Совершенствование фар с волоконно-оптическим преобразователем изображения

Мотивация и основная техническая задача. Сравнение усредненных картин светораспределения двух наиболее распространенных конструктивных вариантов фар – с галогенной лампой накаливания (ГЛН) типа Н7 и ксеноновой металлогалогенной лампой (КсМГЛ) типа D2S, представленных на рис. 1 и 2 и в табл. 1 и 2, показывает наличие неодинаковых условий видимости при встречном разъезде автотранспортных средств (АТС) с одним и другим вариантом фар: вероятность быть ослеплённым у водителя АТС, оснащённого фарами с ГЛН, выше. Эта ситуация усугубляется в сложных метеоусловиях (дождь, туман), поскольку в целом более коротковолновое излучение фар с КсМГЛ имеет больший средний угол рассеяния, что повышает освещённость в контрольной точке В50L, т.е. на глазах водителя встречного АТС. При этом излучение фар встречного АТС, оснащенного фарами с ГЛН, хоть и в меньшей степени, но тоже рассеивается, за счёт чего уменьшается освещенность в точках 50R и 75R и, как следствие, уменьшается яркость поля адаптации при росте слепящей яркости, а, следовательно, возрастает коэффициент ослеплённости.

Рис. 1. Светораспределение фары ближнего света автомобиля с галогенной лампой накаливания типа Н7

Рис. 2. Светораспределение фары ближнего света автомобиля с ксеноновой металлогалогенной лампой типа D2S

 
Устранить подобную неприятность можно либо запретом одновременного использования фар обоего типа, либо обеспечением высоких значений яркости поля адаптации при достаточно больших углах рассеяния светового пучка фар с ГЛН в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Таблица 1.
Средние значения освещенности (Е) и силы света (I) в контрольных точках по правилам ЕЭК ООН для фар с галогенной лампой накаливания Н7

Таблица 2.
Средние значения освещенности (Е) и силы света (I) в контрольных точках по правилам ЕЭК ООН для фар с ксеноновой металлогалогенной лампой D2S

 
В Headlamps with fi ber-optic image converters for different applications было предложено решение данной задачи путём увеличения КПД фары. Однако соответствующая конструкция последней, с волоконно-оптическим преобразователем изображения (ВОПИ), при достаточно высоких значениях светотехнических характеристик имела относительно небольшие углы рассеяния результирующего светового пучка.
Анализ использованной в этой конструкции светооптической схемы показал, что увеличения углов рассеяния проще всего добиться увеличением размеров ВОПИ, но такой подход имеет существенный недостаток. Так как размеры входного торца ВОПИ увеличивать нельзя из-за возникающих потерь, то увеличение площади выходного торца (S_вых) при неизменной площади входного (S_вх) приведет лишь к ухудшению светотехнических характеристик, так как при S_вх/S_вых < 1 изображение будет увеличиваться, а его яркость падать, и, кроме того, увеличение размеров неизбежно ведет к увеличению стоимости ВОПИ.
Предлагаемое в данной статье решение основано на принципиально ином подходе к оптимизации конструкции фары с ВОПИ.

Рис. 3. Светооптическая схема фары с волоконно-оптическим преобразователем изображения

 
Оптимизация конструкции фары ближнего света с волоконно-оптическим преобразователем изображения. Основу указанной оптимизации составляет решение задачи баланса входного и выходного световых потоков светооптической системы, показанной на рис. 3, суть и работа которой, включая результирующее светораспределение (рис. 4), подробно освещены в Headlamps with fi ber-optic image converters for different applications.

Рис. 4. Светораспределение фар с волоконно-оптическим преобразователем изображения: а – фара дальнего света, б – фара ближнего света

 
Анализ процесса формирования светового пучка такой светооптической схемой показывает, что достижение высоких показателей в контрольных точках легко осуществимо путём увеличения фокусного расстояния (f) конденсорной линзы и относительно небольшого увеличения ее диаметра: с 60 до 72 мм.
Предельно возможное f определяется из условия f = S / tgβ, где S – половина ширины выходного торца ВОПИ; β – угол рассеяния светового пучка в горизонтальной плоскости, соответствующий горизонтальному размеру ядра картины нормативного светораспределения, показанного на рис 5.

Рис. 5. Светораспределение фары ближнего света по Правилам № 98 ЕЭК ООН

 
В этом случае ядро картины светораспределения в режиме «ближний свет», в котором сосредоточены подавляющее большинство контрольных точек и зон (рис. 5), будет иметь характеристики согласно рис. 6, близкие к усредненным для фар с КсМГЛ D2S (см. рис. 2).
Из рис. 2 и 6 видно, что освёщенности в точках ядра светораспределения фары с ВОПИ даже выше соответствующих освещённостей от «усредненной» фары с КсМГЛ. Однако при этом очевидно, что углы рассеяния в горизонтальной и в вертикальной плоскостях меньше приемлемых значений.

