Физические основы действия элементов автомобильной фары и прибора для проверки и регулировки света фар

Несмотря на различия по форме, конструкции, цвету, материалам можно выделить следующее общее устройство фары: корпус, источник света, отражатель (рефлектор) и рассеиватель. Отражатель в конструкции фары отвечает за формирование пучка света. Простейший отражатель имеет параболическую форму. Современные отражатели имеют более сложную форму. Отражатель изготавливается из пластмассы, а для создания зеркальной поверхности наносится тонкая плёнка алюминия и покрывается лаком. Перед лампой на отражателе установлен экран-колпачок, предотвращающий ослепление водителей встречных транспортных средств прямыми лучами лампы.

Рассеиватель пропускает световой поток и в зависимости от конструкции преломляет его. Другая функция рассеивателя – защита фары от внешних воздействий. Сейчас рассеиватели изготавливают из прозрачного пластика, реже из стекла. С внутренней стороны которого выполнена сложная система линз и призм, которые являются простейшими оптическими приборами, которые изучают в теме физики «Геометрическая оптика». Ход лучей в этих приборах рассмотрим ниже.

Схема оптической камеры прибора для проверки и регулировки света фар

Основным узлом прибора для регулировки света фар является оптическая камера. Камера состоит из линзы Френеля 1, фокусирующей свет фар на расположенный от неё на расстоянии 100,500 мм экран 6. Экран снабжен устройством 2 для перемещения в вертикальной плоскости (стойки), а на его поверхности нанесена разметка. В фокусе линзы установлен фотоэлемент 3, который через выключатель 5 подключается к показывающему прибору 4.

Применение линзы Френеля обусловлено тем, что в случае перпендикулярности входящего светового потока к плоскости линзы изображение на измерительном экране при смещении геометрического центра фары относительно центра линзы в пределах ± 30 мм во всех направлениях не изменяется. Это значительно ускоряет процесс проверки, так как отпадает необходимость чёткого совмещения центров линзы и проверяемой фары.

Сила света фонарей (сигналов торможения, габаритных огней, указателей поворотов и аварийной сигнализации и др.) измеряется с помощью пары фотоэлемент — микроамперметр. Модель прибора для проверки света фар ОПК (ГАРО), оснащены устройством для автоматического измерения частоты следования проблесков указателей поворотов.

Ход световых лучей на границе раздела двух сред (отражение и преломление).

Рассмотрим физические теоретические основы действия элементов автомобильной фары и прибора для проверки и регулировки света фар.

Геометрическая оптика – раздел оптики, в котором распространение света рассматривают на основе представлений о свете как о совокупности световых лучей.

Электромагнитные волны, в том числе и световые, могут распространяться не только в вакууме, но и в различных средах. При этом происходит взаимодействие электромагнитного излучения с веществом. Рассмотрим, как проходит свет через границу раздела двух прозрачных сред (например, воздух-вода). Тонкий световой пучок, падая на границу раздела, частично отражается и частично преломляется. Отражение света — явление, в результате которого электромагнитная волна (свет) изменяет направление своего распространения (вплоть до противоположного), оставаясь в первой среде. Законы отражения (рисунок выше):

1. луч падающий, луч отражённый и перпендикуляр, восставленный в точке падения луча к границе раздела двух сред, лежат в одной плоскости;
2. угол падения равен углу отражения (<α = <γ).

Ход световых лучей в рефлекторной фаре с параболическим отражателем в режиме ближнего света

Различают два вида отражения света: зеркальное и диффузное (рассеянное). Принцип работы рефлекторной фары с параболическим отражателем в режиме ближнего света схематически изображён на рисунке. Лучи, исходящие из источника света, расположенного в фокусе параболического рефлектора, после отражения формируют пучок ближнего света, который направлен под небольшим наклоном вниз, обеспечивая необходимое положение светотеневой границы. Всё сказанное справедливо только для хода основных лучей, которые отразились зеркально. Но помимо их, как видно из рисунка, существуют ещё и диффузно отражённые лучи, которые светят и вниз, и влево-вправо, и вверх, попадая в том числе и выше светотеневой границы.

