Pewna granica – „blaski i cienie”

Podstawowym elementem świateł mijania jest granica światła i cienia. Służy ona do ustawiania świateł zarówno podczas badań laboratoryjnych, jak i podczas kontroli i regulacji eksploatacyjnej. Granica ta z jednej strony powstała jako naturalny element rozgraniczający jasny i ciemny obszar w tradycyjnych światłach mijania, z drugiej natomiast przypisano jej zasadniczą funkcję przy wzrokowym ustawiania reflektorów. Jednak sposób zdefiniowania tej granicy był niedoskonały i skutki, które spowodował są znaczące w tym sensie, że jakość granicy ma fundamentalne znaczenie dla precyzji ustawienia, natomiast nawet takie ustawienie nie gwarantuje jeszcze optymalnego oświetlenia drogi i utrzymana olśnienia na akceptowalnym poziomie.  W artykule przeanalizowano właściwości granicy światła i cienia oraz ich wpływ na wiązkę światła, zwłaszcza w kontekście nowych i stale rozwijanych konstrukcji reflektorów oraz ich źródeł światła.

Wprowadzenie

Granica światła i cienia (GSC) w europejskim modelu wiązki świateł mijania pojawiła się w dość naturalny sposób. Na pewnym etapie rozwoju oświetlenia samochodowego źródła światła lamp przednich stały się na tyle silne, a ruch pojazdów na tyle znaczący, że podczas wymijania się w ciemności zaczął występować problem oślepiania. Należało więc ograniczyć ilość światła wysyłanego powyżej horyzontu, przy zachowaniu w miarę dobrego oświetlenia drogi przed pojazdem. Spowodowało to konieczność podzielenia wiązki świetlnej na dwie części: dolną jaśniejszą, pełną "blasku", nazwaną "światłem" i górną, przytłumioną, przezwaną "cieniem", choć przecież także wysyłała światło ukazując obecność pojazdu na drodze i pozwalającą odróżnić go od innych świateł polu widzenia kierowcy. Wiązka ta została później doceniona jako światło do jazdy dziennej.

Tak podzielona wiązka spełniała postawione jej zadanie znacznie lepiej niż światło o skupionej wiązce, takie jak światło drogowe. Jednakże było to możliwe pod warunkiem, że cała lampa była odpowiednio skierowana. I tu pojawił się problem -dwuczęściowe światła trzeba było "ustawić", czyli dość precyzyjnie wyregulować, by ta silniejsza, dolna, część wiązki była skierowana możliwie daleko na drogę przed pojazdem, a górna nie oślepiała czy też nie wywoływała tzw. olśnienia.

Dość prostym sposobem podzielenia wiązki świetlnej na dwie części okazało się jej odcięcie małą przesłonką umieszczoną w pobliżu żarnika żarówki. Przy konstrukcji paraboloidalnej odbłyśnika - jedynej możliwej do łatwego wykonania w tamtych czasach (pierwsza połowa XX w.) - dało to dość interesujący efekt: wyraźną linię podziału pomiędzy ciemniejszą, górną częścią wiązki świetlnej i jaśniejszą dolną. Przy okazji było to bardzo proste zjawisko pozwalające dość łatwo wyregulować reflektor w płaszczyźnie pionowej (Rys.1.).

Konstrukcja paraboloidalna miała tę zaletę, że ze źródła światła (krótki żarnik żarówki niskonapięciowej) formowana była wiązka światła zbliżona do równoległej, nawet przy położeniu żarnika nieznacznie odchylonym od ogniskowego. Ponadto wytworzenie takiego odbłyśnika nie nastręczało trudności. Tłoczono metalową kształtkę na formie, której zarys uzyskiwano w wyniku obrotu wycinka paraboli. Stosunkowo proste były też obliczenia takich reflektorów, co nie było bez znaczenia w czasach, gdy nie były dostępne relatywnie tanie i szybkie komputery. Ryflowany szklany klosz z elementami rozpraszającymi światło zbliżonymi do pryzmatycznych ostatecznie kształtował wiązkę światła. Dodatkową zaletą tego rozwiązania był fakt, że umieszczając w jednej żarówce dwa żarniki wzdłuż jednej osi, jeden z przesłonką, a drugi bez niej, uzyskano dwa światła w jednej lampie. Wydawało się, że zastosowane rozwiązanie jest niemal idealne…

