Le Laser Bleu est Déjà Utilisé Sur la Route

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Ralf Hying, OSRAM. Les passionnés de l’automobile en sont fascinés, tandis que les designers raffolent des nouvelles opportunités de création. Pour les techniciens de l’éclairage, la lumière laser représente une nouvelle source lumineuse. Mais que se cache-t-il derrière cette technologie ? Il y a deux idées reçues très répandues à propos de la lumière laser. Selon la première, le but du rayonnement laser est d’illuminer la route. Et selon la deuxième, alimente la peur que la lumière hautement concentrée soit dangereuse. En fait, tout ceci est faux et la crainte est non fondée. Malgré l’utilisation d’un laser bleu, le faisceau du laser ne quitte pas le phare du véhicule. 

Lumière Laser – Comment ça Marche ?
En effet, le principe de fonctionnement de l’éclairage automobile est différent. A l’intérieur du phare, le faisceau laser rencontre le phosphore et l’excite ce qui provoque l’émission de lumière – ou ce qu’on appelle la « conversion » de la lumière laser. Ce principe est similaire à la conversion d’une lampe fluorescente classique ou d’une LED blanche. Dans le cas d’une lampe fluorescente, le rayonnement UV est transformé en lumière visible ; dans le cas d’une LED, c’est le rayonnement bleu du laser qui se trouve transformé. Les matériaux fluorescents sont aussi appelés des « phosphores ». 
Le phosphore en tant qu’élément pur n’est pas utilisé ; plutôt, les matériaux fluorescents utilisés sont des matériaux en céramique haute performance qui peuvent inclure des composés du phosphore. L’ensemble matériaux fluorescent et support est transformé en plaques partiellement transparentes. En plus de la géométrie, le choix du matériel, le ­traitement et les caractéristiques optiques de l’unité de conversion sont essentiels pour les performances, et ainsi, font ­l’objet d’un processus spécifique de développement. Quant à la quantité de lumière mise en jeu, ce n’est pas parce que le flux lumineux des sources actuelles était insuffisamment élevé que ces éclairages à base de lasers ont été développé mais plutôt pour profiter d’une source de lumière d’une luminosité inégalée. Les développeurs peuvent choisir parmi un nombre suffisant de sources ­traditionnelles de lumière qui produisent un flux lumineux très puissant. Par exemple, pendant plus de 20 ans, la ­technologie à dé­charge gazeuze (les phares au xénon des voitures) a été utilisée.

Petits phares, beaucoup de lumière 
L’avantage de la lumière laser est qu’elle permet d’émettre beaucoup de lumière orientée avec précision par des phares très compacts. Voici un exemple qui peut illustrer cette idée : un phare halogène classique à faisceau étendu ayant une intensité d’environ 100 000 ­candelas (cd) a un diamètre d’environ 220 mm. Pour une quantité comparable de lumière, la ­technologie laser exige seulement 30 mm.

 

Concept d’eclairages hybrides
Les premiers véhicules à base d’éclairage laser sont déjà utilisés sur la route. Les constructeurs automobiles comptent sur des concepts d’éclairage hybride - les LED sont utilisées pour la fonction d’éclairage principal - ­fonction d’éclairage un faisceau à longue distance supplémentaire (qui s’allume uniquement lorsqu’on ­atteint des vitesses ­supérieures) peut être implémenté moyennant la technologie de l’éclairage laser.

On estime que cette nouvelle technologie sera mise en pratique à l’avenir de façon similaire ; c’est-à-dire en combinaison avec les sources traditionnelles de lumière. Chaque concept d’éclairage apportant sa propre contribution en fonction de ses caractéristiques spécifiques, ainsi un large éventail de combinaisons est possible. En plus des LED, du xénon et des lasers dans les phares, les OLED seront intégrées à l’avenir pour les feux arrières. 

Les constructeurs automobiles utilisent les lasers, les LED et les OLED notamment pour des questions de design, mais aussi pour mettre l’accent sur leurs aspirations techniques et leur esprit novateur. Du point de vue de l’éclairage, les sources de lumière laser offrent une luminosité supérieure à toutes les autres sources de lumière traditionnellement utilisées auparavant dans l’industrie de l’automobile. C’est la raison pour laquelle on peut considérer la lumière laser comme la spécialiste des feux de route. C’est la source de choix pour un haut rendement lumineux provenant de petites sources de très petites surfaces d’émission. 

Toutefois, les ingénieurs d’Osram veulent aller un peu plus loin. Ils envisagent déjà des scénarios d’application à l’intérieur du véhicule, par exemple dans le cas des projecteurs laser qui remplacent l’affichage actuel.

