آشنایی با سیستم‌های اپتیکی چراغ جلو

آشنایی با سیستم‌های اپتیکی چراغ جلو

الف- پروژکتورها و رفلکتورها هدف از سیستم اپتیکی خودرو، دستیابی به بازدهی هر چه بیشتر نور خروجی از چشمه نور، شکل‌دهی مناسب پرتوی نور و هدایت و متمرکز کردن آن در مناطقی است که برای راننده وسیله نقلیه ضروری می‌باشد. البته همه این شرایط با رعایت مقررات قانونی و استانداردها انجام می‌شود. در طراحی سیستم اپتیکی مناسب، معمولاً از نرم‌افزارهای بسیار پیشرفته رایانه‌ای مانندASAP به انضمام ماجول ELTM و رفلکتور CAD استفاده می‌شود. بخشی که در تمام سیستم‌های اپتیکی فعلی مشترک است رفلکتور می‌باشد. وظیفه رفلکتور، گرد آوردن نور تولید شده توسط لامپ و جهت‌دهی مناسب به آن است به‌گونه‌ای که پس از عبور از لنز، الگوی استانداردی ایجاد شود. رفلکتورها معمولاً از فلز و گاهی بامواد ترموست با تکنولوژی تولید قالب توده‌ای(BMC) ساخته می‌شوند و سطح آنها با لایه‌ای بازتابنده (آلومینیم) پوشانده می‌شود. لنز چراغ جلو یا بدون گذاشتن هیچ اثری اجازه می‌دهد که نور مستقیماً از آن بگذرد (رفلکتورهایMR). و یا در توزیع نور نقشی برعهده دارد. موادی که برای افزایش بازتاب نور، روی سطح رفلکتورها نشانده می‌شوند معمولاً به روش لایه نشانی در خلاء، با لایه‌ای از آلومینیم پوشانده می‌شود و برای پیشگیری از اکسید یا خورده شدن با لایه‌ای محافظ نظیر SiO2 پوشانده می‌شود.

ب- رفلکتور سهموی در این سیستم، رفلکتور تک کاسه به صورت یک سهموی است. چشمه نور در نزدیکی نقطه کانونی آن قرار می‌گیرد. لذا پرتوی تولید شده به میزان زیاد موازی است. سپس نور توسط عناصر اپتیکی دیگر که در جلوی سیستم قرار می‌گیرند (لنز و نقش‌های برجسته روی آن…) به صورت مناسبی توزیع می‌شود. شکل ۱، طرحی از عمل رفلکتور را نشان می‌دهد.

شکل ۱: چگونگی عمل رفلکتور

در این آرایش، شعاع‌های نور موازی هم می‌شوند و الگویی متقارن ایجاد می‌شود که می‌توان آن را به صورت یک پرتوی فشرده در آورد. اگر چشمه نور به رفلکتور نزدیک شود پرتو، پهن‌تر و گسترده‌تر می‌شود، در حالی که اگر چشمه نور از رفلکتور دور شود شعاع‌های نور همگرا می‌شوند. اگرچ رفلکتور سهموی بیشترین کارایی را در کاربردهایی دارد که نیاز به خط قطع تیز ندارند (نظیر الگوهای نور پرتوی پایین)، اما خوبی آن در این است که محدودیتی برای اندازه رفلکتور و لنز در این آرایش وجود ندارد. رفلکتورهای سهموی بزرگ‌تر، نور را بهتر کانونی می‌کنند و این امر آنها را برای کاربردهایی که محدودیت فضای نصب در جلوی خودرو وجود نداشته باشد، ایده‌آل می‌کند. بیشتر لامپ‌های هالوژنی که در سیستم‌های چراغ جلو به‌کار می‌روند دارای دو رشته (فیلامان) هستند، همچنین این سیستم‌ها دارای سپری سرخود برای ممانعت از گسیل نور در جهت‌های نامناسب می‌باشند یعنی نوار فلزی با طول و عرض مناسبی بر روی شیشه لامپ نشانده می‌شود. فیلامان مربوط به پرتوی پایین (نور پایین) چند میلی‌متر جلوتر و بالاتر از نقطه کانون رفلکتور قرار دارد به‌گونه‌ای که نور پرتوی پایین به سوی جلو و پایین بازتابیده می‌شود. رشته مربوط به نور پرتوی بالا دقیقاً در نقطه کانون رفلکتور قرار دارد و در نتیجه در این وضعیت نور مستقیماً به جلو بازتابیده می‌شود. سیستم‌های سهموی از ۱۹۱۰ میلادی استفاده شده‌اند. در این سیستم‌ها، سطح رفلکتور یک سهموی است (یک سهمی که حول محور خود دوران داده شده است). اگر از روبه‌رو به رفلکتور نگاه کنیم، بخش بالایی آن در نور پایین به‌کار می‌رود که در شکل ۲ مشخص شده است. در شکل ۳ نمایی جانبی از رفتار رفلکتور سهموی در تولید پرتوی پایین را می‌بینید.