Рис. 6. Светораспределение фары ближнего света с волоконно-оптическим преобразователем без расширителя светового пучка

 
Увеличение углов рассеяния в горизонтальной и в вертикальной плоскостях – вторая задача, решаемая при оптимизации конструкции фары.
В ходе исследований было замечено, что исходящий с элементарной поверхности выходного торца ВОПИ световой пучок имеет асимметричную форму согласно рис.7: апертурный угол в горизонтальной плоскости (А₂) значительно больше апертурного угла в вертикальной (А₁), причём апертурный угол на входном торце ВОПИ (А) меньше А₁.

Рис. 7. Форма элементарного светового пучка, выходящего из периферийной части выходного торца волоконно-оптического преобразователя изображения

 
Нарушение симметрии в данном случае обусловлено деформацией волокон на выходном торце ВОПИ (рис. 8, б) при его прессовании и «косым торцом» периферийных волокон.

Рис. 8. Форма сечения волокон на входном (а) и выходном (б) торцах волоконно-оптического преобразователя изображения

 
Согласно сказанному, для достижения приемлемого уровня рассеяния используется оптическое приспособление – расширитель светового пучка (рис. 9), представляющее собой два конических зеркала 1, установленных по бокам ВОПИ 2, и смонтированного между ними на незначительном расстоянии от плоскости выходного торца ВОПИ прозрачного стеклянного цилиндра 3.

Рис. 9. Конструкция и работа приспособления для расширения углов рассеяния светового пучка в горизонтальной и вертикальной плоскостях: а – общий вид; б – схема работы в горизонтальной плоскости; в – схема работы в вертикальной плоскости

 
При работе такого приспособления увеличение угла рассеяния в горизонтальной плоскости происходит в результате отражения излучения, выходящего из выходного торца, от фрагментов конической поверхности (рис. 9, б), а в вертикальной – благодаря преломлению стеклянным прозрачным цилиндром излучения, выходящего из верхней части выходного торца ВОПИ (рис. 9, в).
Согласно результатам измерений (рис. 10), применение расширителя светового пучка в горизонтальной плоскости практически не сказывается на характеристиках ядра картины светораспределения, что, в основном, обусловлено использованием части излучения, ранее не участвовавшего в его формировании.

Рис. 10. Светораспределение фары ближнего света с галогенной лампой накаливания, волоконно-оптическим преобразователем изображения и расширителем светового пучка в горизонтальной плоскости

 
Использование расширителя светового пучка в вертикальной плоскости несколько снижает уровень светотехнических параметров (рис. 11). Поэтому его целесообразно использовать только в фарах для мотоциклов, в которых в силу значительной высоты установки угол рассеяния в вертикальной плоскости должен быть увеличен до 10-15°. Для фар автомобилей необходимое значение этого угла (7-9°) может обеспечиваться подбором ширины ВОПИ.

Рис. 11. Светораспределение фары ближнего света с галогенной лампой накаливания, волоконно-оптическим преобразователем изображения и расширителем светового пучка в вертикальной плоскости

 
Таким образом, как видно из картин светораспределения фар с ВОПИ расширителем светового пучка (рис. 10 и 11), а также из табл. 3, полученные значения освещенности в контрольных точках при достаточно больших углах рассеяния и использовании ГЛН типа Н7 практически не отличаются от соответствующих значений для фар с КсМГЛ типа D2S. Эффективность предлагаемого конструктивного решения подтверждают высокие значения выходного светового потока и коэффициента его использования (табл. 4).

Таблица 3.

Примечание:
Е1 – среднестатистическая освещенность от фар с КсМГЛ;
Е2 – освещенность от фар с ГЛН типа Н7, ВОПИ и расширителем светового пучка в горизонтальной плоскости;
Е3 – освещенность от фар с Н7, ВОПИ и расширителем светового пучка в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Таблица 4.

 
Заключение. Полученные в результате оптимизации конструкции фары с ГЛН и ВОПИ высокие светотехнические характеристики позволяют при её использовании в АТС обеспечивать равные в отношении видимости условия встречного разъезда с АТС, оснащёнными фарами с КсМГЛ. При этом её конструкция обеспечивает достижение необходимых углов рассеяния светового пучка в горизонтальной и вертикальной плоскостях как для автомобилей, так и для мотоциклов. Кроме того, достигнутый уровень эффективности использования светового потока показывает, что этот тип конструкции фары при использовании разрядной лампы в ней обеспечит достижение улучшенных светотехнических характеристик, исключив существующие негативные последствия использования КсМГЛ.