CN101889113A - 光导系统 - Google Patents

Abstract

描述了借助光导器接收和传输环境光(22)的光导系统，该系统包括至少一个用于接收光的光收集单元，和用于将所接收的光传输到远离该单元的一个位置处的光传输装置，其中所述至少一个光收集单元(30)包括多个光导器(70-79)，光导器的接收光的末端(34)被布置为行(36)和列(38)的二维阵列，而在这些末端的下游，所述光导器阶式地组成多个外向传输光导器(40)，所述外向传输光导器的数量基本小于接收光的末端的数量，且所述外向传输光导器组成了所述光传输装置。所述系统具有巨大的光收集能力，其可被制造得非常紧凑，且尤其适于路标系统。

Description

光导系统

背景技术

本发明涉及一种光导系统，其用于通过光导器(light guide)接收和传输环境光，该系统包括至少一个用于接收光的光收集单元，和用于将所接收的光传输到远离该单元的一个位置处的光传输装置。

这样的系统例如可以用在用于标记车辆司机前方的道路段和/或警示所述车辆之后的车流的无源路标系统中。

环境光被理解为指示这样的光：第一种情况是，那些存在于一个空间中的但并非出于照射所述光导系统这一原因和/或目的的光。这样的环境光例如是来自车辆头灯的光，该光被用于照亮车辆司机前方的道路段。环境光也可以是来自其他照射源的光，这些照射源被用于其他目的。所述光导系统允许将这种光在远离产生它的位置的一位置处用作第二用途。环境光也可以是日光。

无源路标系统被理解为指的是如下的系统，这种系统没有属于自身的光源，但却使用已有的光。这样的系统例如可以用于，由于未承担足够大的交通密度而在黑暗时段内不值得提供全人工照明的道路或其路段。对道路的人工照明需要大量能量，从而无论何时何地均应尽可能避免。同样，在自由的或受保护的自然区域中，人工道路照明是不希望有的或甚至是不允许的，因为其促成了所谓的光污染，而光污染正在变成日益严重的全球问题，尤其在人口密集区域附近。

因此需要一种如下的路标或能见系统，这种系统不消耗能量，且仅当需要时才局部地接通或发射光。传统地，这样的系统包括路上的一系列所谓的“猫眼”，它们包括弹性地安装在部分沉入路面的铸件中并且以例如沥青或水泥被密封定位的反射元件。反射元件反射来自汽车头灯的入射光。因此汽车司机将仅看到来自位于从他的头灯发出的那一滩亮光之内的猫眼的反射，从而限制了道路能见距离。当司机将其头灯光束调低时，例如由于另一车辆正来自对面，来自他的头灯的光将相对少，而道路能见距离将进一步减少。此外，一旦道路转弯达一定程度，则猫眼将在错误的方向上把光反射给司机，从而只能看到任何道路拐弯的开始部分，而这可能发生在已经来不及减速的时刻。此外，为了效率起见，猫眼应该尽量少地凸出地面，例如在路表面之上5mm，而为安全原因仅允许凸出3mm。

PCT专利申请WO 88/07560公开了，无源路标系统的短距离能见度问题可以通过使用这样的一系列光接收器和一系列光发射器来解决：所述一系列光接收器和一系列光发射器均相对于车辆轨道固定，由此每个接收器均被布置为对来自车辆头灯的光作反应，以使得远离该接收器的至少一个发射器发射光。在一个优选实施方案中，每个光接收器都通过光纤连接到单个光发射器。当车辆开着头灯沿道路行进时，来自这些头灯的辐射就相继入射到光接收器上并且沿着光纤传递到相关联的光发射器，这些发射器相继地发射光。以此方式，可增加能见距离，这取决于相关联的一对接收器-发射器之间的距离。此外，布置在道路拐弯处的发射器，可从和它们相关联的接收器处接收光，使得该拐弯对于司机及时可见。

然而，我们公司认为，根据专利申请WO 88/07560的系统实际上不会充分起作用，因为它不满足道路系统的光照要求。这一点由我们所知晓的该系统尚未付诸现实这一事实而得到佐证。

英国专利申请GB2314107公开了一种道路能见系统，其具有一系列光接收/发射单元，其中也使用了光纤来将光从每个单元传递到其他单元。每个单元包括一个凸接收透镜，其用于接收来自车辆头灯的光；还包括一个凹发射透镜，其用于将从其他单元所接收的光发射给车辆司机。该系统的特殊之处在于，在光接收透镜的两边均布置了一根光纤用于将由该透镜所接收的光传输到前面单元和后继单元的光发射透镜，而在发射透镜的两边布置了一个半反射表面和三根光纤，使得所接收的光中仅有一部分被发射，而其余则被发送到前面单元和后继单元的发射透镜。这一系统也不适合在道路上实施。

发明内容

本发明的一个目标在于提供一种无源可见光传输系统，其既具有改进的光接收容量，又具有紧凑的结构，并且既非常适于路标系统又非常适于其它应用。此系统的特征在于，所述至少一个光收集单元包括多个光导器，所述光导器的接收光的末端被布置为行与列的二维阵列，而在这些末端的下游，光导器阶式地组成多个外向传输光导器，该传输光导器的数量基本小于接收光的末端的数量，且这些传输光导器组成了所述光传输装置。

