Оптична система з матрицею розподілу світла

Реферат: Оптична система з матрицею розподілу світла оснащена матрицею світлодіодів (1) як джерел світла та розміщеними паралельно внутрішньою (3) та зовнішньою панелями, які формують промені світла, випромінюваного світлодіодами, при цьому принаймні одна з панелей виконує функцію поверхні, що обмежує об'єм світла, проникаючого в систему, характеризується тим, що вхідна поверхня внутрішньої панелі (3), розміщена з боку світлодіодів (1), оснащена фокусуючими елементами, які являють собою опуклості (2), розташовані на оптичній осі кожного світлодіода (1), мають асферичну форму і радіус кривини, що збільшується в напрямку основи, причому вертикальний радіус R опуклості (2) становить 0,3-0,5 відстані s між оптичними осями сусідніх світлодіодів (1), загальна товщина d внутрішньої панелі (3) становить 1,58-2,08 відстані s, а зовнішня панель має принаймні дві заломлюючі поверхні, увігнуту поверхню (7, 7') і сферичну опуклу поверхню (8), які мають спільну вісь симетрії і прямокутний контур, при цьому заломлюючі поверхні у фронтальній проекції покривають квадратну матрицю з чотирьох сусідніх опуклостей (2), що виступають з внутрішньої панелі (3). Поверхня, що обмежує об'єм світла, проникаючого в систему, являє собою апертурну поверхню (4, 4'), яка є зовнішньою поверхнею внутрішньої панелі (3) , в якій на оптичній осі кожного світлодіода (1) виконане кругле віконце (5). UA 101080 C2 (12) UA 101080 C2 UA 101080 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Об'єктом винаходу є оптична система з матрицею розподілу світла, зокрема для дорожніх знаків змінної інформації, із застосуванням матриці зі світлодіодами як джерелами світла. В патенті ЕР 0930600 описані оптичні системи розподілу світла, застосовувані в дорожніх знаках змінної інформації, які включають окремі оптичні системи, що мають світлодіод (СД), діафрагму, збираючу лінзу та розсіюючу лінзу, розміщені коаксіально в одному корпусі. Відстань між цими лінзами вибрана таким чином, що сонячне світло ззовні максимально зменшується за допомогою або діафрагми або стінки корпусу. Це запобігає фантомному явищу, яке проявляється як видиме світло, викликане відбиванням сонячних променів від відбивачів або інших елементів оптичної системи. Недоліком окремих оптичних систем є наявність великої кількості оптичних елементів складної геометрії, розміщених в окремому корпусі, що ускладнює встановлення і технічне обслуговування. Крім того, таке рішення не забезпечує хорошої видимості відображуваної інформації з великої відстані. Також відомі оптичні системи для дорожніх знаків, оснащені оптичними елементами, об'єднаними з матрицею зі світлодіодами, які створюють промінь світла. Такі системи можуть бути оснащені оптичними фільтрами, стрижневими лінзами, зонованими лінзами або іншими елементами, які обмежують або формують світло, що проникає в систему. Додаткові оптичні елементи дають можливість надавати форму світловому потоку на виході із системи та усувати відблиск від точкового джерела світла або фантомний ефект. У патенті ЕР 1091167 описана оптична система зі світлодіодами для світлофорів, в якій промені світла, випромінюваного діодами, формуються внутрішньою панеллю зі збираючими лінзами та лінзами Френеля, а вихідна частина системи виконує функцію діафрагми з оптичного матеріалу, при цьому функціональні елементи внутрішньої поверхні обмежують розподіл світла, що проникає в систему, і запобігають фантомному явищу. У патенті DE 102005002535 описана оптична система з матрицею світлодіодів для розподілу світда для дорожніх знаків, в якій елемент, що обмежує і формує промінь світла, що проникає в систему, включає однорідну плоску панель, виконану з оптичного органічного матеріалу або скла, і лінзу, розміщену між цією панеллю і світлодіодом. Внутрішня та зовнішня поверхні панелі закриті апертурною поверхнею, утвореною перфорованою діафрагмою з круглими отворами, що пропускають світло і розміщені на оптичній осі кожного світлодіода. В цьому рішенні лише частина світла, випромінюваного світлодіодами, проходить крізь ці круглі отвори в діафрагмі, а інша частина затуляється матеріалом діафрагми. Запропонована даним винаходом оптична система з матрицею розподілу світла, оснащена