Оптические системы светофоров

Основы сигнализации и сигнальные устройства

Все сигналы делятся на видимые и звуковые.

Видимые сигналы на железнодорожном транспорте выражаются цветом, режимом горения ламп, формой, положением и числом сигнальных показаний.

В качестве основных сигнальных цветов приняты зеленый, желтый и красный. Они максимально отличаются друг от друга, правильно воспринимаются органами зрения при любых атмосферных явлениях как днем, так и ночью.

При маневровой работе используются лунно-белый и синий огни, соответственно разрешающий и запрещающий передвижение.

Основным сигнальным устройством, подающим сигнальные показания цветными огнями, является светофор (линзовый или прожекторный) .

Требуемая окраска сигнальных огней получается при помощи светофильтров, выполненных в виде вогнуто-выпуклых цветных линз в линзовых светофорах или цветных дисков (ø25мм) в прожекторных светофорах.

При прохождении через светофильтр из светового потока от электрической лампы пропускаются только лучи определенной части спектра. Эти лучи и воспринимаются глазом в виде того или другого цвета. Остальная часть лучей поглощается светофильтром.

Отношение светового потока, прошедшего через фильтр, ко всему падающему на него потоку называется коэффициентом спектрального пропускания (τ) и, чем больше этот коэффициент, тем лучше видимость светового пучка после светофильтра.

Подбор окраски светофильтров весьма важен для четкого отличия цвета одного сигнала от другого независимо от состояния атмосферы и источника света, поэтому правилами технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации (ПТЭ) [1] запрещается применять в светофорах стекла и линзы, имеющие окраску, не соответствующую установленным стандартам.

Оптические системы светофоров

В оптической системе световой поток источника света окрашивается и преобразуется в параллельный пучок лучей с увеличенной силой света. Это преобразование называется коллимация и выполняется с помощью собирательных линз (рис. 1).

Рис. 1. Усиление света линзой

Источник света 1 создает световой поток 2 со средней силой света I₁ и углом рассеяния α. При прохождении светового потока через линзу 3 лучи преломляются и выходят из линзы уже в виде более узкого пучка 4 со средней силой света I₂ и углом рассеяния β.

Отношение I₂/I₁, показывающее, во сколько раз средняя сила света пучка, вышедшего из линзы, больше силы света пучка, упавшего от источника света на линзу, называется средним усилением линзы Y.

Если выразить силу света через площади светящихся поверхностей линзы и источника света и учесть потери в оптике, то получим

,

где: D - диаметр линзы;

d - диаметр источника света;

k₁ - коэффициент потерь в оптике.

Из полученного выражения следует, что для большего усиления следует увеличивать диаметр оптики и уменьшать размеры светящегося тела источника света, а получение параллельно исходящего пучка лучей возможно, если источник света в виде геометрической точки будет помещен точно в фокусе линзы. Сама же линза должна быть изготовлена во всех частях с точным соблюдением требований формы и однородности материала (в отношении коэффициента преломления).

В действительности указанные условия в большей или меньшей степени не выполняются:

а) источник света представляет не точку, а имеет реальную протяженность;

б) положение источника света может не совпадать с точкой фокуса;

в) линзы несовершенны и обладают сферической аберрацией, т.е. имеют вместо точечного фокуса размытое пятно в виде круга.

Причем, явление аберрации тем больше, чем массивнее линза и короче её фокусное расстояние.

В результате перечисленных выше отклонений пучок лучей света вместо параллельного получается расходящимся или сходящимся, или отклоненным в ту или другую сторону от оптической оси, что ухудшает условия правильного и своевременного восприятия сигнала с приближающегося поезда.

Улучшение видимости светофорных огней достигается несколькими способами. Для уменьшения аберрации одной из поверхностей линзы придают специальное очертание - асферическое; такая линза имеет высокие положительные качества, но изготовление обходится довольно дорого.

Чтобы уменьшить массу и облегчить изготовление линз, инженер

А. Френель предложил наружную поверхность линзы делать ступенчатой, состоящей из ряда концентрических колец с асферической поверхностью

(рис. 2). Такая линза преломляет лучи тождественно массивной - асферической, но путь луча в массе стекла укорачивается, в результате, кроме облегчения линзы, уменьшаются потери светового потока в стекле. Благодаря этому, ступенчатые линзы получили широкое распространение и используются в линзовых светофорах.

Рис. 2. Ступенчатая линза Френеля

В прожекторных светофорах применяются плосковыпуклые линзы со шлифованными поверхностями, что придает линзам высокие оптические качества.

Уменьшение размеров светящегося тела источника света достигается применением точечных ламп, у которых нить накала максимально укорочена и приближена к размерам точки.

Для получения большего усиления за счет увеличения угла охвата в линзовых светофорах используются оптические системы из двух сфокусированных линз, образующих так называемый линзовый комплект

(рис. 3). Чтобы коэффициент усиления был наибольшим, обе линзы, входящие в комплект, должны быть соответственно подобраны и точно расположены одна по отношению к другой, а также и к лампе.

Такая установка линз или фокусировка, производится посредством специального фокусировочного станка и фотометра в заводской лаборатории. При фокусировке находится положение нити лампы в фокусе оптики и закрепляется в нем; кроме того, ось пучка направляется так, чтобы она была перпендикулярна к задней плоскости корпуса линзового комплекта.

Изменение силы света светового пучка, создаваемого сигнальной линзой, приведено на рис. 4. Угол между крайними лучами, для которых сила света

Рис. 3. Изменение угла охвата

Рис. 4. Кривая светораспределения линзы

Рис. 5. Эскиз охвата пути световым пучком при наличии

рассеивающей линзы

Рис. 6. Отклоняющая вставка

равна половине максимальной величины, считается углом рассеяния линзы. Для линзового комплекта он равен 4°.

На кривых пути с малым радиусом закругления требуется увеличенный угол охвата светового пучка, иначе машинист будет терять видимость светофора, например, на расстоянии дуги АБ (рис. 5).

Для увеличения угла рассеяния применяют дополнительные рассеивающие стекла с гладкой выпуклой наружной и рифленой внутренней поверхностью на 10-20° рассеяния. Применение рассеивающих стекол значительно снижает силу света линзового комплекта.

Для обеспечения видимости сигнального огня вблизи прожекторного светофора применяют установку отклоняющей вставки - круглой пластинки прозрачного стекла с призматическими бородками. Отклоняющая вставка в центре между линзами удерживается спиральной пружиной (рис.6).