سيستم‌هاي اپتيكي چراغ جلو

[am in 25041]

الف- پروژكتورها و رفلكتورها

هدف از سيستم اپتيكي خودرو، دستيابي به بازدهي هر چه بيشتر نور خروجي از چشمه نور، شكل‌دهي مناسب پرتوي نور و هدايت و متمركز كردن آن در مناطقي است كه براي راننده وسيله نقليه ضروري مي‌باشد. البته همه اين شرايط با رعايت مقررات قانوني و استانداردها انجام مي‌شود.

در طراحي سيستم اپتيكي مناسب، معمولاً از نرم‌افزارهاي بسيار پيشرفته رايانه‌اي مانندASAP به انضمام ماجول ELTM و رفلكتور CAD استفاده مي‌شود. بخشي كه در تمام سيستم‌هاي اپتيكي فعلي مشترك است رفلكتور مي‌باشد. وظيفه رفلكتور، گرد آوردن نور توليد شده توسط لامپ و جهت‌دهي مناسب به آن است به‌گونه‌اي كه پس از عبور از لنز، الگوي استانداردي ايجاد شود. رفلكتورها معمولاً از فلز و گاهي بامواد ترموست با تكنولوژي توليد قالب توده‌اي(BMC) ساخته مي‌شوند و سطح آنها با لايه‌اي بازتابنده (آلومينيم) پوشانده مي‌شود. لنز چراغ جلو يا بدون گذاشتن هيچ اثري اجازه مي‌دهد كه نور مستقيماً از آن بگذرد (رفلكتورهايMR). و يا در توزيع نور نقشي برعهده دارد. موادي كه براي افزايش بازتاب نور، روي سطح رفلكتورها نشانده مي‌شوند معمولاً به روش لايه نشاني در خلاء، با لايه‌اي از آلومينيم پوشانده مي‌شود و براي پيشگيري از اكسيد يا خورده شدن با لايه‌اي محافظ نظير SiO2 پوشانده مي‌شود.

ب- رفلكتور سهموي

در اين سيستم، رفلكتور تك كاسه به صورت يك سهموي است. چشمه نور در نزديكي نقطه كانوني آن قرار مي‌گيرد. لذا پرتوي توليد شده به ميزان زياد موازي است. سپس نور توسط عناصر اپتيكي ديگر كه در جلوي سيستم قرار مي‌گيرند (لنز و نقش‌هاي برجسته روي آن...) به صورت مناسبي توزيع مي‌شود. شكل 1، طرحي از عمل رفلكتور را نشان مي‌دهد.

شكل 1: چگونگي عمل رفلكتور

در اين آرايش، شعاع‌هاي نور موازي هم مي‌شوند و الگويي متقارن ايجاد مي‌شود كه مي‌توان آن را به صورت يك پرتوي فشرده در آورد. اگر چشمه نور به رفلكتور نزديك شود پرتو، پهن‌تر و گسترده‌تر مي‌شود، در حالي كه اگر چشمه نور از رفلكتور دور شود شعاع‌هاي نور همگرا مي‌شوند. اگرچ رفلكتور سهموي بيشترين كارايي را در كاربردهايي دارد كه نياز به خط قطع تيز ندارند (نظير الگوهاي نور پرتوي پايين)، اما خوبي آن در اين است كه محدوديتي براي اندازه رفلكتور و لنز در اين آرايش وجود ندارد. رفلكتورهاي سهموي بزرگ‌تر، نور را بهتر كانوني مي‌كنند و اين امر آنها را براي كاربردهايي كه محدوديت فضاي نصب در جلوي خودرو وجود نداشته باشد، ايده‌آل مي‌كند.

بيشتر لامپ‌هاي هالوژني كه در سيستم‌هاي چراغ جلو به‌كار مي‌روند داراي دو رشته (فيلامان) هستند، همچنين اين سيستم‌ها داراي سپري سرخود براي ممانعت از گسيل نور در جهت‌هاي نامناسب مي‌باشند يعني نوار فلزي با طول و عرض مناسبي بر روي شيشه لامپ نشانده مي‌شود. فيلامان مربوط به پرتوي پايين (نور پايين) چند ميلي‌متر جلوتر و بالاتر از نقطه كانون رفلكتور قرار دارد به‌گونه‌اي كه نور پرتوي پايين به سوي جلو و پايين بازتابيده مي‌شود. رشته مربوط به نور پرتوي بالا دقيقاً در نقطه كانون رفلكتور قرار دارد و در نتيجه در اين وضعيت نور مستقيماً به جلو بازتابيده مي‌شود.

سيستم‌هاي سهموي از 1910 ميلادي استفاده شده‌اند. در اين سيستم‌ها، سطح رفلكتور يك سهموي است (يك سهمي كه حول محور خود دوران داده شده است). اگر از روبه‌رو به رفلكتور نگاه كنيم، بخش بالايي آن در نور پايين به‌كار مي‌رود كه در شكل 2 مشخص شده است. در شكل 3 نمايي جانبي از رفتار رفلكتور سهموي در توليد پرتوي پايين را مي‌بينيد.

