Návrh světlovodů pro použití v automobilovém osvětlení
-- Mgr. Jan Martoch, Varroc Lighting Systems, s. r. o. --
Světlovody jsou dnes častým optickým prvkem využívaným v exteriérovém či interiérovém osvětlení vozidla, kde je zapotřebí světlo ze světelného zdroje prostorově rozložit tak, aby byly zvýrazněny důležité stylistické prvky, jakými jsou např. kontury kolem komor jednotlivých světelných funkcí, okrajů, popř. obrysy celé svítilny. Světlovody poskytují výrazné možnosti k vytvoření atraktivního vzhledu svítilen a jsou důležité v interiérovém osvětlení vozidla.
Obr. 1. Zadní svítilna se světlovody pro zadní obrysové světlo od firmy Varroc
Světlovod je optické zařízení určené k vedení světla navázaného ze světelného zdroje k bodu nebo soustavě bodů s minimální ztrátou energie. Vedení světla ve světlovodech je založeno na principu totálního odrazu světla. Světlovod je vyroben z opticky transparentních materiálů, přičemž pro použití v automobilovém průmyslu je využíván čirý plast.
Obr. 2. Příklad stylového řešení zvýraznění kontur komor pomocí světlovodu
Světlo navázané do světlovodu ze světelného zdroje, nejčastěji diody LED, se šíří podél optické osy světlovodem využívajíc totální odraz od válcových stěn světlovodu. Při porušení podmínek totálního odrazu (na světlovodu se nachází vyvazující optický prvek v podobě zubu nebo vrypu) je světlo vyvázáno ven ze světlovodu směrem k pozorovateli. Záměrným umístěním soustavy vrypů se docílí rovnoměrného rozsvícení celého světlovodu.
Světlovody použité v automobilovém osvětlení reprezentují signální světelné funkce, nejčastěji přední nebo zadní obrysové světlo. Se vzrůstající účinností světelných zdrojů světlovody postupně začínají představovat signální funkce s větším požadavkem na intenzitu vyzařovaného světla, jako např. denní světla v předních světlometech či brzdová nebo směrová světla v zadních svítilnách.
Ze stylového hlediska světlovody nabývají nejrůznějších tvarů, kdy např. obepínají komoru jiné světelné funkce, tj. vytvářejí konturu světlometu či svítilny, nebo vyplňují a rovnoměrně osvětlují rozsáhlou část svítilny.
Obr. 3. Odraz a lom paprsku v prostředí světlovou; pro Φi > Φc nastává totální odraz, tj. všechna energie paprsku se vrací do původního prostředí
Princip šíření světla ve světlovodu
Navázaný světelný paprsek ze zdroje světla se ve světlovodu šíří postupnými totálními odrazy od stěn světlovodu. Totální odraz nastává na rozhraní dvou prostředí o odlišné hodnotě indexu lomu. Šíří-li se paprsek světla pod úhlem Φi, který je větší než kritický úhel Φc z opticky hustšího prostředí (tj. prostředí o vyšší hodnotě indexu lomu do prostředí opticky řidšího, tj. o nižší hodnotě indexu lomu), nastává na rozhraní totální odraz (tj. energie světelného paprsku se se 100% účinnosti vrací zpět do původního, opticky hustšího prostředí). Tato situace je znázorněna na obr. 3. Hodnota kritického úhlu Φc je dána rovnicí:
kde
n1 je hodnota indexu lomu prvního, opticky hustšího prostředí,
n2 hodnota indexu lomu druhého, opticky řidšího prostředí.
V případě světlovodů pro použití v automobilech se hodnota indexu lomu pro většinu materiálů pohybuje kolem hodnoty 1,5 a světlovod je obklopen vzduchem o hodnotě indexu lomu 1.
Pro tento případ je světelný paprsek, který dopadne pod úhlem Φi větším než 42°, vrácen zpět do původního prostředí.
Rovnoměrné vyvázání paprsku světla ze světlovodu
K vyvázání paprsku ze světlovodu se používá soustava zubů podél světlovodu, která změní dráhu paprsku tak, aby byla porušena podmínka totálního odrazu.