матрицею зі світлодіодами як джерелами світла та розміщеними паралельно внутрішньою та зовнішньою панелями, які формують промені світла, випромінюваного світлодіодами, при цьому принаймні одна з панелей виконує функцію поверхні, що обмежує об'єм світла, проникаючого в систему, характеризується тим, що на вхідній поверхні внутрішньої панелі, розміщеній з боку світлодіодів, розташовані фокусуючі елементи, що являють собою опуклості, розміщені на оптичній осі кожного світлодіода, які мають асферичну форму і радіус кривини, що збільшується в напрямку основи. Вертикальний радіус R опуклості становить 0,3-0,5 відстані s між оптичними вісями сусідніх світлодіодів. Загальна товщина d внутрішньої панелі становить 1,58-2,08 відстані s. Зовнішня панель має принаймні дві заломні поверхні зі спільною віссю симетрії і прямокутним контуром, увігнуту поверхню і сферичну опуклу поверхню. Ці заломні поверхні у фронтальній проекції покривають квадратну матрицю з чотирьох сусідніх опуклостей на внутрішньої панелі. Поверхня, що обмежує об'єм світла, проникаючого в систему, являє собою апертурну поверхню, яка є зовнішньою поверхнею внутрішньої панелі і в якій на оптичній осі кожного світлодіода виконане кругле віконце. Краще, коли довжина бічної сторони внутрішньої панелі є k-кратною відстані s, де k - це натуральне парне число від 2 до 100. Також краще, коли апертурна поверхня внутрішньої панелі утворена перфорованою діафрагмою, приклеєною до цієї панелі. В іншому варіанті виконання внутрішньої панелі апертурна поверхня являє собою фасонну поверхню, що включає симетричні опуклі сегменти у формі зрізаних конусів, причому круглі віконця формують їхні фронтальні поверхні. Краще, коли зовнішня панель виконана у формі однорідної панелі з контуром, що відповідає контуру внутрішньої панелі, притому що вихідна поверхня являє собою сферичну опуклу поверхню. В іншому варіанті виконання зовнішньої панелі заломні поверхні виконані на окремих панелях - першій і другій, з яких перша панель знаходиться з боку внутрішньої панелі. 1 UA 101080 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Краще, коли заломні поверхні розміщені з боку зазора, відокремлюючого згадані панелі, а інші поверхні є плоскими. Також краще, коли вихідна поверхня є сферичною опуклою, а увігнута поверхня розміщена на першій панелі з боку внутрішньої панелі. Краще, коли вихідна поверхня є увігнутою, а сферична опукла поверхня розміщена на першій панелі з боку другої панелі. Також ефективним є таке виконання зовнішньої панелі, в якому між згаданими панелями є відокремлюючий шар оптичного матеріалу, що пропускає світло. Краще, коли зазначена увігнута поверхня має форму бічної поверхні конуса з вертикальним кутом в межах 140°-175°. Також краще, коли ця увігнута поверхня має форму тетрагональної піраміди з вертикальним кутом, виміряним в стандартній площині до бічної сторони панелі, в межах 140°-175°. Краще, коли відношення між активним діаметром  круглих віконець до діаметра  е основи опуклості становить 0,15-0,45. Запропоноване рішення забезпечує компактну конструкцію завдяки об'єднаній системі матриці світлодіодів з панелями. В межах цієї системи панелі покривають принаймні одну квадратну матрицію світлодіодів, які є джерелами світла. Завдяки геометрії панелей промені світла, випромінюваного цими діодами, формуються і регулюються зовнішньою та внутрішньої панелями і після цього вони розповсюджуються в напрямку, паралельному оптичній осі світлодіодів і фокусуючих елементів, і спостерігач бачить всі діоди однаково як точки світла однакової інтенсивності яскравості. Параметри конструкції оптичної системи з матрицею розподілу світла обумовлюються вимогами щодо видимості дорожніх знаків змінної інформації. Діодне зображення, отримане в запропонованій системі, дуже добре видно з великих відстаней, а конструкція системи і застосування апертурної поверхні гарантовано виключають фантомне явище. Крім того, конструкція панелей дає можливість виготовляти їх у формі панелей з розмірами, регульованими до типових розмірів дорожніх знаків змінної інформації, що полегшує їх виготовлення і технічне обслуговування та забезпечує більшу надійність упродовж тривалого періоду експлуатації. Винахід проілюстровано кресленнями, на