术语“阶式地组成”应被理解为意指，设有接收光的末端的所述一级光导器一起汇流到二级光导器中，而二级光导器再次一起汇流，等等，从而最终由在一个单元之内的光导器的接收末端所接收的全部光都被聚集到少数几个外向光导器之内。因此，在一个单元中的光导结构是倒树结构。

本发明基于下述观点，仅当所捕获的环境光的量基本大于可由单个的并间隔开的光接收器(即便当这些接收器设有透镜)组成的线性阵列所捕获的光量时，无源光传输系统才是有效的。“有效”被理解为意指，该系统能够在所需位置处供应所需量的光，以使得在这些位置可执行所需的功能，例如向车辆司机发射充足的引导光。这通过在所述第一位置也即路面区域或其他道路位置使用大量光导器来实现，所述光导器被车辆头灯的光所淹没。这些光纤的第一末端构成了所述光接收器，并且与现有技术系统相比，光接收面积大大增加。

本发明内含的第二观点是，始自“淹没”区域的如此大量的光导器不能作为一个包含同样数量光导器的包而延伸到待要利用该光的第二区域，因为这样的包将会庞大、易损坏且昂贵。例如，待要被布置在道路中或道路上的光导系统应具有非常有限的高度，因为道路应尽量保持完好以维持其机械强度。这一新颖光导系统的一个非常重要且创新的方面在于，一个单元的所有光导器均被组合到少量的光导器以用于将光从第一单元传输到第二单元，使得对于该系统中的较长距离，仅需要少数几个光导器，从而使得该系统可轻易地被实施在现有的结构例如道路、隧道等中。

墨西哥专利申请MX PA03011492的英文摘要和附图公开了一种自照明的道路安全和信令系统，其包括沿着道路布置的模块线性阵列。每个模块包括多个光纤，其接收光的末端面以二维阵列形式被布置在暴露于车辆头灯下的模块表面中。所述光纤通过布置在模块之间的连接器元件和光缆将所接收的光传输到接下来的模块。在光缆中光纤的数量等于在模块中光纤的数量，且因此未被大大减少，从而这一系统并未显示出本发明的主要特征。

由于本发明的发明构思是一个非常上位的构思，故而它不仅可用于诸如用于道路车辆、火车和飞机等的路标系统，而且可用于其他系统，包括其中迄今尚未使用过这样的光导传输系统的系统。这样的系统例如用于交通道路或其他的显示器、以及户内或户外的照明系统。

应理解本发明的系统是完全无源的系统，其除了利用诸如来自车辆的光、街灯或日光等已有的环境光之外，不需要外部光功率输入。从而该系统要求最少的维持成本，且紧凑的光导结构可在该道路或建筑物的建造期间或之后被轻易地嵌入例如道路表面或建筑物中。

该系统的一个简单实施方案设有第二单元，其包括只有一个或几个光导器的壳，所述光导器提供了光，所述光可被用于例如标记或简单显示器等不同目的。

根据本发明的光导系统，其尤其但不排他地适于路标，其特征优选地在于其包括多个——至少一个——另外的收集单元，该另外的收集单元包括以与在第一光收集单元中的光导器相类似的方式被布置的接收光的光导器。

在这一实施方案中，在另一单元的区域可获取的环境光可被捕获，并被传输到一个远处的单元，使得该系统的效率倍增。该系统的另外其他单元也显示出此特征，使得耦合到此系统中的光的量随着单元的数量而增加。从而，由一个单元所接收到的光可在该单元处被传输到待要被使用的另一个远处单元。也可以将由多个单元所接收到的合并后的光传输到一个远处的位置。应理解，所设想的应用确定将选择哪一种。

尤其但不排他地适于路标的所述系统的一个实施方案的特征优选地还在于，所述另外的收集单元包括用于将从一个前面的单元收到的光分割成一部分被该单元发射的光和一部分被传递到后继单元的光，和用于将该单元所接收的光与所传递的光合并的分光和光合并装置。

因此，沿着所述系列的单元前进，所接收的光的量逐个单元增加，从而补偿了光的损耗。以此方式，获得了最有效的实施方案。由一个单元发射的光可以只是从前面单元被传输到该单元的光的一小部分。原则上在第一单元内不需要所述分光和光合并装置，但是为了高效的制造，优选的是一致的单元，从而在实践中所述第一单元也设有所述分光和光合并装置。