Podział na światła drogowe i mijania stał się obowiązującą zasadą, chociaż z dzisiejszej perspektywy rozwoju oświetlenia adaptacyjnego widać, że nie było to rozwiązanie doskonałe. Reflektory tego typu, charakterystyczne, okrągłe, stosowane do obecnych czasów, przez wiele lat były jedyną możliwością i na długi czas utrwaliły wyobrażenie jak powinien wyglądać reflektor samochodowy. Rozwiązanie to przyjęło się w Europie.

W Stanach Zjednoczonych ewolucja poszła zbliżoną, lecz nieco inną drogą. Też zastosowano żarówkę dwuwłóknową i odbłyśnik paraboloidalny, ale zabrakło przesłonki. Do uzyskania światła mijania posłużono się odchyleniem żarnika światła mijania od położenia osiowego. Spowodowało to przesuniecie skupionej wiązki światła w dół w kierunku drogi. To rozwiązanie miało woje wady i zalety. Do poważniejszych niedogodności należała trudność z ustawianiem, gdyż pomimo występowania jaśniejszego i ciemniejszego obszaru nie były one zdecydowanie i wyraźnie rozgraniczone. Krytykowano też nieco większe wartości olśnienia, choć porównując je z rzeczywistymi wartościami olśnienia źle ustawionych reflektorów europejskich nie był to największy kłopot. Zaletą było natomiast płynne przejście od jasnego do ciemniejszego obszaru nie powodujące efektów migotania przy kołysaniu pojazdu, tak dokuczliwego w systemach reflektorów z bardzo ostrą GSC, np. elipsoidalnych.

Wymagania normatywne

Konstrukcja paraboloidalna z żarówką dwuwłóknową i GSC stały się podstawą określenia pierwszych uregulowań międzynarodowych dotyczących wymagań homologacyjnych  [ ,  ]. Były to wówczas i pozostały do dzisiaj wymagania powiązane z konstrukcją (ang. "design oriented") w odróżnieniu od filozofii wymagań powiązanych z właściwościami (ang. "performance oriented").

Dość prosty, z technicznego punktu widzenia, sposób sformułowania wymagań dostosowano do ograniczonych wówczas możliwości technologii wykonania reflektorów, jak i metod ich badania. Swoboda kształtowania bryły fotometrycznej była ograniczona koniecznością rozproszenia części strumienia światła w kierunku poziomym oraz skierowania znacznej jego części w miejsce oczekiwanego maksimum światłości (okolice punktów 50R i 75R na ekranie pomiarowym). Strumień świetlny ówczesnych żarówek był ograniczony technologicznie oraz energetycznie, dodatkowo był zmniejszony metalową przesłonką służącą do odcięcia części światła wysyłanego w kierunku oczu kierowców nadjeżdżających z przeciwka (powyżej horyzontu). Przyjęto, że sprawdzenie kilku punktów i obszarów charakterystycznych gwarantuje właściwy rozkład światłości w całej wiązce. Dodatkowym uzasadnieniem takiego wyboru były możliwości pomiarowe ówczesnej aparatury: fotoogniwo (np. selenowe), o stosunkowo dużych rozmiarach (średnica rzędu 60 mm) w celu uzyskania wystarczającej czułości. Przesuwane było ręcznie na tle "ekranu pomiarowego" odległego od reflektora o 25m, oświetlanego wiązką światła wysyłaną przez reflektor. To radykalne uproszczenie modelu matematycznego urządzenia oświetlającego, spełniającego jednak stosunkowo złożone zadanie oświetleniowe, spowodowało daleko idące konsekwencje wiele lat później.

Wymagania fotometryczne sformułowano (50 lat temu) dla ekranu prostopadłego do osi optycznej reflektora. i warunków idealizowanych: pojedynczy reflektor zamocowany na wysokości 75 cm pochylony w dół o 1%. Rys 2. przedstawia ekran pomiarowy dla tej wersji regulaminu [2].