Преломлением света называют изменение направления распространения волн (света) при переходе из одной среды в другую. Законы преломления:

1. луч падающий, луч преломлённый и перпендикуляр, восставленный в точке падения луча к границе раздела двух сред, лежат в одной плоскости;

1. отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред и называется относительным показателем преломления второй среды относительно первой (n₂₁):

Хорошо проявляются законы преломления в линзах. Линзы входят в состав более сложных оптических приборов. Линзой называется прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями. Если толщина самой линзы мала по сравнению с радиусами кривизны сферических поверхностей, то линзу называют тонкой. Линзы бывают собирающими и рассеивающими. Собирающая линза в середине толще, чем у краёв, рассеивающая линза, наоборот, в средней части тоньше. Если на линзу направить пучок лучей, параллельных главной оптической оси, то после прохождения через линзу лучи (или их продолжения) соберутся в одной точке F, которая называется главным фокусом линзы. Величину D, обратную фокусному расстоянию, называют оптической силой линзы. Единица измерения оптической силы является 1 диоптрия (дптр). Диоптрия – оптическая сила линзы с фокусным расстоянием 1 м: 1 дптр = 1 м^–1.

Ход лучей в линзе Френеля

В приборе для проверки и регулировки света фар в оптической камере установлена линза, являющаяся линзой Френеля. Линза Френеля — сложная составная линза, образованная совокупностью концентрических колец относительно небольшой толщины, примыкающих друг к другу. Сечение каждого из колец имеет форму треугольника, одна из сторон которого криволинейна, и это сечение представляет собой элемент сечения сплошной сферической линзы. Благодаря такой конструкции линза Френеля имеет малую толщину и вес даже при большой угловой апертуре. Сечения колец у линзы строятся таким образом, чтобы снижалась её сферическая аберрация, и лучи точечного источника, помещённого в фокусе линзы, после преломления в кольцах выходят практически параллельным пучком

Призма — оптический элемент из прозрачного материала в форме геометрического тела — призмы, имеющая плоские полированные грани, через которые входит и выходит свет. Свет в призме преломляется. Важнейшей характеристикой призмы является показатель преломления материала, из которого она изготовлена. Простейшим типом призмы является треугольная призма, то есть тело, представляющее собой геометрическую фигуру призма с двумя треугольными основаниями и тремя боковыми гранями в форме прямоугольников. На рисунке приведены примеры хода лучей в призмах в зависимости от их падения на призму.

Фотометрия — раздел физической оптики и метрологии, в котором рассматриваются энергетические характеристики оптического излучения в процессах его испускания, распространения и взаимодействия с веществом.

Поток излучения Φ представляет собой среднюю мощность излучения за время, значительно больше периода колебаний волны; он характеризует полную энергию переносимую электромагнитной волной через какую-либо поверхность за единицу времени: . Единицей потока излучения является 1 Вт (Ватт; 1 ). Мощность излучения, приходящегося на видимый участок спектра (электромагнитные излучения с частотами от 3,9∙10¹⁴ до 7,5∙10¹⁴ Гц или с длинами волн от 760 до 400 нм), воспринимаемого глазом, называют световым потоком Φ₀. В СИ единицей светового потока служит 1 лм (люмен): 1 лм соответствует мощности излучения монохроматического источника на длине волны 555 нм (частоте 5,4∙10¹⁴ Гц), равной .

Сила света вводится в оптике специально как важнейшая характеристика ламп и других точечных источников света. При этом источник называется точечным, если его размеры значительно меньше расстояния от источника до освещаемой поверхности и он излучает свет равномерно во все стороны.

Сила света I точечного источника в данном направлении равна отношению светового потока Φ к телесному углу Ω, внутри которого этот поток распространяется, т.е. .

Если источник точечный, то Ω=4π ср (стерадиан) и , где — полный световой поток, излучаемый источником по всем направлениям. Единицей силы света в СИ служит кандела (кд), определяемая с помощью специального эталонного точечного источника света. Таким образом, по определению, .