该系统的特征优选地在于，收集单元的光导器阶式地组成多个——至少一个——外向光导器。

如果这些单元仅示出了一个或多个外向光导器，则该系统可被做得非常紧凑且可以受到非常良好的保护，并且可在已有的结构中被轻易地实施。

该系统的优选特征在于每一行接收光的光导器末端都包括多个间隔开的透明窗口，所述透明窗口用于将光传递到多个接收光的光导器末端。

光导系统的一个实施方案的特征在于，对于每个窗口，设有和该窗口相关联的接收光的末端的一级光导器组成二级光导器。

该实施方案的特征优选地还在于，对于每行窗口，所述二级光导器组成了三级光导器。

以此方式，得到了用于实现最少数量的外向光导器的一个实际方法。为了进一步减少数量，该行三级光导器可组成四级光导器。

为了增加所接收的光的量，该系统的特征在于，接收的光导器末端设有透镜。

从而，通过窗口的可被相关联的光导器所捕获的光的部分可被增加。

也可为窗口设置一个透镜，从而增加可被窗口捕获的环境光的量。还可为窗口和相关联的接收光的光导器均设置透镜。

所述光导系统的特征还在于，在每个窗口后面的光路之中，所述第一和第二反射表面中的至少第一个被布置为将光反射到光导器的相关联接收末端。

所述光导器可以是光纤或光学波导。适于该目的的显示出圆形横截面且其中光沿着被包层所包覆的芯传播的光纤，是易于获得的。适于该目的的波导结构——其中光在具有或多或少矩形横截面的沟道中传播——则更为复杂且需要设计精力。制造包括波导结构的光收集单元比制造包括光纤的光收集单元需要更少的工艺步骤。该光导系统的具体应用将决定优选使用光纤还是优选使用波导结构。

本发明还涉及一种路标系统，其包括如上所述的一种光导系统。这一路标系统的特征在于，所述光导系统的收集单元在行车方向上延长，并且在此方向上被布置成一系列。

以此方式，来自车辆的光将沿着该车辆行经的路程而被收集，而所接收到的光将可被提供在所需的远处位置。收集单元的这一间隔距离是由具体的道路要求所决定的。如果要求连续的发光带，这些单元应被布置为彼此倚靠。如果满足具有间隔的光照路标，则收集单元可以以一间隔距离被布置，该间隔距离例如为单元长度的一到十倍，该共同长度待由道路管理部门决定。

这一路标系统的特征还在于，每个收集单元包括至少一个光发射的光导器，以将光导向至车辆司机。

已经示出了，在每单元仅一个光发射器的情况下，车辆司机将收到足够的可视信号。从而，来自前面单元和当前单元的光的最大部分可被发送到前方的单元。所述光导系统允许发射器发射例如黑暗道路所需的500毫坎德拉的光强度。光发射器可被容纳到收集单元的窗口之中，且相关联的光导器可以是与窗口相关联的光导器之一。

优选地，路标系统的特征在于，各行窗口被布置为和行车方向成一角度，该角度适应于收集单元沿道路宽度方向的位置。对于待要被布置在直线行驶车道的右侧的系统，所述各行以例如75°的角度倾斜朝向车道轴，而对于待要被布置在直线车道的轴处的系统，所述各行以更大的角度倾斜朝向车道轴。对于弯曲车道部分，可选择另一角度。将行的方位调整适应于车辆头灯路线的光强分布，允许接收更多量的光。

本发明的另一主要方面涉及下列具体问题，该问题出现于该新颖光导系统的概念被实施于适于在严酷的环境下使用的强健且牢固的路标系统中时。这些问题涉及板形单元应具有的机械强度——尽管设有透明窗口；并且涉及总是应该有足够的光到达这些窗口这一要求，尽管事实上，道路对于光收集器件来说是非常不理想的环境。

为了解决所述机械强度问题，所述路标系统的特征在于，在收集单元的上表面，每行窗口均被布置在两柱之间，所述柱垂直于该表面并且被平行于该表面的撑条覆盖，且其特征在于，在所述窗口前方的板表面区域倾斜朝向窗口的下边并且被凸起部件邻接。

所述板表面区域，其可被称为允许光进入区域，保证了足够的光到达所述窗口。所述柱和撑条组成了对窗口的机械保护。而凸起部件和所述柱一起吸收了由滚过单元板的车轮所施加的压力。

优选地，所述路标系统的特征在于，在平行于所述单元表面的平面中，所述凸起部件具有三角形外形，该三角形的顶点朝向前面行的窗口。

凸起部件的这种形状一方面允许了最优化允许光进入区域的尺寸，另一方面允许了最优化机械强度。

在路标系统中获得了对窗口的机械强度的进一步改进，其特征在于一行窗口和相间的柱的是被一个撑条覆盖的，且其特征在于该撑条具有锯齿状的上表面。

在柱的上方的撑条部分凸出到窗口上方的撑条部分以上，使得前者部分、以及相应的柱、以及凸起部件首先吸收车轮的压力，从而较少的压力被施加在窗口上。

为了防止水和尘土覆盖单元表面结构并且阻碍路标系统的运作，该系统的特征还在于，与一行窗口相关联的凸起部件从前面的一行延伸靠近与先提到的所述行相关联的柱。

因为凸起部件不汇入相关联的柱，且在其间留有某些空间，故而在单元表面的最低部分形成了沟槽，用于从所述表面除水和除尘。灰尘也可以通过由滚过收集单元的车轮所造成的空气湍流被除去。

