3.3. Конструкция ступенчатой линзы

Д

Рис. 42. Эскиз, поясняющий

конструкцию ступенчатой линзы

ля уменьшения массы и поглощения, а также облегчения изготовления линз О. Френель – французский физик, один из основоположников волновой оптики, предложил ступенчатую конструкцию линзы, которая получила широкое применение в навигационных маяках, а в настоящее время и в светофорной сигнализации. Созданные им зеркала и линзы названы его именем. Ступенчатая линза преломляет лучи тождественно массивной линзе, но путь луча в массе стекла укорачивается, в результате, кроме облегчения линзы, уменьшаются потери светового потока в ее массе.

Конструкцию ступенчатой линзы поясняет рис. 42, а, б. Как видно из рисунка, ступенчатая линза образуется следующим образом: наружная поверхность асферической, выпуклой линзы (рис. 42, а) делится на ряд конических зон, далее зональные конические поверхности перемещаются в сторону основания вдоль оптической оси (рис. 42, б). Реально отдельные элементы ступенчатой линзы не повторяют в точности проектируемую поверхность преломления, а заменяются элементами сферических поверхностей с усредненными радиусами кривизны.

Ступенчатые линзы имеют значительно меньшие потери светового потока в стекле и могут быть изготовлены прессованием с использованием высокоточных штампов, что снижает их стоимость и гарантирует выполнение требуемых параметров.

3.4. Линзовая оптическая система светофоров, линзовые комплекты

Все цвета сигналов светофоров формируются оптическими системами – линзовыми комплектами, состоящими из: светофильтра-линзы, вырезающей нужный участок спектра излучения лампы и определяющей цвет сигнала; второй прозрачной линзы – линзы Френеля.

В современных светофорах с целью получения большого усиления линзовой оптики за счет увеличения угла охвата используются оптические системы из двух сфокусированных линз, образующих линзовый комплект. Если применить только одну линзу 2, то из всего светового потока, излучаемого лампой 1 (рис. 43, а), используется только часть его в пределах угла охвата , большая часть светового потока в пределах угла  пропадает. Если ближе к лампе 1 установить еще одну линзу 2 (рис. 43, б), то с помощью ее можно использовать световой поток уже в пределах бо́льшего угла ' и получить бо́льшее усиление линзовой оптики.

В реальном линзовом комплекте (рис. 43, б) первая линза 2 является светофильтром-линзой, имеющей соответствующую окраску, у которой преломляющие ступени находятся с внешней стороны, а вторая линза 4 – прозрачная имеет преломляющие поверхности с внутренней стороны. Обе линзы заключены в металлический или пластмассовый корпус 6, исключающий возможность загрязнения ступенчатых поверхностей от внешних осадков.

Рис. 43. Состав линзового комплекта

Линзы 2 и 4 подбирают и располагают таким образом, чтобы преломленные внутренней цветной линзой лучи по возможности полностью попадали на наружную линзу и выходили из последней слабо расходящимся световым пучком. Сила света светового потока, исходящего из линзового комплекта, в бо́льшей степени зависит от точности его фокусировки. Например, при смещении нити накала лампы 1 на 1…2 мм от нормального положения сила света снижается на 20…40 % [11].

Сила света также существенно зависит от угла рассеивания. На рис. 44 приведены графики светораспределения в горизонтальной (график 1) и в вертикальной плоскостях (график 2) для линзового комплекта красного цвета мачтового линзового светофора с лампой ЖС12-25. Графики подтверждают, что линзовый комплект обеспечивает достаточно узкую направленность светового пучка. Опытные измерения светового потока, излучаемого линзовым комплектом, показали, что сила света в пределах (0,5…1) I_мак осевого значения обеспечивается при угле рассеивания 3…4° в горизонтальной и 1…1,5° в вертикальной плоскостях, а за пределами этих углов значительно уменьшается.

Как видно из рис. 44, световой поток выходит из линзового комплекта светофора в виде узконаправленного луча и постепенно расходится, при этом вблизи светофора (около 10 м) видимость его из кабины машиниста ухудшается. Для отклонения части сигнального светового потока в направлении машиниста, находящегося в кабине локомотива, в линзовых светофорах применяют отклоняющие вставки 3 с номинальным углом рассеивания 30° (рис. 43, б).

Рис. 44. Кривые светораспределения светового потока линзового комплекта

На криволинейных участках пути для рассеивания сигнального светового потока в горизонтальной плоскости на линзовые комплекты мачтовых светофоров устанавливают рассеиватели 5 (рис. 43, б).