Пристрій для передачі світлового потоку

Корисна модель відноситься до оптико-освітлювальної техніки й рекламно-інформаційних систем, а точніше до пристрою для передачі світлового потоку, і може бути використана в різних візуальних освітлювальних системах у рекламних, інформаційних та інтер'єрних декоративних пристроях. Відомий пристрій для демонстрації інформації, що здійснює торцеве підсвічування, містить два й більше світлопровідних елементи з оптично прозорого матеріалу, які встановлені один щодо іншого на певній відстані (повітряному проміжку), а також точкові джерела світла, які встановлені поблизу торця світлопровідного елемента й об'єднані в групи по кількості вузьких поверхонь світлопровідного елемента й оптично ізольовані один від іншого світлонепроникними екранами, що розташовані в середині проміжків між широкими поверхнями світлопровідних елементів, при цьому згадані групи точкових джерел світла оптично погоджені хоча б з однією з вузьких полірованих поверхонь кожного світлопровідного елемента [1]. Недоліком відомого пристрою є складність конструкції, а також у силу її конструктивних особливостей недостатні рівномірність світіння й знижений ККД передачі світлового потоку, випромінюваного світловипромінювальними елементами, що встановлені поблизу торця світлопровідного елемента, а також значна споживана потужність. Найбільш близьким до пропонованого пристрою по технічній сутності й результату, що досягається, є обраний як найближчий аналог світлодинамічний демонстраційний пристрій, що містить два й більше світлопровідних елементи з оптично прозорого матеріалу з полірованими поверхнями, що має ділянці заломлення світла, точкові джерела світла у вигляді світлодіодів з різними спектрами видимого випромінювання, які разом із блоком програмного електронного керування розміщені на платі й закриті корпусом або фасадним елементом з однієї зі сторін світлопровідних елементів, а також співвісні отвору для їхнього скріплення. При цьому, точкові джерела світла встановлені поблизу торця світлопровідного елемента [2]. Загальними ознаками відомого й пристрою, що заявляється, є наявність не менш одного світловипромінювального елемента, переважно точкового джерела світла, певного кольору залежно від призначення, установленого, переважно перпендикулярно поверхні світлопровідного елемента з боку його торця, що містить один і більше шарів, виконаних з оптично прозорого матеріалу з полірованими поверхнями, що має ділянці заломлення світла, при цьому між шарами світлопровідного елемента є проміжок. До недоліків відомого пристрою в силу закладених у ньому принципових конструктивних рішень варто віднести нераціональне й недостатнє використання світлового потоку, що пов'язане з його значними втратами внаслідок установки світловипромінювальних елементів впритул до торця світлопровідного елемента для здійснення торцевого підсвічування. Це приводить до низького коефіцієнта розсіювання світла й відсутності монотонності світіння поблизу торця, одержанню низької яскравості, і нерівномірності світіння, а також низькому ККД передачі світлового потоку, випромінюваного світловипромінювальними елементами й значним енергоспоживанням. При такому розташуванні світловипромінювальних елементів у відомому пристрої зона подання інформації, де розташована рівномірно світна поверхня, відповідно до технологічних відступів, перебуває від торця світлопровідного елемента з боку знаходження точкових джерел світла на відстані не менш 20мм., що знижує ефективність пристрою, обмежує його функціональні можливості по відображенню будь-якої змінної інформації й ділянці застосування. Крім того, це приводить також до зниження надійності, складності конструкції й загальному збільшенню габаритів і ваги пристроїв. В основу корисної моделі поставлене завдання вдосконалення пристрою для передачі світлового потоку, у якому за рахунок зміни конструкції пристрою, пов'язаної із введенням нових елементів, іншим розташуванням світловипромінювальних елементів усередині матеріалу торцевої поверхні світлопровідного елемента, і