在路标系统中获得了改进的除水和除尘，其特征在于单元的上表面在所述这些行窗口的两侧均设有一个凹槽，该凹槽具有一个陡峭的壁和一个倾斜的壁。

这一凹槽当车轮滚过收集单元时造成了额外的湍流，这导致了改进的除水和除尘。

附图说明

通过参照下文所述实施方案的非限制性实施例，本发明的这些和其他方面将被阐释且变得明了。在附图中：

图1示出了现有技术的车辆引导系统；

图2立体性地示出了图1的系统中使用的单元的图；

图3示出了根据本发明的一个单元的原理图；

图4示出了这样的单元的一个实施方案的顶视图；

图5示出了这样的单元的一行窗口的前视图；

图6示出了通往光导器的内部光路的横截面图；

图7示意性地示出了一级光导器如何组成二级光导器；

图8示出了一模拟部件，其表示包括在收集器单元中的分光和光合并功能；

图9立体性地示出了用在路标系统中的一个单元的一部分；

图10示出了此单元的锯齿状的上表面的前视图；

图11示出了该单元的一部分的横截面图；

图12示出了新颖光导系统的另外第一种应用，而

图13示出了新颖光导系统的另外第二种应用。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，将简要论述从PCT专利申请WO 88/07560中了解到的车辆引导和接近度警示系统。图1示出了道路10的垂直切面图，该道路设有车辆警示系统。该系统包括多个标记和/或警示单元12，以及光纤电缆14，其用于将一个单元与另一个单元光学地连接。单元12被嵌入在道路10的表面之中，并且光纤电缆被埋在道路中。如图2所示，每个单元12包括橡胶或类似材料的块16的形式的外壳，其适于当被车轮接触时就收缩在路面内。被部分封装在块16中的有，接收透镜17、发射透镜18，以及反射器19，由此，一个单元的接收透镜和另一个单元的发射器透镜光学相连。

当车辆20开着其头灯沿道路10移动时，来自这些头灯的光22就落在相继的单元12的接收透镜17之上，并且沿着光纤电缆14被传输至例如后方的单元所关联的发射透镜18。相继的发射透镜将光——其可能已被滤色器着上红色——发射到后面跟随的车辆的司机，以使司机被提前警示：车辆20在其前方。通过将接收透镜和前方的发射透镜光学相关联，沿车辆移动的方向24，实现了一种车辆引导系统，由此发射透镜起了路标的作用。

在这种车辆引导系统中，在行车方向上的在被车辆头灯瞬时照亮的道路区域前方的位置处的路标(发射透镜)将对司机可见。以这种方式，增大了司机能看到路标的最大距离。此外，其使得司机可观察到在道路拐弯处的路标。路标观看距离是由在接收透镜17和相关联的发射透镜之间的光纤线缆长度、以及由接收透镜所捕获的光的量决定的。现在，已认识到专利申请WO 88/07560的车辆引导系统并不会根据需求运行，并且原理上也不能根据需要运行，因为可由间隔开的单元12的接收透镜所捕获的光的量太小了，以至于不能向相关联的发射器透镜提供以足够的光强，也即足以桥接从瞬时光发射透镜到车辆司机的距离的光强。

本发明提供了一种光导系统，其允许收集基本更为多的环境光例如车辆头灯光，并且通过紧凑的装置将所收集的光传输到所要求的位置。

新的光导系统的第一主要特征在于，所述第一单元示出了许多个光收集孔而不是一个孔，所述收集孔也即已知光导系统中的接收透镜，且这些孔分布在基本大于由所述接收透镜所覆盖的表面区域的一个表面区域上。以此方式，形成了基本扩大的有效光接收区域。这在图3中示出，在图3的右边部分非常示意性地且出于与现有技术相比较目的而示出了，根据本发明的系统的单元30的顶视图。该单元具有一个上表面32，该上表面具有布置成行36和列38的大量开口或孔34。进入孔的光被联接到布置在单元30之内的光导器。图3的左侧部分示出了根据专利申请WO 88/07560的系统的接收透镜17的正面。具有多个孔34的新单元30意在被相同的锥形的环境光——例如车辆头灯的环境光——照亮，如传统的接收透镜17。应该清楚，单元30允许收集此锥形的一部分，该部分基本大于可被接收透镜17所收集的部分。

这一新颖光导系统的第二主要特征在于，其对于实际用途是可行的，也即例如其可被嵌入在道路中。如果用于将光从一个单元传输到需要光的地方——例如另一个单元——的装置，是由始自孔34的光导器的延长部组成的，则传输装置会过于庞大。例如，始自一行孔的一系列光导器需要被布置在始自其它行的一系列光导器之上，而对光纤的行的这种堆叠将导致光传输装置具有可观的高度。另一方面，在道路中用于容纳光学传输装置的沟道应该尽可能地浅，以维持道路的机械强度。因此，非常重要的是，在单元之间的光传输装置具有较小的宽度和高度并且单元的高度也较小。这一要求通过在单元之内的光导结构的特殊设计而被满足。在孔下游的光导器阶式地组成二级光导器，以此类推，使得在一个单元之内的结构结束于一个或几个外向光导器，这些光导器组成了所述光传输装置。例如，在图3的实施方案中，这些装置包括两个外向光导器40。从而所述光传输装置仅具有小的横截面，在道路中布置这种装置不会造成任何问题。在一个单元之内的特殊导光结构也允许将单元的高度限制到实用的尺寸。