شکل ۲: سطح مؤثر رفلکتور (نمای جلو(

شکل ۳: بازتاب نور بر روی سطح جاده (نمای جانبی(

چشمه نور به گونه‌ای مستقر می‌شود که نوری که از آن به سوی بالا تابیده می‌شود توسط رفلکتور به سوی پایین بازتابیده شده، از محور اپتیکی گذشته و روی جاده می‌افتد. و لنز شیشه‌ای یا پلی‌کربناتی پلاستیکی شیاردار نقش تعیین کننده در زمینه توزیع مناسب نور بر روی جاده را دارد (چراغ‌های جلو پژو و ۴۰۵و پراید در این گروه قرار دارد(

پ- رفلکتور شکل- آزاد (FF) در این سیستم هر بخش از سطح رفلکتور به روشن نمودن ناحیه معینی از جاده اختصاص داده می‌شود. برای طراحی سطح این نوع رفلکتورها از نرم‌افزارهای متعددی استفاده می‌شود. این سیستم از بقیه لحاظ، شبیه سیستم رفلکتور سهموی است. شکل۳، تصویری از یک رفلکتور شکل- آزاد را نشان می‌دهد. در فناوری FF )شکل آزاد یا سطح آزاد) با شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای، سطح رفلکتور و همچنین محل استقرار لامپ بهینه می‌شود. فناوری FF اجازه می‌دهد که سطح رفلکتور به صورت نقطه به نقطه محاسبه شود. چراغ‌های جلوی این گونه با لنز شفاف کاملاً قابل تشخیص هستند. فناوری FF این امکان را فراهم می‌کند که سطح رفلکتور به گونه‌ای طراحی شود که پرتو ایجاد شده شکل دلخواه و مناسب را دارا بوده و نیازی به ایفای نقش لنز در شکل‌دهی پرتو نباشد و تنها وظیفه لنز محافظت از بخش‌های حساس درون کاسه رفلکتور است.

شکل ۴: رفلکتور FF

ت- سیستم‌های پروژکتوری بیضوی در این سیستم‌ها، برای رفلکتور از الگوی FF به جای هندسه معمول استفاده می‌شود. سطح رفلکتور، سطحی بیضوی (یا تقریباً بیضوی) است. این رفلکتور نور تولید شده توسط چشمه نور را جمع می‌کند. چشمه نور در نزدیکی کانون اصلی یا نقطه معادل آن قرار دارد. سپس نور توسط رفلکتور به صفحه کانونی ثانوی که یک سپر فلزی در آن قرار دارد تابیده می‌شود. این سپر فلزی، الگوی اولیه‌ای به توزیع نور بر سطح جاده را می‌دهد. در این سیستم، لنز کاملاً شفاف است. شکل سپر، محل قرارگیری عمودی آن و فاصله آن تا چشمه از پارامترهای مؤثر در چگونگی توزیع نور بر سطح میدان دید راننده می‌باشد. مثالی از این وضعیت را در شکل ۵ می‌بینید. رفلکتور، پرتوهای نور یک چشمه نور را بر روی تصویر متمرکز می‌کند. تصویر می‌تواند اسلاید عکس باشد. یک عدسی محدب – تخت ، تصویر را بزرگ کرده و در فاصله‌ای مناسب به‌طور واضح بر پرده‌ای می‌اندازد. نام‌های دیگر «لنز بیضوی» یا «لنز جمع‌کننده» نیز می‌باشد. در سیستم پروژکتور خودرویی رفلکتوری که پشت چشمه نور قرار گرفته، مقدار هر چه بیشتری از نور را جمع‌آوری می‌کند و از بالای سپر قطع‌کننده عبور می‌دهد. سپس این نور توسط عدسی محدب – تخت به‌طور مناسبی توزیع می‌شود. این سیستم از بخش‌های زیر تشکیل شده است: ۱. چشمه نور ۲. رفلکتور ۳. سپر قطع‌کننده(کات آف) ۴. عدسی محدب – تخت