W trakcie procesu homologacji dokonuje się pomiarów natężenia oświetlenia w stosunkowo niewielkiej liczbie wybranych punktów i kilku obszarach, na wzorcach typu, przy zachowaniu ściśle określonych parametrów dotyczących źródła światła, tj. światłości nominalnej i tolerancji geometrycznego położenia i wymiarów żarnika. Kryteria sformułowane w powyższy uproszczony sposób odzwierciedlają jakość oświetlenia drogi światłami reflektorów, a ponadto nie określają jednoznacznie tolerancji właściwości świateł w warunkach eksploatacyjnych [iii].

GSC została zdefiniowana pośrednio i opisowo [2]: "Wiązka świateł mijania powinna wytwarzać wystarczająco ostrą granicę światła i cienia, aby zapewnić zadowalającą regulację za jej pomocą. GSC powinna być poziomą linią po stronie przeciwnej do kierunku ruchu, dla którego jest przeznaczony reflektor; po przeciwnej stronie powinna być pozioma lub pochylona pod kątem 15° powyżej poziomu."

Łatwo zauważyć, że chociaż intuicyjnie wiadomo było, o co chodzi i każdy potrafi tę granicę wykreślić, to stwierdzenie czy GSC spełnia postawione wymagania w przypadkach budzących wątpliwości jest praktycznie nie do rozstrzygnięcia. Dodatkowo wprowadzono zapis, że jeśli reflektor ustawiony zgodnie z wymaganymi liniami na ekranie pomiarowym nie spełnia wymagań fotometrycznych, to może być obrócony w lewo lub w prawo nawet o 1°. Co więcej, aby ułatwić ustawianie za pomocą GSC zapisano, że reflektor może być częściowo zasłonięty podczas ustawiania. Nie trudno zauważyć, że w ten sposób dopuszczono znaczną i niekontrolowaną rozbieżność pomiędzy homologacją i warunkami codziennej eksploatacji, dodatkowo powiększoną ze względu na stosowanie żarówek wymiennych o znacznie większych tolerancjach niż wzorcowe, stosowane przy homologacji [iv]. Zapisy te zostały przeniesione do kolejnych regulaminów, opisujących nowe technologicznie rozwiązania reflektorów, które pojawiły się po zastosowaniu halogenowych, a następnie wyładowczych źródeł światła [v, vi].

Granica światła i cienia - co to takiego

Intuicyjnie zdefiniowana GSC to w rzeczywistości obraz widziany przez oko ludzkie w miejscu dużego gradientu luminancji. Dlatego podlega on interpretacji subiektywnej, nastręczającej trudności, gdy GSC jest niejednorodna, rozmyta, czy też nieregularna. Postrzeganie wzrokowe to nałożenie się na siebie kilku nieliniowych procesów, zależnych także od cech obserwatora, sposobu i czasu obserwacji. Stąd jednoznaczne matematyczne zdefiniowanie tego procesu nie jest możliwe. Większość opracowań tego zagadnienia bazuje na obserwacjach doświadczalnych wyznaczania wzrokowego. Zaproponowano przyjęcie za miejsce GSC maksimum pochodnej logarytmu natężenia oświetlenia po współrzędnej pionowej, jako odpowiadające największej statystycznie liczbie zgodnych eksperymentalnych porównań [ ,  ]. Wyboru tego dokonano na podstawie badań eksperymentalnych rzeczywistych konstrukcji reflektorów wykonanych w oparciu o wzrokowe określenie GSC. Jednak potwierdzono, że istnieją konstrukcje reflektorów dające nieco odmienne rezultaty w stosunku do przyjętego modelu. Generalnie im "ostrzejsza" GSC (im większy gradient pionowy natężenia oświetlenia), tym bardziej zbliżone wyniki ustawiania wzrokowego i analitycznego, niezależnie od zastosowanej metody. Trudno natomiast pokusić się o ocenę bezwzględnej przewagi którejś z metod, gdyż przypadki rozbieżnych obserwacji wynikały z właściwości konkretnych reflektorów nie poddających się metodom uśredniania statystycznego. Gdyby z jakichś powodów (np. ekonomicznych) wielu producentów zdecydowało się na powielanie konkretnych rozwiązań reflektorów nie można wykluczyć, że rzeczywiste statystyczne różnice pomiędzy wyznaczaniem instrumentalnym, a wzrokowym w mogłyby być znaczące.