为了实现一路标系统，所述单元30将被沿着行车方向一个接一个地布置，类似于包括接收透镜17的单元的方式。行车方向由图3中的箭头42示出。在相继的单元30之间的距离，以及由此相应的光传输装置40的长度，可以和现有技术系统的相继接收透镜17之间的距离相同或不同。该距离将由道路管理部门规定，且可具有介于零和例如10米之间的值。采用零米的距离，也即各单元被彼此接连布置，则获得一连续的照明带。如果满足在给定的间隔距离处具有路标，所述单元被布置在所述给定距离处，该距离可由具体情况例如道路拐弯部分确定。第一单元和仍能从该第一单元接收到一些光的最远单元之间的距离可以是数百米，这基本不同于现有技术中的系统。

在专利申请WO 88/07560的路标系统中，一个标记(发射透镜)仅从一个孔(接收透镜)接收光，而在本发明的系统中，由n×m(分别是行和列)所接收的光被传输到至少一个位置，例如需要该光的一标记处。一旦本发明的系统包括不止一个单元，则来自第一单元的光的一小部分在第二单元的位置处被发射。由第二单元收集的光被添加到来自第一单元的剩余光中，并且被传输到第三单元，等等。这是将本发明的系统和专利申请WO 88/07560的系统区分开来的另一重要特征。

图4示出了在路标系统中使用的新颖光收集单元30的一个实施方案的顶视图。光接收孔被布置在九个行50中。这些行相关于行车方向42的方向是由单元的预期道路位置所确定的。图5的单元被打算放置在道路的右边，以从经过该单元的车辆的右车头灯接收最多的光。在行50和行车方向42之间的角α例如是75°。对于应放置在行的中央的单元，角α增大至小于90°的一些角，且对于应被放置在道路左边的单元，例如α＝-75°。

在一路标系统中，图3中示出的部件34，其被称为孔，是对光导器的光进入侧的表示。光导器未到达单元的表面32，而是被布置在透明窗口的后面，所述透明窗口将入射其上的光传输到光导器，并且形成了对于光导器和单元内部的机械保护。图5示意性地示出了该单元的一个示例性的行50，其包括了六个窗口56，该六个窗口被防水密封在例如塑料材料或橡胶的外壳54之内。所述窗口可由石英或其他透明材料诸如透明塑料制成，其可被设有一个坚硬的保护性涂层。所述窗口不与道路表面或单元板表面垂直，相反，所述窗口可以以一定角度向后倾斜，例如相对于来自车辆头灯的水平光束成1°至1.5°角，也即，相对于板表面成89°至88.5°角。

在每个窗口后面，布置了多个光导器，它们被用于接收由窗口传输的光并将该光进一步传输。这些光导器的接收光的末端可被配置到窗口的后边。因为环境光经由单元顶部的垂直或稍微偏斜的窗口进入并且应在该单元的下部被水平传输，因此优选地将一反射面——例如一个棱镜——布置在窗口后方以将所接收到的光向下反射。这提供了下述优点，即，所述光导器不需要被弯曲，从而防止了光从光导器中逃逸。

图6示出了在窗口56之后的光路的一个实施方案，其包括具有光反射表面60的一个棱镜58。透过该窗口的光束的中心射线80以45°角入射到表面60上，使得其沿垂直方向被反射。在该单元的下边，可同样以45°角布置具有反射表面64的又一棱镜62，使得该棱镜沿水平方向反射所述射线80，从而该射线可进入水平布置的光导器70。棱镜58和62可以是分立的元件。还可能的是，两个反射表面构成一个部件的上面和下面。优选地，反射表面是该单元的内部结构的组成部分，并且是在该单元的制造过程中形成的。在该单元之内在棱镜表面或倾斜表面的反射，可以通过将该表面覆盖以一反射层而获得。或者，该表面可被布置为与光束成一定角度以使得在该表面发生全内反射。

为了将来自该单元上部分的窗口的光导向至该单元的下部分，根据情况可利用弯曲的光纤而不是反射表面。为了避免相当大的光损耗，光纤的拐弯不能尖锐，因此对于这一替代方案需要更大的单元高度。

属于一个窗口56的光导器的数量可由设计者选择且使其适应于各种情况。例如，该数量可以在三和九之间变化。如果为每个窗口设置五个光导器，在图5的行50后面将存在三十个光导器，而图4中所示的单元30的实施方案将包括两百七十个光导器。除了这些组成光接收开口的光导器之外，这个实施方案还包括多个光发射开口52，例如如图4所示的两个。这些开口是被包括在该单元中的相应数量的发射光导器的末端面，其从一个或多个前面的单元接收光。优选地，所述光发射开口形成了窗口56的一部分，如图4中的参考数字52′所表示。待要被传递的光可通过一个分立的光导器或是通过一个已经存在的用于接收环境光的光导器而被供应到开口52′。作为一个例子，图4的实施方案可具有沿行车方向40cm的长度l，以及15cm的宽度w。单元的间隔距离可以是10m。