інших зв'язків між ними, а головне - створення лінз із внутрішньою криволінійною полірованою поверхнею усередині світлопровідного елемента у вирізаних поглибленнях по розміру й формі світловипромінювального елемента, і розміщення в цих поглибленнях на всю їхню довжину по одному світловипромінювальному елементі, що забезпечує максимальний оптичний зв'язок світловипромінювальних і світлопровідних елементів, досягається максимальне використання світлового потоку, підвищення коефіцієнта розсіювання світла, поліпшення яскравості, рівномірності й забезпечення монотонності світіння поблизу торця за рахунок виключення втрат світлового потоку й зменшення технологічних відступів від торців світлопровідного елемента, а також підвищення надійності, спрощення конструкції і її компактності, зменшення ваги й габаритних розмірів, що в цілому приводить до підвищення ККД передачі світлового потоку, випромінюваного світловипромінювальними елементами, і зниженню енергоспоживання. Крім того, це приводить також до загального зменшення габаритів і ваги пристроїв, а також до підвищення ефективності роботи пристрою й розширенню функціональних можливостей пристроїв по відображенню будь-якої змінної інформації й областей застосування. Поставлене завдання досягається тим, що в пристрої для передачі світлового потоку, що включає не менш один світловипромінювальний елемент, переважно точкове джерело світла, певного кольору залежно від призначення, установленого, переважно перпендикулярно поверхні світлопровідного елемента з боку його торця, що містить один і більше шарів, виконаних з оптично прозорого матеріалу з полірованими поверхнями, що має ділянці заломлення світла, при цьому між шарами світлопровідного елемента є проміжок, відповідно до корисної моделі, що в не менш одній торцевій поверхні світлопровідного елемента усередині його матеріалу виконані поглиблення з полірованою поверхнею по розміру й формі світловипромінювального елемента, що утворюють лінзи із внутрішньою криволінійною поверхнею, які максимально оптично зв'язують світловипромінювальний і світлопровідний елементи, причому в кожне із поглиблень установлене по одному світловипромінювальному елементу на всю його довжину, попередньо закріпленому на загальній друкованій платі. Крім того, пропонований пристрій для передачі світлового потоку в деяких конкретних випадках його виконання характеризується наступними ознаками: - торці світлопровідного елемента, які не використовувані для передачі світлового потоку, обладнані непрозорим білим матеріалом, переважно з полівінілхлориду; - кожний світловипромінювальний елемент жорстко закріплений на друкованій платі й утворює у сукупності з нею єдиний модульний блок, який виконаний знімним; - всі світловипромінювальні елементи, які установлені в поглибленнях світлопровідного елемента, і їх загальна друкована плата, жорстко з'єднані з матеріалом світлопровідного елемента з його торця оптично прозорим клейовим матеріалом, з утворенням об'єднаної монолітної конструкції; світловипромінювальні елементи встановлені групами, не менш двох поруч, одного або декількох різних кольорів; - світлопровідний елемент виконаний з листового акрилового скла, товщиною не менш 3-х мм, а світловипромінювальні елементи виконані у вигляді світлодіодів довжиною не менш 3-х мм і діаметром не менш 3-х мм овальної або круглої форми з кутом розсіювання не менш 100°; - він постачений електронним блоком із програмним керуванням, електрично пов'язаним із друкованою платою. У цілому, відмітні ознаки пристрою, що заявляється, є суттєвими й необхідними для досягнення нового технічного результату. У результаті використання корисної моделі, що заявляється, забезпечується одержання технічного результату, що полягає в досягненні максимального використання світлового потоку, підвищенні коефіцієнта розсіювання світла, поліпшенні яскравості, рівномірності й забезпеченні монотонності світіння поблизу торця за рахунок виключення втрат світлового потоку й зменшення технологічних відступів від торців світлопровідного елемента, а також у