Skutki praktyczne

Zawarcie opisowych, subiektywnych definicji GSC i procesu ustawiania w gruncie rzeczy ukazało jak niedoskonałym środkiem jest GSC, chociaż służy do bardzo ważnego celu. Jeżeli ta sama GSC, która służy do ustawiania reflektora podczas badań homologacyjnych, jest podstawą ustawiania eksploatacyjnego to znaczy, że przy nominalnym "idealnym" ustawieniu błąd skierowania wiązki w poziomie może wynosić 1°, co oznacza 1,7% odchylenia. A więc znacznie ponad dopuszczalne tolerancje eksploatacyjne. A przecież dotyczy to żarówki wzorcowej o mocno zawężonych tolerancjach w stosunku do żarówek masowej produkcji. W reflektorze znajdującym się w pojeździe ta odchyłka nie jest kontrolowana i może być znacznie większa. Z kolei dopuszczanie zasłaniania części reflektora oznacza zgodę na to, że GSC nie jest wystarczająco ostra przed tym zasłonięciem, czyli powstaje ewidentna sprzeczność z wcześniejszymi zapisami regulaminu. Czy idąc tym tokiem rozumowania należałoby przyjąć, że zasłanianie powinno być dokonywane także podczas ustawiania eksploatacyjnego świateł? I którą granicę wybrać, gdyby można uzyskać kila różnych, przy różnym zasłanianiu?

Poniżej przedstawiono przykłady rzeczywistych GSC, co do których można mieć wątpliwości interpretacyjne. Dane uzyskano z analizatora świateł, nowatorskiego urządzenia diagnostycznego wyposażonego w fotometryczny przetwornik obrazu. Rys. 3. pokazuje plamę świateł mijania z zauważalną "podwójną" GSC

Rys.4 ukazuje natomiast zobrazowanie pochodnej funkcji logarytmicznej natężenia oświetlenia po współrzędnej pionowej na powierzchni ekranu prostopadłego do osi optycznej reflektora, przyjętej za najbliższą percepcji wzrokowej. Maksimum tej funkcji to GSC.

Podwójne, rozmyte, jasne linie po lewej stronie to odpowiednik widocznych wzrokowo dwóch równoległych GSC. Wzrokowe rozstrzygnięcie, która z nich jest właściwa może nastręczać trudności. Rys.5 pokazuje linie maksimum tej funkcji wyznaczone analitycznie.

Można zauważyć nieregularności na odcinkach poziomych. Obliczeniowo nieznacznie większe wartości maksimum prezentuje górna z dwu poziomych linii. Wyraźnie i jednoznaczne zarysowany jest natomiast odcinek ukośny. Złączenie tych linii - punkt załamania - nie jest już jednoznaczny, zauważalny jest uskok. Można więc próbować wyznaczyć ten punkt zarówno na przedłużeniu aproksymacji wyznaczonej linii, jak też w miejscu gdzie końcowa część odcinka ukośnego przechodzi w niższą linię poziomą. Rys. 6. przedstawia izoluksy i wyznaczoną analitycznie GSC.

Gdy zwrócimy uwagę na położenie maksimum natężenia oświetlenia i najjaśniejszych obszarów wiązki świetlnej w stosunku do punktów 50 R i 75R (Rys. 7) decyzja o wyborze poziomego elementu GSC może być ułatwiona (Rys.8). Pojawia jednak problem większej wartości natężenia oświetlenia blisko horyzontu.

Na rys. 9 przedstawiono przykład niejednoznacznej rzeczywistej GSC innego reflektora.