大量光导器允许接收这样的量的头灯或环境光，以使得在较大距离处，仍可提供用于预期目的的足够的光。然而，大量光导器将使得该新颖系统不适于实用，因为它将会过于庞大，尤其是在单元之间的大量光导器将具有如此大的体积以至于它们不能以可接受的方式被嵌入在道路之中。根据本发明，此问题以下述方式解决。

如图7中示意性所示，和一个窗口相关联的光导器70-74——其可被称为一级光导器——的图样，被设计为使得光导器71、72、73和74在沿着光导器70的不同位置汇入此光导器，其下游因而变成了二级光导器90。在光导器70和光导器71-74之间的角β使得在光纤71-74中传播的光平滑地汇入光导器70而没有显著光损耗。图7还示出了第二组光导器75-79，其与同一行的第二窗口相关联。以类似于第一组光导器的方式，第二组光导器75-78汇入光导器79，其下游因此变成了二级光导器91。同样，该行的其他窗口的一级光导器组成了二级光导器。为了实现光导器数量的进一步降低，来自所有窗口的二级光导器汇入一个三级光导器。在图7中还示出，二级光导器91汇入二级光导器90，其下游成为三级光导器100。该行的所有其他二级光导器在沿着三级光导器的不同位置处空出其自身进入该光导器。以此方式，该实施方案中一行的三十个接收光的光导器止于进入一个三级光导器100之中。这一光导器被连接到在图7中由方框110示意性地表示的光学连接装置，其中传播经过光导器100的光被传输至一个外向或传输光导器120。所述光学连接装置110也通过由参考数字122所表示的一个或多个光导器从一些沿行车方向位于当前单元前面的系统单元接收光。

该光学连接装置应该包括布置在光收集单元之内的不同位置的分光装置和光合并装置。图8示意性地示出了这些装置的一个实施方案，为简便起见，这些装置被表示为形成一个虚构模块110的一部分。这一模块内部包括第一反射表面130，该表面朝向其前面的单元的传输光导器并且供应入射光。该表面130将此光分成由箭头134所表示的第一部分和由箭头136所表示的第二部分。第一部分被表面130反射，并且如箭头138所示离开该单元。这一部分光在该单元传播，将经过开口52发射(图4)，且将对车辆司机可见。入射光的第二部分136经过并离开该模块。该虚构模块包括第二反射表面140，其面向三级光导器100并且将从三级光导器接收的光142反射为光144到达模块的出口表面148。光部分144和136进入传输光导器120，其将被发射到系统的下一个单元。

该光学连接装置的分光和光合并功能表面被布置在收集单元30内的不同位置处，且优选地是被集成的部分，也即该单元的内表面。这提供了可在一个工艺中制造该单元和连接装置的好处。该制造工艺可以是本领域公知的成型工艺。反射表面130和140可以由倾斜表面上的反射层构成。表面130和140也可被分别布置成相对于光部分134和142成这样的角度：使得这些表面处发生全内反射(TIR)，从而不需要反射层且可省去一个制造步骤。

该新单元可由一个底板和一个盖板组成，该底板包括光导结构和光学连接器，该盖板包括窗口56和反射器60(图6)。这两个板均可由本领域技术人员公知的成型和铸造工艺制造，并且在它们完成之后固定到一起。该基板可被设以相应于所需的光导结构的一个凹槽结构，由此，具有光纤形式的光导器被放置在凹槽中。或者，这些凹槽可被塑形为使得它们形成光学波导，从而不需要光纤。如果该单元设有光纤，则它是由三种不同组件组成的：底板、盖板和一个包括了与反射表面(图6)相结合的光纤和下文讨论的透镜的第三组件。

为了增加与窗口相关联的光导器所接收到的光的量，外部窗口表面可被形成为使得它像透镜一样起作用。这在图6中用虚曲线57表示。还可能的是，每根光纤的光接收侧均设有一透镜，以使得透过该窗口进入光导器的光的部分被增加。这由图6的虚曲线69表示。还可能的是，一个单元显示出组合的两种透镜特征。

可以任意选择用于将一个单元和另一个单元连接以便在较大距离上传输光的光导器120的数量，该数量在实际中将适应于具体情况和道路管理部门的要求。图4的实施方案具有九行窗口，对于每一行可以存在一个分立的光导器120。也可行的是，一个分立的光导器120用于传输每两行窗口所接收到的光。接下来，这些行的三级光导器100可共同汇流到一个进入光学连接器110的四级光导器(图中未示出)之中。甚至还可行的是，所有窗口的三级光导器汇流到一个四级光导器中，且由该单元所接收的所有光均借助单个光导器120传输到下一个单元。

当被用于路标系统中时，光导系统的新单元出现特定问题。这些问题涉及板形单元的所需机械强度，以及涉及应保证足够的光可到达窗口，尽管事实上：道路对于光收集设备是一种非常不理想的环境。本发明的另一主要目的在于解决这些问题，并且提供一种非常适于道路使用的板形单元。