Fibre Optique : Avantages de la conception à fibre
Un autre avantage de la lumière laser est que la source de lumière ­effective (ex. les diodes laser) ne doit pas nécessairement se trouver à l’intérieur du phare. Connectée à une fibre optique, on peut la placer n’importe où à l’intérieur de la voiture. Ceci rend cette technologie particulièrement intéressante surtout s’il n’y a pas assez d’espace d’installation disponible à l’intérieur du compartiment moteur. 

Technologie d’eclairage de pointe suite à des décennies d’expertise
En 2006, Osram a commencé à développer des diodes laser appropriées. Les premiers prototypes étaient à base d’un mélange de nitrures d’Indium et de ­Galluim. Lorsque le thème de la lumière laser est devenu important pour l’­industrie automobile, Osram a combiné deux technologies auparavant distinctes : le laser et le convertisseur. 
Ce dernier fait référence au matériel fluorescent mentionné précédémment qui convertit le laser en lumière utile. Osram bénéficie de nombreuses années d’expertise dans les deux domaines. Pendant presque 40 ans, Osram Opto Semiconductors a développé et produit à la fois des LED et des lasers à semiconducteurs. Sur le site de production de Regensburg, les LED à base d’InGaN ont été fabriquées depuis 1996. Le savoir-faire résultant des LED bleues a largement contribué au développement du laser bleu.
Un défi particulier a été d’augmenter l’efficacité de la lumière bleue. Pour des raisons physiques les longueurs d’ondes rouges et infrarouge convertissent plus efficacement l’énergie d’entrée que la longueur d’onde bleue. Par conséquent, les diodes laser bleues produisent plus de chaleur résiduelle qui doit être dissipée par des moyens de refroidissement appropriés. En 2013, Osram a pu augmenter de 30% l’efficacité des diodes laser bleues dans l’ordre du watt de sortie, et ainsi, réduire le besoin de refroidissement. 

 

Un environnement exigeant : l’industrie automobile
L’adaptation des diodes laser au secteur automobile a exigé des efforts considérables. Les exigences d’exploitation et celles des constructeurs automobiles sont élevées. Par exemple, les phares (donc les diodes laser) doivent fonctionner selon une plage de température comprise entre -40°C et +80°C. De même, l’humidité élevée ne doit pas représenter un problème. Les tests durant lesquels à la fois les diodes laser et tous les modules d’éclairage doivent démontrer leur résistance aux vibrations intenses, sont également très compliqués. De telles contraintes ne sont pas rencontrées pour l’électronique grand public où l’on exige une plage de température beaucoup moins élevée. Cette différence est évidente, par exemple, lorsqu’un smartphone attaché au pare-brise arrête de fonctionner s’il est exposé à la chaleur et au soleil tandis que l’électronique embarquée de la voiture continue à fonctionner normalement.

Pour satisfaire ces exigences, Osram a profité de l’expérience acquise en tant que leader mondial du secteur automobile pour d’autres produits d’éclairage tels que les technologies au xénon ou à base de semiconducteurs. Celles-ci incluent les diodes laser destinées aux applications pour mesurer la distance dans les systèmes d’aide à la conduite automobile. Toutefois, ces lasers ont une puissance beaucoup moins élevée et fonctionnent dans le spectre infrarouge. Une diode qui possède la classe laser exigée pour l’éclairage laser n’a jamais été employée auparavant pour les automobiles et dans des conditions environnementales si extrêmes. 

En plus des défis technologiques, les obstacles qui empêchent la production en série de la lumière laser incluent des questions de sécurité et d’autorisation. Plusieurs systèmes de sécurité sont installés pour garantir que, dans des conditions normales de fonctionnement, la lumière laser ne peut pas s’échapper du phare et provoquer des dommages, par exemple, pour l’œil humain. Les systèmes sont conçus pour que le laser soit éteint immédiatement si le phare a été endommagé (ex. en cas d’accident).

Aucune partie de l’automobile n’est si réglementée que les feux. Les spécifications des phares doivent être conformes aux règlements CEE actuels. Ainsi, un seuil maximum de 200 000 candelas s’applique aux feux de route. Par conséquent, on ne doit pas craindre des valeurs élevées de lumière éblouissante par rapport à d’autres phares. La lumière laser a pour objectif de renforcer la sécurité et non pas de mettre en danger les autres usagers de la route. 

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Ralf Hying a un diplôme d’ingénieur en génie électrique et il travaille chez Osram depuis 2005. En tant que directeur de programme, il a été responsable de tout le domaine des applications laser depuis 2011.

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OSRAM Opto Semiconductors

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