[am in 25041]

شكل 2: سطح مؤثر رفلكتور (نماي جلو(

 

شكل 3: بازتاب نور بر روي سطح جاده (نماي جانبي(

 

چشمه نور به گونه‌اي مستقر مي‌شود كه نوري كه از آن به سوي بالا تابيده مي‌شود توسط رفلكتور به سوي پايين بازتابيده شده، از محور اپتيكي گذشته و روي جاده مي‌افتد. و لنز شيشه‌اي يا پلي‌كربناتي پلاستيكي شياردار نقش تعيين كننده در زمينه توزيع مناسب نور بر روي جاده را دارد (چراغ‌هاي جلو پژو و 405و پرايد در اين گروه قرار دارد(

پ- رفلكتور شكل- آزاد (FF)

در اين سيستم هر بخش از سطح رفلكتور به روشن نمودن ناحيه معيني از جاده اختصاص داده مي‌شود. براي طراحي سطح اين نوع رفلكتورها از نرم‌افزارهاي متعددي استفاده مي‌شود. اين سيستم از بقيه لحاظ، شبيه سيستم رفلكتور سهموي است. شكل3، تصويري از يك رفلكتور شكل- آزاد را نشان مي‌دهد.

در فناوري FF )شكل آزاد يا سطح آزاد) با شبيه‌سازي‌هاي رايانه‌اي، سطح رفلكتور و همچنين محل استقرار لامپ بهينه مي‌شود. فناوري FF اجازه مي‌دهد كه سطح رفلكتور به صورت نقطه به نقطه محاسبه شود. چراغ‌هاي جلوي اين گونه با لنز شفاف كاملاً قابل تشخيص هستند. فناوري FF اين امكان را فراهم مي‌كند كه سطح رفلكتور به گونه‌اي طراحي شود كه پرتو ايجاد شده شكل دلخواه و مناسب را دارا بوده و نيازي به ايفاي نقش لنز در شكل‌دهي پرتو نباشد و تنها وظيفه لنز محافظت از بخش‌هاي حساس درون كاسه رفلكتور است.

شكل 4: رفلكتور FF

[am in 25041]

ت- سيستم‌هاي پروژكتوري بيضوي

در اين سيستم‌ها، براي رفلكتور از الگوي FF به جاي هندسه معمول استفاده مي‌شود. سطح رفلكتور، سطحي بيضوي (يا تقريباً بيضوي) است. اين رفلكتور نور توليد شده توسط چشمه نور را جمع مي‌كند. چشمه نور در نزديكي كانون اصلي يا نقطه معادل آن قرار دارد. سپس نور توسط رفلكتور به صفحه كانوني ثانوي كه يك سپر فلزي در آن قرار دارد تابيده مي‌شود. اين سپر فلزي، الگوي اوليه‌اي به توزيع نور بر سطح جاده را مي‌دهد. در اين سيستم، لنز كاملاً شفاف است. شكل سپر، محل قرارگيري عمودي آن و فاصله آن تا چشمه از پارامترهاي مؤثر در چگونگي توزيع نور بر سطح ميدان ديد راننده مي‌باشد.

مثالي از اين وضعيت را در شكل 5 مي‌بينيد. رفلكتور، پرتوهاي نور يك چشمه نور را بر روي تصوير متمركز مي‌كند. تصوير مي‌تواند اسلايد عكس باشد. يك عدسي محدب – تخت ، تصوير را بزرگ كرده و در فاصله‌اي مناسب به‌طور واضح بر پرده‌اي مي‌اندازد. نام‌هاي ديگر «لنز بيضوي» يا «لنز جمع‌كننده» نيز مي‌باشد. در سيستم پروژكتور خودرويي رفلكتوري كه پشت چشمه نور قرار گرفته، مقدار هر چه بيشتري از نور را جمع‌آوري مي‌كند و از بالاي سپر قطع‌كننده عبور مي‌دهد. سپس اين نور توسط عدسي محدب - تخت به‌طور مناسبي توزيع مي‌شود. اين سيستم از بخش‌هاي زير تشكيل شده است:

1. چشمه نور

2. رفلكتور

3. سپر قطع‌كننده(كات آف)

4. عدسي محدب - تخت

شكل 5: چگونگي عمل سيستم پروژكتوري بيضوي

سازندگان چراغ جلوي خودرو معمولاً علاقه‌مندند كه از يك سيستم پروژكتور واحد در چراغ جلوي وسايل نقليه متفاوت استفاده كنند. اين كار در بسياري مواقع ممكن شده است، اما نكته مهم اين است كه بيشتر پروژكتورهاي خودرويي، ظاهري تقريباً مشابه دارند. تنها تفاوت آنها در قطر و عمق است كه هميشه متناسب است. هر چه عدسي محدب – تخت، بزرگ‌تر باشد پروژكتور داراي عمق بيشتري است.

چراغ‌هاي جلو خودرو سمند از اين تكنولوژي براي نور پايين استفاده مي‌كنند و نوربالا از نوع رفلكتورهاي شكل آزاد- قطعه قطعه (MR) ميباشد.