为了允许收集足够的光，所述单元应该设有大量的开口或窗口。然而，由于这些开口所造成的该单元的盖板的不连续性，如果不采取特殊措施，则将导致该板的机械强度的大大降低。此外，应避免车轮接触窗口，因为在这种情况下，窗口将被暴露在不能承受的高压推力之下，以至它们可能破裂。本发明提供了单元板的一种创新设计，其避免了所述困难。

图9示出了根据此设计的板形单元的一个实施方案的一小部分，也即在其他行中间的窗口56的一个行50。每个窗口56都被垂直布置并且是矩形的，其每个短的、垂直的边均被固定在两个柱150之间，其上边被固定至水平撑条152。该撑条延伸穿过所有窗口和由所述窗口形成其一部分的行的多个柱。所述柱和撑条是由与该单元板的其余部分相同的材料所制成的。在窗口前方的板表面区域154，沿行车方向42观察，是向着窗口向下倾斜的。在位置156，这些区域与窗口相遇，所述窗口被固定到这些区域。在相反方向，这些区域(其可被称为允许光进入区域)始于如下行，该行沿行车方向位于当前行的前面。每个允许光进入区域154在其左边和右边均被部件158邻接，部件158在垂直方向是三角形的。部件158目的在于承载车轮。在窗口之间的承载部件158在水平方向也是三角形的。在柱150的一边，部件158的垂直横截面和柱的垂直横截面大致相同。在柱150和相对的承载部件158之间留有一些间隔S，例如S约为3mm。将可理解，窗口56被安排在一个强健的框架中，该框架可以承受可观的力，以使得窗口被机械地良好保护，而同时它们允许从车辆头灯或其他环境光处收集足够的光。

作为另一改进，水平撑条的上表面不平滑，如图10中可更好地看到，图10示出了具有五个窗口56的行50′的正视图。在柱150上方的上表面区域160凸出到窗口56上方的表面区域162以上例如大约1mm。因此，当车辆滚过单元行时，车轮的轮胎将首先接触表面区域160，以使得压力将主要由这些区域和下方的柱150吸收。以此方式，所述窗口将被更好地保存。

图9仅示出了这一板形单元的实施方案的一小部分。这一实施方案可包括，例如十八行，每行设有例如五个窗口。如果收集单元包括光学波导结构，则在每个窗口后面存在至少一个光学波导；如果该单元在每个窗口后设有光纤，则至少存在三个光导器。这一特定收集单元板具有长度l＝1m，宽度w＝15cm和高度h＝6cm。该单元旨在用于道路的右侧。多个单元例如可以以9m的间隔距离而被布置，从而构成一个路标系统。

道路对于光收集设备而言是非常不理想的环境，因为它经常被雨水覆盖。不仅是水，而且还有由车辆留下的或源自道路环境的尘土，会阻止光到达窗口。根据本发明，板形单元被设计为使得落在该单元上的水可轻易地从其流走，且使得由移过该单元的车轮导致的空气涡流可从该单元除去尘土。如图9所示，在窗口一侧的允许光进入区域154形成了该单元中将要积聚水的最低部分。由于在车轮支承部件158和柱150之间存在一些间隔S例如3mm，则形成了一个可使小水和尘土沿其流向比窗口的较低边更低的道路表面的沟槽。

根据本发明，可通过为该单元板的左边和右边各设一个凹槽172来改善水和尘土的排除，该凹槽沿着行车方向延伸，如图11所示。此图示出了凸起在道路10的表面之上的单元板部分170在窗口56位置处的横截面。在此部分的左边和右边的凹槽172，显示出了一个陡坡，例如一个垂直壁174、一个凹槽底176和一个倾斜壁178。因为此壁的倾斜，所以由滚过该收集单元板的车轮产生了更多的涡流，此涡流将水和尘土从该板吹走。该凹槽172具有，例如6mm深度，从而在该凹槽的这一位置，板部分170具有厚度h′＝3mm而不是h＝9mm。以此方式，获得了对水和尘土的排除的大大改进。通过使部分170具有轻微的凸形从而使该部分的中心较高，例如比其左边和右边末端高6mm，可获得进一步的改进。

收集单元的上述设计，允许对该收集单元进行容纳，使一行中较大的部分仅仅凸出路面上方数毫米，这一点是道路管理部门非常希望看到的。

该单元还允许内建反射器，以直接将来自车辆头灯的光反射给车辆司机。此外，在该单元中可包括滤色器，以使得所发射的光具有所需的颜色，如果当有必要警示司机在同一车道的前方有车辆时，该颜色例如是红色。

根据本发明原理的光收集单元，不仅可被布置在路面中，也可被布置在高速公路的安全轨道之内或之上，或是在道路边界处的立柱之内或之上，从而单元的设计可以适应于具体的载体或固定器。该单元可以用于照明所有类型的交通标记或警示设备。