Dochází k tomu, že paprsek dopadající na vyvazující zub světlovodu je pomocí totálního odrazu vrácen zpět do materiálu světlovodu, kde se šíří k protější válcové ploše. Na této ploše se paprsek láme a opouští světlovod. Soustava zubů světlovodu je přitom navržena tak, aby směr vyvázaného světla ze světlovodu byl přesně vymezen. Hlavními faktory určujícími fotometrický výstup ze světlovodu jsou tvar soustavy vyvazujících zubů a úhel, který svírá zub s podélnou osou světlovodu, tvar průřezu světlovodu, úhel, který svírá podélná osa světlovodu s vektorem reprezentujícím směr požadovaného výstupu světla, a rovněž správná volba pozice světelného zdroje, tj. na který konec světlovodu je světelný zdroj umístěn.
Použití světlovodů ve světlometech a svítilnách vyžaduje, aby světlovod reprezentoval předem určenou světelnou funkci, nejčastěji přední nebo zadní obrysovou funkci, a tedy zákonnými předpisy je definováno světelné rozložení vyzařujícího světla světlovodem. Soustava zubů a její správné zatočení k ose světlovodu tento požadavek zajišťují. Zuby jsou navrženy jednak na přímé světlo dopadající ze světelného zdroje a na světlo, které je již odraženo od stěn světlovodu; situace je znázorněna na obr. 4.
Obr. 4. Zuby v blízkosti světelného zdroje jsou navrženy na dopad přímého světla, zuby ke konci světlovodu na světlo již odražené
Dalším důležitým parametrem, který značně ovlivňuje konečnou distribuci světla a zároveň má i podstatný vliv na rovnoměrné rozložení světla podél světlovodu, je tvar průřezu světlovodu. V praxi se lze nejčastěji setkat se dvěma typy průřezů světlovodů – kruhovým profilem a hřibovým profilem (obr. 5). Výhodou hřibového profilu je snazší možnost nastavit rozptyl světla v ose kolmé na světlovod, který je řízen hodnotou rádia výstupní válcové čočky světlovodu.
Obr. 5. Příklad geometrického tvaru křivky určující průřez světlovodem
V obou případech jsou vyvazující zuby umístěny na pomocnou rovinnou plochu, jejíž výška je dána velikostí úhlu α. Ačkoliv v realitě je výška zubů přibližně jedna třetina průměru světlovodu, z čelního pohledu se zuby jeví rozšířené přes celý světlovod; to je právě zásluhou válcové čočky tvořící výstupní plochu světlovodu. Výška zubů je jeden z důležitých parametrů ovlivňujících celkovou fotometrii a rozsvícený vzhled světlovodu. V moderních světlometech a svítilnách již nelze vystačit se světlovody orientovanými kolmo k ose svícení. Světlovod má plně prostorový (3D) tvar, kopírující např. tvar skla svítilny. V tomto případě je křivka určující geometrický tvar světlovodu tažena po 3D křivce reprezentující vodicí křivku budoucího světlovodu. Při této konstrukci platí, že podkladová plocha pro budoucí soustavu vyvazujících zubů musí být konstruována tak, aby byla kolmá na požadovaný směr vyzařovaného světla.
Obr. 6. Efektivní umístění zdroje světla vzhledem ke světlovodu
Natočení zubů světlovodů je dále ovlivněno geometrickým tvarem světlovodu, pro každý zub je nutné určit tečný úhel β mezi tečnou v daném bodě a požadovaným směrem vyzařovaného světla a o poloviční hodnotu tohoto úhlu natočit vyvazující zub světlovodu. V případě znázorněném na obr. 6 paprsek dopadá na zub světlovodu, na kterém pak nastává totální odraz světla směrem do materiálu světlovodu. Tento totálně odražený paprsek se dále lomí na válcové čočce světlovodu do požadovaného, předem definovaného směru. Při umístění světelného zdroje na opačnou stranu světlovodu jde opět o takovou geometrickou podobu zubu světlovodu, aby zub posílal světlo do správného směru, ale již nedochází k totálnímu odrazu dopadajícího světla na přivrácené ploše zubu, ale pouze k tzv. Fresnelovu odrazu světla. Pro totální odraz se uvažuje 100% účinnost odraženého světla, pro Fresnelův odraz je možné počítat s účinností odrazu pouze 4 až 10 %, zbytek světla se ztrácí. To je důvod, proč u světlovodů orientovaných v 3D prostoru záleží na pozici světelného zdroje, tj. odkud bude světlovod napájen. Při vypracovávání návrhu zubů je dále důležité dbát na to, aby zuby nejen posílaly světlo do správného směru, ale také rozdělily energii světla tak, aby celý světlovod svítil rovnoměrně. Obr. 7 znázorňuje standardní světlovod, který má na straně světelného zdroje velmi malé zuby v řádu desetin milimetrů, jejichž hloubka a šířka postupně narůstají.
