “hợp tác” tuyệt vời hơn bất cứ mô hình nào khác nhờ độ chính xác cao, cường độ mạnh và sự nhỏ gọn.

    Đèn laser có thể “trỏ” chính xác tới từng vật cản trước mũi xe di chuyển
    Đèn pha laser cho khả năng chiếu sáng xa hơn nhiều lần so với LED

    Vẫn còn đó nhiều trở ngại
    Dù rất hấp dẫn, việc ứng dụng công nghệ chiếu sáng laser vẫn còn nhiều điều phải lưu tâm đối với các nhà sản xuất. Trong vài tháng tới đây, đội ngũ phát triển của BMW sẽ tiếp tục phải nỗ lực thu gọn kích thước của hệ thống chiếu sáng laser xuống nữa. Bên cạnh đó, tương tự như với các hệ thống đèn pha LED, việc tản nhiệt (với vật liệu dẫn nhiệt và quạt làm mát) cũng như đảm bảo độ bền trong điều kiện sử dụng hàng ngày luôn là thách thức rất lớn. Hiện tại, hãng xe Đức đã có nhiều thử nghiệm tiến hành tại Death Valley (California) và nhiều khu vực khác để chứng thực khả năng vận hành của đèn pha laser trong các điều kiện môi trường thực sự khắc nghiệt. Đáng chú ý, cũng theo những thử nghiệm thực tế của hãng, đèn pha LED khi chiếu cao (Highbeam) với sự trợ giúp của ánh sáng laser có thể chiếu tới 700m - xa hơn rất nhiều so với mức trung bình 300m của các loại đèn pha LED hiện tại cũng như các công nghệ chiếu sáng bóng sợi đốt truyền thống. Đó là chưa kể tới khả năng chiếu chính xác tới từng mục tiêu theo yêu cầu.

    Hiện tại, phiên bản tiền sản xuất của BMW i8 có bốn đèn laser ở phía trước. Tuy nhiên phiên bản thương mại sẽ chỉ sử dụng đèn laser cho luồng sáng pha chiếu cao mà thôi. Trong khi đó, đèn chiếu thấp sẽ chỉ sử dugj LED với mức sáng khoảng 50cd/mm2 ở điểm phát – thấp hơn rất nhiều so với mức 580cd/mm2 của laser. Dù vậy, mức này là quá đủ với những gì luật pháp đang quy định. Bản thân luật giao thông tại Mỹ hiện đang có giới hạn mức sáng cho đèn thấp hơn của châu Âu và để linh hoạt hơn trong việc sản xuất, các hãng xe hơi sẽ hướng tới việc phát triển những hệ thống đèn có thể điều chỉnh được chỉ số này tuỳ theo giới hạn của từng thị trường riêng.

    Ngoài ra, với lý do an toàn, đèn pha chiếu cao của BMW i8 sẽ chỉ vận hành khi tốc độ xe đạt trên ngưỡng 40km/giờ nhằm hạn chế tối đa nguy cơ có ai đó nhìn vào luồng sáng tĩnh của nó. Các cảm biến hình ảnh sẽ theo dõi những tia laser công suất cao và tắt chúng nếu có vấn đề xảy ra (ví dụ như tai nạn giao thông) hoặc đơn thuần là có trục trặc sau một thời gian dài vận hành.  Bên cạnh đó, hệ thống kiểm soát này cũng có thể tự động chuyển đèn xuống mức chiếu thấp nếu phát hiện có xe di chuyển ngược chiều – điều giống với rất nhiều hệ thống đèn pha LED hay Xenon trên các dòng xe hiện nay.

    Cho dù thế nào, vào thời điểm hiện tại nhiều người trong số chúng ta vẫn đang mong chờ một ngày nào đó có thể cầm lái những chiếc xe hơi đời mới đắt tiền với ánh sáng LED thì việc bàn tới công nghệ laser dường như vẫn còn hơi sớm. Tuy nhiên, với những gì các nhà sản xuất đang hướng tới và thể hiện thực tế, việc công nghệ chiếu sáng laser sẽ nhanh chóng được phổ cập với một tốc độ rất nhanh là điều có thể dự đoán trước được. Với đặc tính cạnh tranh mãnh liệt giữa các nhà sản xuất – đặc biệt là trong thị trường xe hơi – chắc chắn những giải pháp cạnh tranh với những gì BMW đang có sẽ sớm hiện diện trong thời gian tới và hứa hẹn đem lại nhiều ứng dụng mới hấp dẫn hơn bao giờ hết.

    PC World VN, 12/2013

    Từ khóa: xe hơi
    ID: A1312_76