підвищенні надійності, спрощенні конструкції і її компактності, зменшенні ваги й габаритних розмірів. Наявність у не менш одній торцевій поверхні світлопровідного елемента усередині його матеріалу поглиблень із полірованою поверхнею по розміру й формі світловипромінювального елемента на всю його довжину, дозволяють утворити лінзи із внутрішньою криволінійною поверхнею, які максимально оптично зв'язують світловипромінювальний і світлопровідний елементи, що дозволяє досягти максимальне використання світлового потоку, випромінюваного світловипромінювальними елементами, виключивши його втрати, підвищити коефіцієнт розсіювання світла, поліпшити яскравість, рівномірність і монотонність світіння поблизу торця. А розташування в кожному з поглиблень по одному світловипромінювальному елементу, попередньо закріпленому на загальній друкованій платі, дозволяє також максимально використовувати випромінюваний ними світловий потік, підвищити коефіцієнт розсіювання світла, поліпшити яскравість, рівномірність і монотонність світіння, а також підвищити надійність, спростити конструкцію, зробивши її компактною, зменшити вагу й габаритні розміри. При цьому, пропонована конструкція пристрою дає можливість зменшити відстань від торця світлопровідного елемента до зони рівномірно світної поверхні (майже в 3 рази), а також зменшити ширину самої зони перетинання променів, де не може перебувати зображення, тобто значно, у порівнянні із найближчий аналогом, зменшити технологічні відступи від торців світлопровідного елемента. Технічний результат, що досягається, як показали дані випробувань, може бути реалізований тільки взаємозалежною сукупністю всіх суттєвих ознак заявленого пристрою, відображених у формулі корисної моделі. Зазначені в ній відмінності дають підставу зробити висновок про новизну даного технічного рішення. Промислова придатність заявленого рішення доводиться можливістю його багаторазового відтворення в процесі виробничого виготовлення. Заявлений пристрій може бути серійно виготовлений в умовах промислового виробництва з використанням стандартного обладнання, сучасних матеріалів і технології. Таким чином, запропоноване технічне рішення відповідає всім умовам патентоспроможності корисної моделі. Сутність корисної моделі пояснюється кресленнями, де на Фіг.1 схематично представлений пристрій для передачі світлового потоку, його фрагмент, вигляд збоку; на Фіг.2 - зображений його вигляд з торця, у розрізі, на Фіг.3 - представлений процес передачі світлового потоку в пропонованому пристрої, а на додатку - процес передачі світлового потоку в пристрої по найближчому аналогу. На представлених кресленнях позначено: 1 - лінза, 2 - світлопровідний елемент, 3 - світловипромінювальний елемент, 4 - поглиблення, 5 - друкована плата, 6 - проміжок між шарами світлопровідного елемента, 7 - зона представлення інформації; 8 - технологічна зона, при цьому, промені від світловипромінювальних елементів 3 показані стрілками. Заявлений пристрій для передачі світлового потоку може бути реалізований в умовах промислового виробництва з використанням стандартного обладнання, відомих сучасних матеріалів і технології. Пропонований пристрій для передачі світлового потоку містить світлопровідний елемент 2, що включає один і більше шарів, виконаних з оптично прозорого матеріалу з полірованими поверхнями, що має ділянці заломлення світла. При цьому між шарами світлопровідного елемента 2 є проміжок 6, переважно повітряний. Світлопровідний елемент 2, залежно від призначення, може мати будь-яку форму (плоску або об'ємно-фігурну) і матеріал, що переважно може бути виконаний з листового акрилового скла, товщиною не менш 3-х мм. Пристрій містить також світловипромінювальні елементи 3 визначеного кольору й довжини хвилі світла, а також форми й габаритних розмірів залежно від призначення, які виконані, переважно у вигляді точкових джерел світла, наприклад світлодіодів, довжиною не менш 3-х мм і діаметром не менш 3-х мм овальної або круглої форми з кутом розсіювання не менш 100°. Для здійснення торцевого підсвічування, світловипромінювальні