яких: фіг. 1 - вигляд у розрізі оптичної системи з матрицею розподілу світла; фіг. 2 - вигляд спереду внутрішньої панелі; фіг. З - панелі у розрізі; фіг. 4 - вигляд у розрізі зовнішньої панелі, виконаної у формі однорідної панелі; фіг. 5 - вигляд у розрізі іншого варіанта виконання панелей; фіг. 6 - вигляд збоку іншого варіанта виконання оптичної системи з матрицею розподілу світла; фіг. 7 - вигляд спереду внутрішньої панелі з фіг. 6; фіг. 8 - вигляд у розрізі зовнішньої панелі з плоскою вихідною поверхнею; фіг. 9 - вигляд у розрізі зовнішньої панелі з опуклою вихідною поверхнею; фіг. 10 - вигляд у розрізі зовнішньої панелі з увігнутою вихідною поверхнею; фіг. 11 - вигляд у. розрізі панелі з увігнутою поверхнею у формі тетрагональної піраміди. Як показано на фіг. 1, оптична система з матрицею розподілу світла має матрицю світлодіодів 1, які є джерелами світла, і дві паралельні панелі - внутрішню панель 3 і зовнішню панель, які формують промені світла, випромінюваного світло діодами 1. Вхідна поверхня внутрішньої панелі 3, з боку світлодіодів 1, виконує функцію фокусуючих елементів, які являють собою опуклості 2, розміщені на оптичній осі кожного світлодіода 1. Ці опуклості 2 мають асферичну форму і радіус кривини, що збільшується в напрмяку основи. Вертикальний радіус R опуклості 2 становить 0,3-0,5 відстані s між оптичними осями сусідніх світлодіодів 1, а загальна товщина d внутрішньої панелі 3 становить 1,58-2,08 відстані s. Зовнішня панель має принаймні дві заломні поверхні зі спільною віссю симетрії і прямокутним контуром, увігнуту поверхню 7 і сферичну опуклу поверхню 8. У фронтальній проекції ці заломні поверхні покривають квадратну матрицю з чотирьох сусідніх опуклостей 2 на внутрішній панелі 3. Крім того, поверхня, що обмежує об'єм світла, проникаючого в систему, являє собою апертурну поверхню 4, 4', яка є зовнішньою поверхнею внутрішньої панелі 3. Апертурна поверхня 4, 4' має круглі віконця 5, кожне розміщенеі на оптичній осі кожного світлодіода 1. Довжина бічної сторони внутрішньої панелі 3 є k-кратною відстані s, де k - це натуральне парне число від 2 до 100. Апертурна поверхня 4 внутрішньої панелі 3 утворена перфорованою діафрагмою. Зовнішня панель виконана з однорідної панелі 6, контур якої відповідає контуру внутрішньої панелі 3, за умови що вихідна поверхня є сферичною опуклою поверхнею 8, а увігнута поверхня 7 має форму бічної поверхні конуса. В іншому варіанті виконання однорідної панелі 6, показаній на фіг. 4, увігнута поверхня 7' має форму бічних сторін тетрагональної піраміди. 2 UA 101080 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Як показано на фіг. 2 і 3, найменший модуль конструкції, що відтворює запропоновану систему, окреслює сторони внутрішньої панелі 3 довжиною, що дорівнює подвійній відстані s між оптичними осями сусідніх світлодіодів 1, і покриває квадратну матрицю з чотирма сусідніми опуклостями 2, утвореними на вхідній поверхні Є з боку матриці світлодіодів. Такий самий контур сторін спереду показаний на однорідній панелі 6, яка є частиною згаданого модуля. Як показано на фіг. 5, в іншому варіанті виконання зовнішньої панелі заломні поверхні розташовані на окремих панелях 11 і 12, причому перша панель знаходиться з боку внутрішньої панелі 3, а друга розміщена таким чином, що вихідна поверхня повернута безпосередньо до спостерігача. Вихідна поверхня панелі складається з асферичної опуклої поверхні 8, при цьому увігнута поверхня 7 розміщена на першій панелі 11 з боку внутрішньої панелі 3. Між панелями 11 і 12 може бути розміщений відокремлюючий шар 10 оптичного матеріалу, що пропускає світло. Як показано на фіг. 6, в іншому варіанті виконання внутрішня панель 3 має фасонну апертурну поверхню 4', що включає симетричні опуклі сегменти 9 у формі зрізаних конусів, фронтальні поверхні яких являють собою круглі віконця 5. В цій системі зовнішня панель включає окремі панелі 11 і 12, за умови що заломні поверхні розміщені з боку зазора, що відокремлює обидві панелі, а інші поверхні є плоскими. Увігнута поверхня 7 виконана на першій панелі 11, а сферична опукла поверхня 8 знаходиться на другій панелі. Фасонна апертурна поверхня 4' полегшує формування променя світла, що виходить з системи, і обмежує об'єм зовнішнього