Jej kształt odbiega od "teoretycznego", ale trudno byłoby znaleźć diagnostę, który zakwestionowałby homologowany reflektor z taką GSC. Istotny jest brak wyraźnego załamania, które wypada w miejscu, gdzie granica jest rozmyta, a pochodna logarytmu natężenia oświetlenia przyjmuje stosunkowo niewielkie wartości (Rys.10).

Co istotne światło to ma zasadniczo poprawnie ukształtowaną dolną część z wyraźnym owalnym maksimum o znacznych wartościach natężenia oświetlenia. Natomiast nieco za nisko będzie przy takim ustawieniu oświetlona lewa strona drogi. W efekcie światło tak ustawione będzie dość dobrze oświetlało drogę, zwłaszcza po prawej stronie, nie powodując olśnienia. Jednak ustawienie go z wykorzystaniem GSC jest możliwe na wiele sposobów. Prawdopodobnie każdy diagnosta zrobiłby to nieco inaczej.

Pokazane przykłady to tylko drobny wycinek nieprawidłowych sytuacji, które zdarzają się w praktyce. To "cienie" sytuacji. Z drugiej strony spotyka się wiele reflektorów o prawidłowej GSC, których ustawienie nie nastręcza szczególnych problemów. Są więc też "blaski". Co dominuje w praktyce zależy wyłącznie od struktury ilościowej i jakościowej reflektorów i źródeł światła zainstalowanych na pojazdach będących w ruchu. 

Rozwój definiowania GSC i ustawiania świateł

Brak jednoznacznej, obiektywnej definicji GSC stwarzał od dawna problemy projektującym i badającym reflektory, stąd dokonywano prób zmierzających do obiektywizacji definicji i oceny GSC. W ostatnich latach podjęto działania zmierzające do wypracowania analitycznego, instrumentalnego sposobu definiowania GSC, z zamiarem zaproponowania zapisów do nowego regulaminu dla świateł adaptacyjnych [ ], nieco dokładniej definiujących GSC z pewnymi wyznacznikami jej jakości.

Istotną zaletą w stosunku do poprzedniego opisu GSC jest zdefiniowanie pola tolerancji dla odcinka poziomego GSC. Po bliższej analizie można jednak nadal zauważyć wiele elementów wieloznacznych i uznaniowych. Kolejnym, ważnym krokiem w doskonaleniu jednoznaczności ustawiania jest podanie w wymaganiach powyższego regulaminu [9] możliwości zastosowania innych, określonych przez producenta, środków do ustawiania świateł, czy modułów świetlnych (ang. lighting units), które tego wymagają, a nie mają wyraźnej GSC. Jest to pośrednie przyznanie, że GSC jako taka nie spełnia, czy raczej może nie spełnić, w świetle dotychczasowych definicji, swojej historycznie ugruntowanej roli.

Perspektywy zmian

Czy to oznacza, że koncepcja GSC i jej wykorzystania do ustawiania jest bezużyteczna? Odpowiedź może być udzielona na dwa sposoby. W przypadku reflektorów z ostrą, wyraźną, pojedynczą GSC nie ma obecnie i nie będzie w przyszłości żadnego problemu, poza przeszkadzającym "migotaniem" podczas kołysania pojazdu na nierównościach drogi. Oczywiście pod warunkiem, że plama świetlna jest prawidłowa i poprawnie usytuowana w stosunku do środka GSC, z czym także często są problemy praktyczne. Zagwarantowanie takiej sytuacji podczas badań homologacyjnych jest realne. Jednak w warunkach eksploatacyjnych nadal będzie to zależało od dbałości projektanta konstrukcji reflektora o to, by wrażliwość na tolerancje produkcyjne źródeł światła była pomijalna w stosunku do wymagań precyzji ustawienia. Istnieje też możliwość zdefiniowania w sposób analityczny GSC na tyle precyzyjnie, by nie było możliwości akceptowania zarówno na etapie homologacji, jak i eksploatacji granic mogących budzić wątpliwości przy ustawianiu wzrokowym i instrumentalnym (za pomocą przyrządów badających rozkład natężenia oświetlenia i matematycznie wyliczających parametry GSC).