елементи 3 установлені з боку торця світлопровідного елемента 2, переважно, перпендикулярно його поверхні. Відмінною рисою пропонованого пристрою є те, що в не менш одній торцевій поверхні світлопровідного елемента 2 усередині його матеріалу виконані поглиблення 4 з полірованою поверхнею по розміру й формі світловипромінювального елемента 3, що утворює лінзи 1 із внутрішньою криволінійною поверхнею, які максимально оптично зв'язують світловипромінювальний 3 і світлопровідний 2 елементи. У кожне з поглиблень 4, усередину, установлено на всю його довжину по одному світловипромінювальному елементі 3, попередньо закріпленому на загальній друкованій платі 5, причому світловипромінювальні елементи 3, як видно на Фіг.1 і 3, повністю інтегровані в матеріал світлопровідного елемента 2. Крім того, пропонований пристрій для передачі світлового потоку в деяких конкретних випадках його виконання може мати наступні ознаки (на кресленнях не показане). Торці світлопровідного елемента 2, не використовувані для передачі світлового потоку, обладнані непрозорим білим матеріалом, переважно з полівінілхлориду або металізованим (на кресленні не показане). При цьому, відбувається перевипромінювання світлового потоку в усередину світлопровідного елемента 2, що підвищує ККД передачі світлового потоку. Кожний світловипромінювальний елемент 3 жорстко закріплений на загальній друкованій платі 5, що утворює у сукупності єдиний модульний блок, який виконаний знімним, що дозволяє легко робити розбирання пристрою й спрощує технічне обслуговування. Всі світловипромінювальні елементи 3, що установлені в поглибленнях 4 світлопровідного елементи 2, і їх загальна друкована плата 5, жорстко з'єднані з матеріалом світлопровідного елемента 2 з його торця оптично прозорим клейовим матеріалом, з утворенням об'єднаної монолітної конструкції, що підвищує жорсткість і надійність конструкції в цілому і якість передачі світлового потоку, поліпшує захист пристрою від зовнішніх впливів, у тому числі й світлопровідних елементів, і від корозії, а також дозволяє спростити монтаж пристрою. Світловипромінювальні елементи 3 можуть бути встановлені групами, не менш двох поруч, одного або декількох різних кольорів (див. Фіг.2), що дозволяє розширити кольорову гаму світлових випромінювань до 16млн. кольорів і підвищити декоративність динамічного висвітлення без зміни конструкції пристрою. Виконання світлопровідного елемента з листового акрилового скла, товщиною не менш 3-х мм, а світловипромінювальних елементів у вигляді світлодіодів довжиною не менш 3-х мм і діаметром не менш 3-х мм овальної або круглої форми з кутом розсіювання не менш 100°, визначене як найбільш ефективне виконання. Пристрій може бути постачений електронним блоком із програмним керуванням, електрично пов'язаним із друкованою платою 5 (на кресленні не показано) для керування роботою світловипромінювальних елементів 3, що дозволяє підвищити ефективність роботи пристрою й розширити його функціональні можливості по відображенню будь-якої змінної інформації в будь-яких областях застосування, тому що по заданій програмі змінювати кольори світіння, його періодичність і т.д. Електронний блок із програмним керуванням являє собою мікроконтролер із заздалегідь написаною програмою і потужні транзисторні ключі, що дозволяють безпосередньо управляти світлодіодами. Цей блок може бути розміщений на загальній друкованій платі або розташований автономно. Заявлений пристрій для передачі світлового потоку працює таким чином. В основі роботи пристрою лежить відоме торцеве підсвічування. На світловипромінювальні елементи 3, наприклад світлодіоди, які установлені на всю їхню довжину усередині матеріалу торцевої поверхні світлопровідного елемента 2, у наявні в ньому поглиблення 4 з полірованою поверхнею по розміру й формі світловипромінювальнего елемента 3, подається живлення, як звичайно, від електричного блоку живлення, який може бути автономним або підключеним до мережі. Роботу світлодіодів 3 і їхнє керування, як правило, забезпечує електронний програмний