شکل ۵: چگونگی عمل سیستم پروژکتوری بیضوی

سازندگان چراغ جلوی خودرو معمولاً علاقه‌مندند که از یک سیستم پروژکتور واحد در چراغ جلوی وسایل نقلیه متفاوت استفاده کنند. این کار در بسیاری مواقع ممکن شده است، اما نکته مهم این است که بیشتر پروژکتورهای خودرویی، ظاهری تقریباً مشابه دارند. تنها تفاوت آنها در قطر و عمق است که همیشه متناسب است. هر چه عدسی محدب – تخت، بزرگ‌تر باشد پروژکتور دارای عمق بیشتری است. چراغ‌های جلو خودرو سمند از این تکنولوژی برای نور پایین استفاده می‌کنند و نوربالا از نوع رفلکتورهای شکل آزاد- قطعه قطعه (MR) میباشد. عدسی‌های محدب – تخت از نظر شکل ظاهر به سه گروه تقسیم می‌شوند: ۱. شفاف: بهترین روشنایی برای نورپایین را مطابق با استانداردهای ECE ، EEC )استانداردهای اروپا) فراهم می‌کند. ۲. شیاردار: به نام Fresnel نیز شناخته می‌شوند. کمترین روشنایی سوی پایین را دارد. نور کمی بشتر از بالای سپر قطع‌کننده عبور می‌کند و عموماً نور را به‌گونه‌ای بهتر می‌گستراند. معمولاً در پروژکتورهای DOT )استاندارد امریکای شمالی) استفاده می‌شود. ۳. نرم: مانند مورد بالا است، اما مقداری از نور را به سمت عقب به سوی رفلکتور باز می‌تاباند که به معنای بازدهی است. بر روی پروژکتورهای(DOT)اAcura Integra به کار می‌رود. شکل ۶، تصویر سه نوع عدسی محدب – تخت را نشان می‌دهد. نکاتی که در بالا گفته شد به این معنا نیست که یکی از این طرح‌ها بهتر از دیگری است. یک پروژکتور به صورت واحدی کامل طراحی می‌شود و کیفیت کلی و سطح خروجی نور از آن به عوامل دیگری نیز بستگی دارد. برای هر نوع رفلکتور، انتخاب نوع لامپ اهمیت زیادی دارد و بستگی به نوع لامپ، میزان نور تولید شده متفاوت است. در ضمن شکل هندسی لامپ و فیلامان در طراحی بسیار اهمیت دارد.

شکل۶: تصویری از ۳ نوع عدسی محدب – تخت

از راست به چپ: نوع نرم، نوع شیاردار یا فرنل و نوع شفاف

ث- رفلکتورهای شکل آزاد-قطعه قطعهMR در سال‌های اخیر برای چراغ‌های جلو پرتوی پایین با لامپ‌های هالوژنی از رفلکتورهای با شکل آزاد (قطعه قطعه) یا MR استفاده شده است. پیشرفت‌های حاصل شده در ساخت سطوح اپتیکی با شکل آزاد در کنار توسعه رایانه‌های قدرتمند لازم برای شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای نورسنجی مورد نیاز، امکان طراحی‌های بهینه را فراهم کرده است. این طراحی‌ها به‌گونه‌ای است که شکل بهینه هر قطعه از رفلکتورها محاسبه می‌شود. سپس این قطعات در کنار هم قرار گرفته و رفلکتور کامل را تشکیل می‌دهند. این تکنولوژی در چراغ‌های جلو تک کاسه با لامپ H4 برای خودرو لوگان و همچنین در چراغ‌های جلو دو کاسه خودرو پژو پارس استفاده شده است. در چراغ‌های جلو دو کاسه برای نورپایین از لامپ هالوژنی H7 و برای نور بال از لامپ هالوژنی H1 و H7 استفاده می‌شود. تکنیکی جدید که توسط OEC AG برای طراحی این سطوح آزاد توسعه داده شده است هر گونه نیاز به تکه‌تکه کردن سطح را حذف کرده و اجازه می‌دهد که هر توزیع، روشنایی دلخواهی را با سطحی آزاد، یکپارچه و هموار به‌دست آورد. در این روش روشنایی در یک ناحیه ویژه از منطقه هدف، با انحنای سطح اپتیکی رفلکتور مربوط می‌شود. سپس از حل معادله‌های دیفرانسیل با مشتقات جزیی حاصله، شکل سطح محاسبه می‌شود. این روش طراحی این امکان را پدید می‌آورد که توزیع‌های نوری بی‌تلف تولید شود که به‌طور شگفت‌آوری دقیق هستند. (شکل ۷(

شکل ۷: رفلکتور قطعه‌قطعه

ج- سیستم تطبیقی پیشرفته (AFS) سیستم تطبیق پیشرفته چراغ جلو ساخت شرکت Visteon، شامل بخش کنترلی الکترونیک است که الگوی نور چراغ جلو را در جهتی که شرایط رانندگی نیاز دارد مانند سرعت و در جهت وسیله نقلیه تنظیم می‌کند. در هر یک از شرایط رانندگی، توزیع الگوی نور در جهت بهینه که بستگی به شرایط رانندگی دارد تنظیم می‌شود تا راننده بهترین دید را داشته باشد. ان برتری دید در شب، ایمنی رانندگی را بیشتر و احتمال تصادفات را کاهش می‌دهد. در شکل ۸، نمونه الگوی نور چراغ تطبیقی نشان داده شده است.آموزش مکانیک گردش چند درجه‌ای الگوی نور لامپ به سمت پیچ جاده توسط سیستم گردنده برای افزایش دید راننده در شکل ۸ و چراغ جانبی در هنگام پیچیدن ناگهانی نشان داده شده است.

شکل ۸: الف) سیستم گردنده الگوی چراغ

ب) الگوی چراغ جانبی