світла, проникаючого в систему, завдяки відбиванню та розсіюванню на згаданій фасонній поверхні. На фіг. 7 показана апертурна поверхня 4', виготовлена з чотирьох симетричних опуклих сегментів 9, зображених на фіг. 6. Фронтальні поверхні цих сегментів мають круглі виконця 5, геометричні вісі яких розміщені на відстані s, що дорівнює відстані s між оптичними вісями сусідніх світлодіодів 1, які є частиною системи. Зовнішня панель, виконана з двох окремих панелей 11 і 12 із заломними поверхнями, що формують промені, які виходять із системи в напрямку до спостерігача, може характеризуватися різними положеннями цих заломних поверхонь відносно одна одної. На фіг. 8 поверхні зовнішньої панелі розміщені у порядку, зворотному порядку в зовнішній панелі, зображеній на фіг. 6. На першій панелі 11 знаходиться сферична опукла поверхня 8, а на другій панелі 12 - увігнута поверхня 7. На фіг. 9 вихідна поверхня зовнішньої панелі являє собою сферичну опуклу поверхню 8, а увігнута поверхня 7 розміщена на протилежній стороні панелі - на першій панелі 11. На фіг. 10 вихідна поверхня зовнішньої панелі являє собою увігнуту поверхню 7, а сферична опукла поверхня 8 розміщена на першій панелі 11, з боку другої панелі 12. На фіг. 11 показаний інший варіант виконання панелі, яка є частиною зовнішньої панелі і на якій виконана увігнута поверхня 7'. В цьому випадку увігнута поверхня Т має форму бічних сторін тетрагональної піраміди, завдяки чому зовнішні краї цієї поверхні знаходяться на одній площині. У прикладі здійснення запропонованої системи внутрішня панель 3 і панелі, з яких складається зовнішня панель, виготовлені з оптичного органічного матеріалу з показником заломлення 1,49-1,55, визначеним при довжині хвилі 587,56 нм. Форма опуклості 2 є аналогічною обертовому параболоїду. Асферична поверхня опуклості 2, що виникає з подовження конічних кривих, має діаметр  е основи, і її форма визначається ексцентриситетом . Круглі віконця 5 апертурної поверхні 4 і 4 мають активний діаметр . Загальна товщина d панелі 3 виміряна вздовж оптичної осі. Відстань g між круглими віконцями 5 і зовнішньою панеллю вибрана відповідно до геометрії оптичних елементів системи і не перевищує відстані s між оптичними вісями сусідніх світлодіодів 1. Відстань c між фронтальною поверхнею кожного діода і поверхнею опуклості 2 вибрана відповідно до тілесного кута розподілу світла для конкретного типу діода, зокрема напівсферичної форми. Діоди можуть випускатися в різноманітних колірних варіантах, в залежності від вимог. Технічні дані описаного варіанта виконання запропонованої системи, з напівсферичними світлодіодами 1 діаметром 5 мм і кутом розподілу світла 15°, були такими: R=3,0 мм =1,0 d=17,8 мм е= 8,38 мм =2,0 мм g=4,0 мм s=10,0 мм. 3 UA 101080 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Вертикальний кут увігнутої поверхні 7, 7', виміряний в стандартній осьовій площині, до сторони внутрішньої панелі становив 140°-175°. В системі, виконаній таким чином, плоский кут розподілу світла на виході системи не перевищував 12°. В одному варіанті запропонованого рішення внутрішня панель 3 може бути виготовлена з пластмаси методом литття, лиття під тиском або іншим методом, застосовуваним при обробці пластмаси. Система може включати внутрішню панель 3 з формою, показаною на фіг. 1 або 2, і будь-яку зовнішню панель з формою, показаною на фіг. 1, 4, 5, 6, 8, 9 і 10. Розміри панелей можна встановлювати відповідно до типових конфігурацій матриць оптичних систем в цьому типі панелей, з квадратним або прямокутним контуром. Панелі також можуть бути з'єднані своїми бічними сторонами. Активна поверхня апертурної поверхні 4 і 4 визначається поверхнею круглих віконець 5 активного діаметра . Відношення між активним діаметром  круглих віконець 5 і діаметром  опуклості 2 становить 0,15-0,45. Плоска апертурна поверхня 4 може бути виконана у формі перфорованої діафрагми, виготовленої з тонкого затемненого листового матеріалу, фольги або іншого покривного матеріалу, не пропускаючого світла, розміщеного на панелі. У разі застосування фасонної апертурної поверхні 4, об'єм світла, проникаючого в систему, обмежується завдяки заломленню та розсіюванню світла, що падає на конічні поверхні навколо круглих віконець 5. Ці поверхні можуть бути прозорими, матовими або покритими відповідним покриттям. Промінь сонячного світла, що проходить через круглі віконця 5 всередину системи, слабшає в матеріалі панелі в результаті розсіювання та абсорбцій, або виходить із системи. Залишкове світло, яке повертається через круглі віконця 5, є невидимим для спостерігача і не заважає інформації на знаку. Крім того, вихідна поверхня зовнішньої панелі може бути покрита противідбивним шаром, що пропускає світло. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Оптична система з матрицею розподілу світла, що оснащена матрицею світлодіодів як джерел світла та розміщеними паралельно внутрішньою та зовнішньою панелями, які формують промені світла, випромінюваного світлодіодами, при цьому принаймні одна з панелей виконує функцію поверхні, що обмежує об'єм світла, проникаючого в систему, яка відрізняється тим, що вхідна поверхня внутрішньої панелі (3), розміщена з боку світлодіодів (1), оснащена фокусуючими елементами, які являють собою опуклості (2), розташовані на оптичній осі кожного світлодіода (1), мають асферичну форму і радіус кривини, що збільшується в напрямку основи, причому вертикальний радіус R опуклості (2) становить 0,3-0,5 відстані S між оптичними осями сусідніх світлодіодів (1), і загальна товщина d внутрішньої панелі (3) становить 1,58-2,08 відстані s, а зовнішня панель має принаймні дві заломлюючі поверхні зі спільною віссю симетрії і прямокутним контуром, увігнуту поверхню (7, 7') і сферичну опуклу поверхню (8), при цьому заломлюючі поверхні у фронтальній проекції покривають квадратну матрицю з чотирьох сусідніх опуклостей (2) на внутрішній панелі (3); при цьому поверхня, що обмежує об'єм світла, проникаючого в систему, являє собою апертурну поверхню (4, 4'), яка є зовнішньою поверхнею внутрішньої панелі (3), в якій на оптичній осі кожного світлодіода (1) виконане кругле віконце (5). 2. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що довжина бічної сторони внутрішньої панелі (3) є k-кратною відстані s, де k - це натуральне парне число від 2 до 100. 3. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що апертурна поверхня (4) внутрішньої панелі (3) утворена перфорованою діафрагмою, приклеєною до панелі. 4. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що апертурна поверхня (4') внутрішньої панелі (3) являє собою фасонну поверхню, що включає симетричні опуклі сегменти (9) у формі зрізаних конусів, фронтальні поверхні яких являють собою круглі віконця (5). 5. Система за п. 1 або 2, яка відрізняється тим, що зовнішня панель виконана з однорідної панелі (6), контур якої відповідає контуру внутрішньої панелі (3), притому що вихідна поверхня являє собою сферичну опуклу поверхню (8). 6. Система за п. 1 або 2, яка відрізняється тим, що заломлюючі поверхні розміщені на окремих панелях (11, 12), першій і другій, які складають зовнішню панель, причому перша панель розміщена з боку внутрішньої панелі (3). 7. Система за п. 6, яка відрізняється тим, що заломлюючі поверхні розміщені з боку зазору відокремлюючої панелі (11, 12), а інші поверхні є плоскими. 8. Система за п. 6, яка відрізняється тим, що вихідна поверхня являє собою сферичну опуклу поверхню (8), а увігнута поверхня (7) розміщена на першій панелі (11) з боку внутрішньої панелі (3). 4 UA 101080 C2 5 10 9. Система за п. 6, яка відрізняється тим, що вихідна поверхня являє собою увігнуту поверхню (7), а сферична опукла поверхня (8) розміщена на першій панелі (11) з боку другої панелі (12). 10. Система за п. 6, яка відрізняється тим, що між панелями (11, 12) знаходиться відокремлюючий шар (10) оптичного матеріалу, що пропускає світло. 11. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що увігнута поверхня (7) має форму бічної поверхні конуса з вертикальним кутом в межах 140°-175°. 12. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що увігнута поверхня (7') має форму тетрагональної піраміди з вертикальним кутом, виміряним в стандартній площині до сторони внутрішньої панелі, в межах 140°-175°. 13. Система за п. 1, яка відрізняється тим, що відношення між активним діаметром Ø круглих віконець (5) до діаметра Øe основи опуклості (2) становить 0,15-0,45. 5 UA 101080 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6