该新颖光导系统也可被用作十字路口的警示系统。来自布置在一条路中的一个或多个收集单元的光，接下来被传输到安装在其他道路处的警示标记，以警示在其他道路上的车流，即车流正从另一方向接近该十字路口。

因为路标系统是该新颖光导系统的主要应用，故而已在路标系统方面阐明了此系统。因为这一新颖光导系统示出了非常高的光收集容量和非常紧凑的光传输装置，其可用在大量已知的或新的应用中。例如，如图12中示意性所示，部分地沉在街道表面180之中的一个或多个单元30，以及在街道水平面之下的外向光导器(40)，可被用于从例如街灯182处收集光，并且将此光带到在街灯的范围之外的远方位置，该光被用于照亮例如显示器184。

图13示意性地示出了其中使用了这一新颖光导系统的安全系统的一个实施方案。一个或多个单元30和外向光导器40收集环境光，例如来自街灯182的光，并将此光传输到一房屋或另一建筑物190——其中该光被用于例如置于正门194之上的安全灯192。

这一新颖光导系统也可以用于房屋或建筑物的内部照明，由此利用了外部环境光例如日光。所述光收集单元可被置于房屋或建筑物的屋顶之上。因为该系统的光传输装置几乎不需要空间，故不需要对建筑的结构作重大的改变。这允许了在应被保持原样的受保护的纪念性建筑中实施该新颖光导系统。

Claims (20)

1.一种光导系统，其用于借助于光导器接收和传输环境光，该系统包括至少一个用于接收光的光收集单元，和用于将所接收的光传输到远离该单元的一个位置处的光传输装置，其特征在于所述至少一个光收集单元包括多个光导器，光导器的接收光的末端被布置为行和列的二维阵列，而在这些末端的下游，所述光导器阶式地组成多个外向传输光导器，所述多个外向传输光导器的数量基本小于接收光的末端的数量，且所述传输光导器组成所述光传输装置。

2.根据权利要求1所述的光导系统，其特征在于它包括了多个——至少一个——另外的收集单元，该另外的收集单元包括以类似于所述第一收集单元中的光导器的方式而被布置的接收光的光导器。

3.根据权利要求2所述的光导系统，其特征在于所述的另外的收集单元还包括用于将从一个前面的单元接收到的光分割成一部分被该单元发射的光和一部分被传递到后继单元的光，和用于将该单元所接收的光与所传递的光合并的分光和光合并装置。

4.根据权利要求1、2或3所述的光导系统，其特征在于一个单元的多个光导器阶式地汇入多个——至少一个——外向光导器。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的光导系统，其特征在于每一行接收光的光导器末端都包括多个间隔开的透明窗口，所述透明窗口用于将光传递到多个接收光的光导器末端。

6.根据权利要求5所述的光导系统，其特征在于，对于每个窗口，设有和该窗口相关联的接收光的末端的一级光导器组成二级光导器。

7.根据权利要求6所述的光导系统，其特征在于对于每一行窗口，所述二级光导器组成三级光导器。

8.根据权利要求1-7中任一所述的光导系统，其特征在于所述接收光的光导器末端设有透镜。

9.根据权利要求5、6、7或8所述的光导系统，其特征在于窗口设有透镜。

10.根据权利要求5-9中任一所述的光导系统，其特征在于在每个窗口之后的光路中，第一和第二反射表面中的至少第一个被布置为将光反射到光导器的接收末端。

11.根据权利要求1-10中任一所述的光导系统，其特征在于所述光导器是光学波导。

12.根据权利要求1-10中任一所述的光导系统，其特征在于所述光导器是光纤。

13.一种路标系统，其包括根据权利要求1所述的光导系统，其特征在于所述光导系统的收集单元沿行车方向延伸，并且其沿该方向被布置成一系列。

14.根据权利要求13所述的路标系统，其特征在于每个收集单元包括至少一个发光的光导器，以将光导向至车辆司机。

15.根据权利要求12或13所述的路标系统，其特征在于所述各行窗口被布置为与行车方向成一角度，该角度适应于收集单元相对于道路宽度的位置。

16.根据权利要求13、14或15所述的路标系统，其特征在于在收集单元的上表面，每行窗口均被布置在两柱之间，所述两柱均垂直于该表面并且被平行于该表面的一个撑条所覆盖，且其特征在于在窗口前方的板表面区域倾斜朝向窗口的下侧并且被凸起部件邻接。

17.根据权利要求16所述的路标系统，其特征在于在平行于该单元表面的平面中，所述凸起部件具有三角形的外形，三角形的顶点朝向前面行的窗口。

18.根据权利要求16或17所述的路标系统，其特征在于一行窗口和相间的柱是被一个撑条覆盖的，且其特征在于该撑条具有锯齿状的上表面。

19.根据权利要求16、17或18所述的路标系统，其特征在于和一行窗口相关联的凸起部件从前面的一行延伸靠近与先提到的所述行相关联的柱。

20.根据权利要求16、17或18所述的路标系统，其特征在于一个单元的上表面在所述这些行窗口的两侧均设有一个凹槽，该凹槽具有一个陡峭壁和一个倾斜壁。

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