Автомобільна оптика пройшла довгий шлях розвитку з моменту її появи на транспортних засобах. Датою народження автомобільних освітлювальних приладів можна вважати 1896 рік.
До теперішнього часу оптика зазнала багато змін і удосконалень. І зараз повсюдно поширені адаптивні оптичні системи.
Ні для кого не секрет, що системи освітлення та світлової сигналізації в такому вигляді, в якому ми звикли їх бачити на сучасних автомобілях, з'явилися не відразу, а відносно недавно. Автомобільна оптика пройшла довгий шлях розвитку з моменту її появи на транспортних засобах. Якщо не брати до уваги ліхтарі, які працювали на гасі, що не висвітлювали дорогу, а, скоріше, служили для позначення рухомого екіпажу, то датою народження автомобільних освітлювальних приладів можна вважати 1896 - саме тоді авіаконструктор Луї Блеріо запропонував використовувати на автомобілях ацетиленові світильники.
Щоб «включити» таку нескладну по конструкції фару потрібен час і деякі навички. Для початку потрібно засипати карбід кальцію F (Рис. 1) в відведену для цього ємність, потім через пробку H залити воду. За допомогою клапана G можна регулювати кількість води, що подається в реакторну трубку. В процесі реакції карбіду з водою виділявся горючий газ ацетилен, який по шлангу D подавався до пальника A в фарі. Через деякий час після початку реакції можна було запалити пальник сірником. Полум'я пальника відбивалося від дзеркала B і фокусувалася на дорозі.
Мал. 1. Пристрій ацетиленового фари
Світло від ацетиленового фари був теплого спектру (Рис. 2) і, завдяки параболічного відбивача, винайденому Іваном Кулібіни, висвітлював дорогу перед автомобілем на сотню метрів. Основним недоліком такого типу фар було мале час роботи через необхідність поповнювати запас карбіду і води, а також видаляти з пальника і відбивача сажу і кіптяву.
Мал. 2. Ацетиленовий фара
Подальшою еволюцією автомобільних фар стали фари з лампами розжарювання. Перша фара такого типу була виготовлена в 1899 році французькою фірмою «Bassee Michel ». Її зробили за моделлю Едісона з вугільною ниткою (Рис. 3), однак, така конструкція виявилося невдалою і малопридатною для автомобіля - велика витрата електроенергії вимагав наявності на автомобілі важких акумуляторних батарей, які, в свою чергу, потребували частих зарядках - генератори на той момент в автомобілях не застосовувалися. До того ж, вугільні нитки ламп розжарювання були дуже чутливі до трясці на нерівностях і швидко виходили з ладу.
Мал. 3. Лампа розжарювання з вугільною ниткою (ліворуч) і перша розжарювання з вольфрамової ниткою
Мал. 4. Cadillac Model 30 Self Starter
Фари з лампами розжарювання породили іншу проблему - вони зліпили яскравим світлом зустрічних водіїв. Спочатку з цим намагалися боротися механічним способом - установкою з зовнішньої сторони фар різних засувок і шторок. Так, фірма «Zeiss» пропонувала оптику, в якій за допомогою електромагнітів перед лампочкою висувався фільтр з жовтого скла. Потім яскравість світла стали зменшувати, включаючи в систему додатковий опір, снижавшее напруження нитки. А в 1919 році «Bosch» знайшла оптимальне рішення - це була лампочка з двома нитками розжарювання, для далекого і ближнього світла. Тоді вже замість звичайного скла застосовувався розсіювач з призматичними лінзами, що відхиляють світло вниз, на дорогу. З тих пір перед конструкторами стоять дві протилежні завдання: максимально освітити дорогу і не допустити засліплення зустрічних водіїв. Приблизно в той же час лампи розжарювання стали заповнювати сумішшю аргону і азоту, який перешкоджав випаровуванню вольфраму з нитки, що сприятливо позначалося на довговічності ламп. У 50-ті роки термін їх служби стали продовжувати за допомогою галогенідів - газоподібних сполук йоду або брому. У такій лампі галогенний газ вступав в з'єднання з випарувався вольфрамом, потім при високих температурах це з'єднання розпадалося на складові речовини, і атоми вольфраму осідали на спіралі. Першу галогеновую лампу в 1962 році на автомобільному ринку представила фірма «Hella». Технологія заповнення колби галогенами дозволила підняти робочу температуру з 2500К до 3200К. Це збільшило світловіддачу в півтора рази - з 15 лм / Вт до 25 лм / Вт. При цьому ресурс ламп зріс удвічі, тепловіддача знизилася з 90% до 40%, а розміри стали менше (галогенний цикл вимагає близькості нитки і скляної колби). Головний крок у вирішенні проблеми засліплення був зроблений в 1955 році - французька фірма «Cibie» запропонувала ідею асиметричного розподілу ближнього світла для того, щоб права узбіччя висвітлювалася далі лівої. І через два роки асиметричний світло в Європі був узаконений. Аж до 1961 року фари автомобіля були круглої форми - вперше прямокутні фари стали встановлюватися на Citroen AMI 6 (Рис. 5). Такі фари були складніше у виробництві, вимагали більшого підкапотного простору, але разом з меншими вертикальними габаритами мали велику площу відбивача і збільшений светопотока.