عدسي‌هاي محدب - تخت از نظر شكل ظاهر به سه گروه تقسيم مي‌شوند:

1. شفاف: بهترين روشنايي براي نورپايين را مطابق با استانداردهاي ECE ، EEC )استانداردهاي اروپا) فراهم مي‌كند.

2. شياردار: به نام Fresnel نيز شناخته مي‌شوند. كمترين روشنايي سوي پايين را دارد. نور كمي بشتر از بالاي سپر قطع‌كننده عبور مي‌كند و عموماً نور را به‌گونه‌اي بهتر مي‌گستراند. معمولاً در پروژكتورهاي DOT )استاندارد امريكاي شمالي) استفاده مي‌شود.

3. نرم: مانند مورد بالا است، اما مقداري از نور را به سمت عقب به سوي رفلكتور باز مي‌تاباند كه به معناي بازدهي است. بر روي پروژكتورهاي(DOT)اAcura Integra به كار مي‌رود.

شكل 6، تصوير سه نوع عدسي محدب - تخت را نشان مي‌دهد.

نكاتي كه در بالا گفته شد به اين معنا نيست كه يكي از اين طرح‌ها بهتر از ديگري است. يك پروژكتور به صورت واحدي كامل طراحي مي‌شود و كيفيت كلي و سطح خروجي نور از آن به عوامل ديگري نيز بستگي دارد.

براي هر نوع رفلكتور، انتخاب نوع لامپ اهميت زيادي دارد و بستگي به نوع لامپ، ميزان نور توليد شده متفاوت است. در ضمن شكل هندسي لامپ و فيلامان در طراحي بسيار اهميت دارد.

شكل6: تصويري از 3 نوع عدسي محدب - تخت

از راست به چپ: نوع نرم، نوع شياردار يا فرنل و نوع شفاف

[am in 25041]

ث- رفلكتورهاي شكل آزاد-قطعه قطعهMR

در سال‌هاي اخير براي چراغ‌هاي جلو پرتوي پايين با لامپ‌هاي هالوژني از رفلكتورهاي با شكل آزاد (قطعه قطعه) يا MR استفاده شده است. پيشرفت‌هاي حاصل شده در ساخت سطوح اپتيكي با شكل آزاد در كنار توسعه رايانه‌هاي قدرتمند لازم براي شبيه‌سازي‌هاي رايانه‌اي نورسنجي مورد نياز، امكان طراحي‌هاي بهينه را فراهم كرده است. اين طراحي‌ها به‌گونه‌اي است كه شكل بهينه هر قطعه از رفلكتورها محاسبه مي‌شود. سپس اين قطعات در كنار هم قرار گرفته و رفلكتور كامل را تشكيل مي‌دهند. اين تكنولوژي در چراغ‌هاي جلو تك كاسه با لامپ H4 براي خودرو لوگان و همچنين در چراغ‌هاي جلو دو كاسه خودرو پژو پارس استفاده شده است. در چراغ‌هاي جلو دو كاسه براي نورپايين از لامپ هالوژني H7 و براي نور بال از لامپ هالوژني H1 و H7 استفاده مي‌شود. تكنيكي جديد كه توسط OEC AG براي طراحي اين سطوح آزاد توسعه داده شده است هر گونه نياز به تكه‌تكه كردن سطح را حذف كرده و اجازه مي‌دهد كه هر توزيع، روشنايي دلخواهي را با سطحي آزاد، يكپارچه و هموار به‌دست آورد.

در اين روش روشنايي در يك ناحيه ويژه از منطقه هدف، با انحناي سطح اپتيكي رفلكتور مربوط مي‌شود. سپس از حل معادله‌هاي ديفرانسيل با مشتقات جزيي حاصله، شكل سطح محاسبه مي‌شود. اين روش طراحي اين امكان را پديد مي‌آورد كه توزيع‌هاي نوري بي‌تلف توليد شود كه به‌طور شگفت‌آوري دقيق هستند. (شكل 7(

شكل 7: رفلكتور قطعه‌قطعه

ج- سيستم تطبيقي پيشرفته (AFS)

سيستم تطبيق پيشرفته چراغ جلو ساخت شركت Visteon، شامل بخش كنترلي الكترونيك است كه الگوي نور چراغ جلو را در جهتي كه شرايط رانندگي نياز دارد مانند سرعت و در جهت وسيله نقليه تنظيم مي‌كند. در هر يك از شرايط رانندگي، توزيع الگوي نور در جهت بهينه كه بستگي به شرايط رانندگي دارد تنظيم مي‌شود تا راننده بهترين ديد را داشته باشد. ان برتري ديد در شب، ايمني رانندگي را بيشتر و احتمال تصادفات را كاهش مي‌دهد. در شكل 8، نمونه الگوي نور چراغ تطبيقي نشان داده شده است. گردش چند درجه‌اي الگوي نور لامپ به سمت پيچ جاده توسط سيستم گردنده براي افزايش ديد راننده در شكل 8 و چراغ جانبي در هنگام پيچيدن ناگهاني نشان داده شده است.

شكل 8: الف) سيستم گردنده الگوي چراغ

ب) الگوي چراغ جانبي