Obr. 7. Typické zuby na začátku a konci světlovodu
Vzdálenost mezi vrcholky jednotlivých zubů je konstantní a z kraje světlovodu jsou mezery mezi malými zuby vyplněny rovinnou plochou, na které dochází k totálnímu odrazu světla, a ona tak napomáhá k šíření světla světlovodem k získání co možná nejrovnoměrnějšího rozložení výstupního světla.
Simulace rovnoměrného rozložení světla podél světlovodu. Lze říci, že typický světlovod bude homogenní (tj. rozložení světla podél světlovodu se bude pozorovateli jevit rovnoměrné), jestliže poměr mezi jasem světlovodu na začátku (tj. na straně přilehlé ke světelnému zdroji) a jasem na opačném konci světlovodu bude 3 : 1. Znamená to, že na konci světlovodu může být třetinový jas oproti začátku. Toto ovšem platí pouze tehdy, je-li zaručeno, že jas světlovodu klesá postupně, a ne ve skocích, které by již byly viditelné. Jako typický je uvažován světlovod delší než 100 mm.
Obr. 8. Příklad jasové křivky světlovodu; plochá křivka bez výrazných maxim nebo minim ukazuje homogenní rozsvícený vzhled světlovodu
Simulační CAE program dokáže spočítat rozložení světla podél světlovodu na základě metody zvané ray-tracing. Při činitele odrazu na leštěných nebo matných plochách apod. Výsledkem je soubor paprsků zachycených na výstupní ploše světlovodu, popř. na pomocné ploše, která kopíruje výstupní plochu světlovodu.
Tento soubor je dále softwarově zpracováván tak, že vzniká obrázek podobný budoucí fotografii světlovodu; následně je možné určit charakteristiku představující jasovou křivku světlovodu. Z jasové křivky je možné odečíst hodnotu minimálního a maximálního jasu a také říci, zda se jas světla vyzařovaného světlovodem mění kontinuálně, nebo ve skocích.
Obr. 9. Světlovod pro zadní obrysovou svítilnu
Závěr
Je možné říci, že světlovody se v posledních několika letech stávají jedním ze základních stylových prvků světlometů a svítilen, kde jsou především využívány pro obrysové svícení. Světlovod také často doplňuje nebo zvýrazňuje jinou signální funkci ve svítilně tak, aby např. vynikla její důležitá linka nebo obrys.
Tato technika se navíc postupně přesouvá z vozidel nejvyšší třídy na vozidla střední, nebo dokonce i nižší třídy. Postupným zvyšování světelného toku diod LED rovněž vzrůstá využitelnost světlovodů na další světelné funkce, např. v poslední době se světlovody používají pro denní svícení.
Varroc Lighting Systems, s. r. o.
Suvorovova 195
742 42 Šenov u Nového Jičína
tel.: +420 556 623 111
e-mail: dotazy@varroclighting.com
www.varrocgroup.com
Varroc Lighting Systems
Varroc Lighting Systems, s. r. o., je globální centrum vývoje a přední světový výrobce vnějšího osvětlení automobilů. Zákazníky společnosti jsou významní výrobci automobilů, včetně prémiových značek. V České republice Varroc provozuje výzkum, aplikační vývoj a výrobu předních světlometů, zadních svítilen a elektronických řídicích systémů pro automobilový průmysl. S více než 2 300 zaměstnanci patří k významným zaměstnavatelům v Moravskoslezském kraji i v celé České republice.
Varroc Lighting Systems působí v České republice se třemi výrobními závody, nástrojárnou a globálním vývojovým centrem ve třech lokalitách – Nový Jičín, Rychvald a Ostrava. Varroc má silné postavení ve výzkumu, vývoji a inovacích, díky čemuž patří ke světovým vedoucím firmám v oboru světelné techniky.
Společnost je součástí skupiny Varroc Group, která je vlastněna indickým kapitálem a působí jako globální výrobce komponentů pro automobily a trh s dvoustopými vozidly. Skupina Varroc Group 1. srpna 2012 ukončila akvizici divize světelné techniky korporace Visteon; nově divize působí pod značkou Varroc Lighting Systems a sídlí v Plymouthu v Michiganu v USA.