Мал. 5. Citroen AMI 6
Щоб змусити таку фару яскраво світити при менших габаритах, слід було надати параболічного відбивача (в прямокутних фарах - усічений параболоїд) ще більшу глибину. Це було занадто багато, тому звичні оптичні схеми для подальшого розвитку не годилися. Тоді англійська фірма «Lucas» запропонувала використовувати гомофокальний відбивач - комбінацію двох усічених параболоїдів з різними фокусними відстанями, але із загальним фокусом. Одним з перших новинку приміряв Austin-Rover Maestro в 1983 році. У тому ж році фірма «Hella» представила концептуальну розробку - «тривісні» фари з відбивачем еліпсоїдної форми (DE, DreiachsEllipsoid). Справа в тому, що у еліпсоїдного відбивача відразу два фокуси. Промені, випущені галогенною лампою з першого фокуса, збираються в другому, звідки направляються в збиральну лінзу. Такий тип фар називають прожекторним. Ефективність еліпсоїдної фари в режимі ближнього світла перевершувала параболічну на 9% (звичайні фари відправляли за призначенням лише 27% світла) при діаметрі всього в 60 міліметрів. Ці фари призначалися для протитуманного і ближнього світла (у другому фокусі розміщувався екран, що створює асиметричну светотеневую кордон). А першим серійним автомобілем з «тривісними» фарами стала BMW сьомої серії в Наприкінці 1986 роки (Рис. 6). Ще через два роки «Hella» представила еліпсоїдні фари Super DE. На цей раз профіль відбивача відрізнявся від чисто еліпсоїдної форми - він був «вільним», розрахованим таким чином, щоб основна частина світла проходила над екраном, що відповідає за ближнє світло. Ефективність фар зросла до 52%.
Мал. 6. BMW 7 серії Е32
Мал. 7. Газорозрядна лампа
Газорозрядні лампи на голову ефективніше найдосконаліших ламп розжарювання - на даремний нагрів тут витрачається не 40% електроенергії, а всього 7-8%. Відповідно, газорозрядні лампи споживають менше енергії (35 Вт проти 55 Вт у галогенних) і світять при цьому вдвічі яскравіше (3200 лм проти 1500 лм). А оскільки нитки немає, то і дмухнути нічому - ксенонові газорозрядні лампи служать набагато довше звичайних. Але влаштовані газорозрядні лампи складніше. Головне завдання - запалити газовий розряд. Для цього потрібен короткий імпульс з 25 кіловольт - причому змінного струму, з частотою до 400 Гц! Для цього служить спеціальний блок розпалу. Коли лампа запалилася (для розігріву потрібен якийсь час), електроніка знижує напругу до 85 вольт, достатніх для підтримки розряду. Висока світловіддача газорозрядних джерел світла зажадала впровадження автоматичного коректора нахилу пучка світла, а так само омивача фар високого тиску (Рис. 8). Без всього цього можливо сильне осліплення зустрічних водіїв.
Мал. 8. Омивач фари
Складність конструкції і інерція при запалюванні обмежили початкове застосування газорозрядних ламп режимом ближнього світла. Дальнє світло використовував галогенну лампу. Об'єднати ближній і дальнє світло в одній фарі конструктори змогли через шість років, причому існує два способи отримати «біксенон». Якщо використовується прожекторні фара (як та, що придумала «Hella»), то перемикання режимів світла здійснюється екраном, що знаходяться в другому фокусі еліпсоїдного відбивача: в режимі ближнього світла він відсікає частину променів. При включенні дальнього світла екран ховається і не перешкоджає світловому потоку. А в що відбиває типі фар «подвійну дію» газорозрядної лампи забезпечується взаємним переміщенням рефлектора і джерела світла. У підсумку, слідом за фокусною відстанню змінюється і светораспределение. Але за даними французької фірми «Valeo», застосувавши окремі газорозрядні лампи для ближнього і дальнього світла, можна досягти на 40% кращої освітленості, ніж у «біксенона». Правда, модулів запалювання потрібно вже не два, а чотири - такі фари має Volkswagen Phaeton W12, наприклад (Рис. 9).