Patrząc z punktu widzenia potrzeb i środków użytych do ich realizacji GSC można uznać docelowo za rzecz nieistotną i wyłącznie historyczną, nawet, jeśli w pierwszym odruchu ta myśl wyda się absurdalna. Jeżeli można bowiem zastosować inne, zdecydowanie lepsze i akceptowalne technicznie narzędzie do zapewnienia prawidłowego ustawienia świateł to obecność i jakość GSC może stać się sprawą drugorzędną. Taką to właśnie drogę otwarto zapisami Regulaminu nr 123 EKG ONZ.

Podstawowym celem ustawiania świateł jest bowiem zapewnienie poprawnego skierowania wiązki świetlnej, aby rozkład natężenia oświetlenia zarówno na powierzchni drogi, jak i na oczach kierowców pojazdów nadjeżdżających z przeciwka był w dopuszczalnych tolerancjach. W dzisiejszych praktycznych warunkach dość często ustawienie świateł różniące się od tego wynikającego z położenia GSC jest lepsze niż ustawienie zgodne z GSC, ale nikt tak świateł nie ustawia, bo nie potrafi.

Docelowym rozwiązaniem, zdaniem autora, będzie odejście od GSC, co będzie korzystne z powodu możliwości unifikacji wymagań dla świateł amerykańskich i europejskich. Przykładem alternatywnej możliwości regulacji świateł jest ustawianie za pomocą analizatora świateł. Urządzenie to, opracowane w Instytucie Transportu Samochodowego, bada i analizuje wiązkę światła jako integralną całość. Umożliwia w bardzo krótkim czasie, poniżej minuty, wyznaczanie jej charakterystyk w zakresie znacznie szerszym niż obecne wymagania homologacyjne. Stąd ustawienie świateł może być zrealizowane w oparciu o rzeczywiste charakterystyki oświetlenia i olśnienia dokładnie reprezentowane ustawieniem reflektora. Najprostszym algorytmem regulacji mogłoby być doprowadzenie położenia maksimum natężenia oświetlenia do najbliższego w stosunku do punktów pomiarowych 50R i 75R. Jednak na tyle, na ile pozwala maksymalne natężenie oświetlenia w punktach obszaru odpowiedzialnego za olśnienie. A przy okazji można sprawdzić czy spełnione są minimalne wymagania dotyczące oświetlenia w innych ważnych miejscach i ewentualnie spowodować wymianę wadliwej żarówki bądź całego reflektora.

W przypadku świateł adaptacyjnych, które są naturalną powszechną perspektywą nadchodzących lat, generowanie GSC dla każdej jednostki oświetlającej byłoby kosztowne, skomplikowane i prowadziło do znaczących strat strumienia świetlnego, bez żadnych istotnych korzyści dla oświetlenia drogi. Dlatego otwarte podejście do problemu ustawiania jest szczególnie istotne w perspektywie nowoczesnych, rozbudowanych systemów adaptacyjnych z wieloma jednostkami wysyłającymi światło sterowanymi wyłącznie elektronicznie, bez ruchomych elementów mechanicznych, np. budowanymi z wykorzystaniem diod LED.

Literatura:

[ ] Agreement Concerning the Adoption of Uniform Conditions of Approval and Reciprocal Recognition of Approval for Motor Vehicle Equipment and Parts, done at Geneva on 20 March 1958.

[ ] Regulamin nr 1 EKG ONZ.

[ ] Targosiński T. Zaremba K.: Kryteria oceny reflektorów pojazdów a jakość oświetlenia drogi, Zeszyty Naukowe Instytutu Transportu Samochodowego, Zeszyt 88, Warszawa 1999.

[ ] T. Targosiński. Analysis of the Properties of the ECE Requirements Concerning Headlights, PAL Symposium, Darmastadt 09.2001

[ ] Regulamin nr 112 EKG ONZ

[ ] Regulamin nr 98 EKG ONZ

[ ] Shmidt-Clausen H.J. Evaluation of the Cut-off Reffering to Quality, Location and Linearity, PAL Synposium, Darmastadt 09.1997

[ ] CIE TC 4.10 Definition of the Vertical Cut-off of Vehicle Headlights, Draft Report 1993

[ ] Regulamin nr 123