блок керування (на кресленні не показаний), програма якого дозволяє вибірково включати ті або інші світлодіоди 3, чим досягається включення різних сегментів або груп сегментів світлопровідного елемента 2, а також зміни кольорів і яскравості світіння. Керування засноване на принципі широтно-імпульсної модуляції часу світіння світлодіоду 3, при цьому змінюється співвідношення часу його включення й відключення. Якщо це відбувається на частоті більше 100Гц, то людина не помічає мерехтіння, а око сприймає цей процес як плавну зміну яскравості світіння. Якщо у світлопровідному елементі 2 світять одночасно світлодіоди 3 з різною довжиною хвилі, то відбувається змішання кольорів, і виходять різні відтінки кольорів залежно від інтенсивності кожних базових кольорів. Світловий потік, випромінюваний кожним світлодіодом 3 із заданою довжиною хвилі світла, що має кут розсіювання не менш 100°, розсіюється його лінзою корпуса (див. Фіг.3). Поширюючись у поглибленні 4, світловий потік, попадає на лінзи 1, що утворені криволінійною полірованою поверхнею поглиблення 4. При цьому, криволінійна поверхня лінзи 1, що знаходиться глибоко усередині матеріалу світлопровідного елемента 2, забезпечує вловлювання всіх променів, які виходять від світлодіоду 3, у тому числі й бічних (див. Фіг.3), які в найближчому аналогі додаток, відбивалися від торця світлопровідного елемента 2, губилися, і таким чином не використовувалися. Від лінзи 1 світловий потік проходить усередину світлопровідного елемента 2 з оптично прозорого матеріалу з полірованими поверхнями, який є світловодом, за рахунок відомого світлопровідного ефекту й закону повного внутрішнього відбиття світлових потоків. Таким чином, досягається максимальне використання світлового потоку, підвищення коефіцієнта розсіювання світла, поліпшення яскравості, рівномірності й монотонності світіння за рахунок виключення втрат світлового потоку. Згідно з теорією геометричної оптики [3] і відповідно до технологічних відступів, пристрій для передачі світлового потоку має зону подання інформації 7, де розташована поверхня, яка рівномірно світиться, що перебуває від торця світлопровідного елемента з боку знаходження світловипромінювальних елементів 3 на певній відстані, рівній технологічній зоні 8 (обведена пунктиром на Фіг.3, додаток). При цьому, у силу конструкції пристрою по найближчий аналогу й розташування світловипромінювальних елементів 3 поблизу торця світлопровідного елемента 2 (додаток), технологічна зона 8 (відступ для подання інформації) складається з осьового розміру по довжині світловипромінювальних елементів 3 (близько 20мм), установлених на друкованій платі 5, і зони перетинання променів (затемнена), що перебуває на відстані не менш 20мм від світловипромінювальних елементів 3 (додаток). У запропонованому пристрої для передачі світлового потоку світловипромінювальні елементи 3 розташовані усередині матеріалу торцевої поверхні світлопровідного елемента 2 на всю його довжину, у поглиблення 4 з полірованою поверхнею (див. Фіг.3). Тому, технологічна зона 8 (відступ для подання інформації) складається з осьового розміру по довжині точкових джерел світла (близько 10мм), установлених на друкованій платі, і зони перетинання променів, де утворюється монотонне світіння й розміщається зображення (яка менше, майже в 3 рази, чим у найближчий аналогу), що перебуває на відстані не більше 6мм від світловипромінювальних елементів 3. При цьому, у запропонованому пристрої досягнуте зменшення ширини зони перетинання променів 7, де розташована поверхня, яка рівномірно світиться, а також у цілому значно скорочена технологічна зона 8 - відступ для подання інформації. Помітимо, що в пристрої по найближчому аналогу (додаток) світлодіоди 3 розташовані поблизу торця світлопровідного елемента 2, через що при передачі світлового потоку відповідно до теорії геометричної оптики [3] виникають кілька типів втрат: 1). Втрати, що пов'язані з особливостями діаграми спрямованості світло діоду 3, кут розсіювання світла якого становить 100\40 градусів залежно від площини виміру. Тому, що світлодіод просто приставлений до торця світлопровідного елемента 2, то частина світлового потоку не попадає в його торець і поглинається конструкцією пристрою. 