Мал. 9. Фара Volkswagen Phaeton W12
Незважаючи на численні переваги газорозрядних ламп над усіма іншими, вони поступово втрачають популярність, поступаючись светодиодам. До недавнього часу їх світловіддача була занадто мала, щоб використовувати їх в якості основного світла, тому спочатку їм знайшли застосування в денних ходових вогнях. Але технології стрімко розвивалися, і ось вперше повністю світлодіодний ближнє світло з'явився на Audi A8. Нові світлодіодні фари Matrix LED - одна з найпомітніших інновацій на модернізованому Audi А8, причому помітних не тільки зовні. Головне - їх начинка: матриця з 25 потужних світлодіодів (Рис. 10), незалежне включення і відключення яких дозволяє змінювати форму світлового пучка фар і тим самим запобігати осліплення зустрічних водіїв і забезпечувати підсвічування поворотів.
Мал. 10. Фара Matrix LED Audi A8
Незважаючи на складність конструкції, подібні технології вже починають впроваджувати в свої автомобілі деякі виробники преміум-сегмента. Наприклад, новий KIA Quoris хизується двома матрицями з чотирьох світлодіодів (Рис. 11). Ще у світлодіодів є великий недолік - вони дуже чутливі до температури навколишнього середовища і потребують охолодження при роботі.
Мал. 11. Світлодіодні матриці KIA Quoris
Серед останніх новинок - лазерні фари BMW i8. Під лазерним світлом баварці мають на увазі люмінофорні фари з лазерним збудженням. У кожній фарі три мікроскопічних лазерних діода (вони компактніше традиційних в десять разів) з синім випромінюванням (довжина хвилі 450-480 нм). Воно спрямоване на люминесцирующий напівпровідник - люмінофор. Це фосфорна точка діаметром 0,4 мм, яку лазерні промені розігрівають до 200ºС! Сині промені проходять через фосфор, тисячократно посилюються і перетворюються в пучок білого світла, який б'є в відбивач. Він теж надкомпактний: висота всього 30 мм проти звичних дев'яноста. Темряву такі фари прорізають приємним оку яскравим білим світлом, причому висвітлюють дорогу набагато ефективніше газорозрядних фар (вони на фото зліва). Дальнє світло ефективний на дистанції до 600 м (Рис. 12)! Оскільки лазерне світло монохромний, пучок виходить дуже чіткий. Його можна налаштувати гранично точно. За це відповідає High Beam Assistant, який стежить за тим, щоб дальнє світло не сліпив як зустрічних водіїв, так і попутних.
Мал. 12. Лазерно-люмінофорні фари BMW i8 в режимі ближнього (зліва) і дальнього світла
Можна нескінченно удосконалювати джерела світла в автомобільних фарах, але поліпшити ефективність головного світла можна і іншими способами! Уже в другій половині минулого століття інженери намагалися адаптувати світло фар під умови руху. Так в 1967 році на Citroën DS23 з'явилися здвоєні фари, що розташовувалися під загальним розсіювачем. При цьому внутрішня поверталася разом з поворотом керма, а зовнішня змінювала свій нахил в залежності від завантаження автомобіля (Рис. 13).
Мал. 13. Поворотні фари Citroën DS23
Більшого поширення отримав принцип підсвічування повороту відповідної противотуманной фарою або додатковою секцією в фарі (Рис. 14).
Мал. 14. Додаткова секція освітлення повороту в фарі (показана стрілкою)
З появою газорозрядних джерел світла в фарах виникла необхідність динамічно коригувати кут нахилу пучка світла, щоб виключити осліплення інших водіїв. Система складається з датчика положення кузова, який, як правило, пов'язаний із задньою віссю автомобіля, керуючого модуля і сервоприводу нахилу лінзи в фарі. Слідом за цим фару «навчили» повертати лінзу не тільки у вертикальній площині, а й у горизонтальній. Це дозволило динамічно коригувати кут повороту світла фар в залежності від повороту керма. Сучасна ж оптика вміє змінювати пучок світла перед автомобіля в залежності від швидкості автомобіля, погодних умов (дощ, туман). Наприклад, фари Skoda A7 мають наступні режими роботи фар: місто, траса, магістраль, поворот і перехрестя (Рис. 15).
Мал. 15. Режими роботи головного освітлення Skoda A7: 1-режим «перехрестя»; 2-міський режим; 3-режим «траса»; 4-режим повороту; 5-режим «магістраль»
Провідні світові автовиробники пішли ще далі - вони «навчили» оптику змінювати напрямок світлового пучка в залежності від руху зустрічних або попутних автомобілів, пішоходів, зв'язали модуль управління світлом з навігаційною системою, щоб заздалегідь підсвічувати повороти.
Технології не стоять на місці. Не так давно з'явилися лазерно-люмінофорні фари, але і вони колись кануть в лету і на автомобілі прийдуть принципово нові джерела світла.