2). Втрати, що пов'язані з особливістю світлопровідного матеріалу 2. При використанні акрилу на границі поділу двох середовищ (більш щільного пластику й повітря) утворюється дзеркальна поверхня, що відбиває промені світла, які приходять під кутом менш певного Qmin. Цей ефект продемонстрований на додатку, тобто бічні промені світла, випромененого світлодіодом 3, установленим впритул до торця, підходять до торцю світлопровідного елемента 2 під маленьким кутом, відбиваються від його торця й поглинаються корпусом пристрою, що приводить: по-перше до втрат світлового потоку, а по-друге - до утворення усередині світлопровідного елемента 2 яскраво виражених променів, як показано додатку, що приводить до того, що поверхня, яка рівномірно світиться, перебуває тільки на відстані близько 20мм від джерела світла. В удосконаленій пропонованій конструкції, як показано на Фіг.3, за рахунок наявності в матеріалі світлопровідного елемента 2, поглиблення з полірованими внутрішніми поверхнями за формою й розміром джерела світла (зокрема світлодіоду), виконаного переважно лазером, що утворює лінзу 1 із внутрішньою криволінійною полірованою поверхнею, яка при світінні світловипромінювального елемента 3, установленого у вирізане поглиблення 4, забезпечує захоплення максимально можливої кількості світла й розсіює його в склі (навіть бічні промені світлодіоду входять у торець під кутом 90°). При цьому, нема втрати світла, які описані як недоліки найближчий аналогу, та одержуємо краще розсіювання світла і зменшення технологічної зони за рахунок повного вставлення світлодіодів 3 усередину матеріалу світлопровідного елемента 2 і зменшення ширини чистого скла для нормального розсіювання й змішання світла. У результаті чого, з'являється можливість розташовувати носі інформації на відстані близько 6 мм від джерела світла. Таким чином, лінза 1, що утворена усередині матеріалу світлопровідного елемента 2, дозволяє оптично погодити й об'єднати кожний світловипромінювальний елемент 3 зі світлопровідним елементом 2 і максимально використати випромінюваний світловий потік. Причому, забезпечується зниження енергоспоживання. Вироби, що виготовлені із застосуванням заявленого пристрою, прості по конструкції, компактні й мають малу вагу, дуже економічні, тому що при достатній яскравості світіння вимагають використання мінімальної кількості джерел світла в порівнянні з аналогічними, які по-іншому реалізують торцеве підсвічування. Таким чином, пропонований пристрій для передачі світлового потоку дозволяє досягти максимальне використання світлового потоку, підвищення коефіцієнта розсіювання світла, поліпшення яскравості, рівномірності й забезпечення монотонності світіння поблизу торця, а також підвищення надійності, що в цілому приводить до підвищення ККД передачі світлового потоку, випромінюваного світловипромінювальними елементами, і зниженню енергоспоживання. Крім того, це приводить також до підвищення ефективності роботи пристрою й розширенню його функціональних можливостей і областей застосування. По даній корисній моделі виготовлений дослідний зразок запропонованого пристрою для передачі світлового потоку, що пройшов успішні випробування, які підтвердили його працездатність і одержання очікуваного технічного результату й позитивного ефекту. Запропонований пристрій для передачі світлового потоку може знайти застосування в ділянці інформаційних технологій, сигнальної техніки, рекламних матеріалів, світлових табло, покажчиків часу, температури, атмосферного тиску, рівня радіації й тому інше, для відображення будь-якої змінної інформації, а також у дизайні інтер'єра. Джерела інформації: 1. Патент UА №55035 А, МПК7 G 09 F 9/00, 13/00, опубл. 17.03.2003, бюл.№3. 2. Патент UA № 7518 U, МПК7 G 09 F 9/00, 13/00, F 21 V 8/00, опубл. 15.09.2006, бюл.№9 (найближчий аналог). 3. Вейнберг В.Б., Сатаров Д.К. Оптика световодов. М.: Машиностроение, 1977.