CN220672066U - 利用环境三基色分解出红黄绿光源显示的节能交通信号灯 - Google Patents

Abstract

本申请属于交通信号灯领域，尤其涉及利用环境三基色分解出红黄绿光源显示的节能交通信号灯，包括：立式信号灯壳体、集光装置、分光装置、光纤传导装置、发光单元、遮沿、控制单元、光伏组件、蓄电池；集光装置用于收集环境光，分光装置包括分光棱镜、分光筒、动力偏转机构和遮光板，分光棱镜用于将环境光色散为红光、黄光和绿光；遮光板开有红光轨迹通槽、黄光轨迹通槽和绿光轨迹通槽；控制单元控制动力偏转机构带动遮光板转动，使遮光板在红光轨迹通槽内耗时红灯状态配时时间、在黄光轨迹通槽内耗时黄灯状态配时时间、在绿光轨迹通槽内耗时绿灯状态配时时间，完成发光单元变换对应颜色。以环境光作为发光源，节能环保，降低绿冲突概率。

Description

利用环境三基色分解出红黄绿光源显示的节能交通信号灯

技术领域

本申请涉及交通信号灯技术领域，尤其涉及利用环境三基色分解出红黄绿光源显示的节能交通信号灯。

背景技术

道路交通信号灯是交通安全产品中的一个类别，是为了加强道路交通管理，指挥交通运行，减少交通事故的发生，提高道路使用效率，改善交通状况的一种重要工具。适用于十字、丁字等交叉路口，由道路交通信号控制机控制，指导车辆和行人安全有序地通行。交通信号灯一般由红灯、绿灯、黄灯组成。红灯表示禁止通行，绿灯表示准许通行，黄灯表示警示。交通信号灯分为：机动车信号灯、非机动车信号灯、人行横道信号灯、方向指示指示灯、车道信号灯、闪光警告信号灯、道路与铁路平面交叉道口信号灯。

常用的光源主要有荧光灯、高压钠灯、低压钠灯、金属卤化物灯等。近年来，随着大功率发光二极管的研制成功，发光二极管作为新型节能光源引起了广泛关注，当前交通信号灯基本上是以发光二极管作为光源，白光发光二极管也普遍应用于路灯照明中。

交通信号灯的使用寿命受发光二极管使用寿命的限制较大。发光二极管的理论寿命可达10万小时，但是这只是在理想状态下的最高值。当发光二极管使用超过1000小时就会出现光衰，实际运用当中，发光二极管作为光源的交通信号灯需要直流电或交流电作为电力供应，受电压、电流、环境温度、发光亮度等影响，发光二极管作为光源的交通信号灯的实际寿命一般为几千小时。

目前，交通信号灯的一个发光二极管发光单元功率一般为20W，按一个十字交叉路口的四组交通信号灯计算，一个月耗电量约为60度，接近于普通三口之家一个月的用电量。

降低交通信号灯的能耗，延长交通信号灯的使用寿命，一直是本领域比较关注的问题，自然环境中的日光、人为照明环境中的各种强光等光源是一个很庞大的可再生利用能源，利用环境中的光源作为信号灯的发光源是非常有意义的。

发明内容

本申请的目的是提供利用环境三基色分解出红黄绿光源显示的节能交通信号灯，通过将环境中的三基色光分解出红黄绿三种单色光作为交通信号灯的光源，与普通发光二极管作为光源的交通信号灯相比，有效降低了能源消耗，提高了交通信号灯的使用寿命，降低了交通信号灯的维护频率；同时，在白天阳光充足时，通过将一部分能量通过光伏发电系统存储于蓄电池中，以备交通信号灯夜间或阴雨天气使用。

为实现上述目的，本申请提供了如下方案：

利用环境三基色分解出红黄绿光源显示的节能交通信号灯，包括：立式信号灯壳体、集光装置、分光装置、光纤传导装置、发光单元、遮沿、控制单元、光伏组件、蓄电池；所述集光装置用于收集环境光，所述分光装置用于将收集的环境光色散为所需的单色光，所述光纤传导装置用于将所需的单色光进行聚光传输；所述集光装置包括集光器、导光筒、第一透镜和第二透镜；所述集光器与所述导光筒连接，所述第一透镜和所述第二透镜位于所述导光筒内；所述第二透镜的焦点位于所述第一透镜的焦点处；所述第一透镜和所述第二透镜用于将自然光调整为平行光束；

所述分光装置包括分光棱镜、分光筒、动力偏转机构和遮光板，所述分光筒开有三个通光狭缝，所述遮光板对应所述通光狭缝位置开有三个轨迹通槽，所述遮光板与所述动力偏转机构连接；

所述光纤传导装置包括第三透镜、光纤束和第四透镜；

所述发光单元包括环境光源、光源固定板、面罩、密封圈和背罩；所述环境光源由所述集光装置收集的环境光提供；

所述第三透镜用于将透过通光狭缝的光形成汇聚光束；所述光纤束由多根光纤组成，所述光纤束的一端呈紧密排列，并固定于第三透镜形成的汇聚光束的覆盖区域能够完全覆盖所述光纤束端面的位置；所述光纤束的另一端呈发散排列，并固定于所述光源固定板上，所述第四透镜的数量与所述光源固定板上的光纤数量相等，并固定于所述光源固定板上；所述面罩和所述光源固定板固定连接，所述密封圈位于所述面罩和所述背罩之间，起到密封作用；

所述发光单元设置于所述立式信号灯壳体内，所述遮沿固定于所述发光单元上，所述光伏组件和所述蓄电池固定于所述立式信号灯壳体内，所述光伏组件用于将透过所述分光棱镜的光转化为电能存储至所述蓄电池内；

优选的，所述导光筒和所述分光筒内表面均为高反射光滑镜面；

优选的，所述光源固定板上开有若干个通孔，并按照规定图案进行均匀分布；

优选的，所述三个通光狭缝分别对应所述分光棱镜色散出的红光、黄光和绿光射出位置，分别用于透出红光、黄光和绿光；所述遮光板对应所述三个通光狭缝位置开有红光轨迹通槽、黄光轨迹通槽和绿光轨迹通槽；所述红光轨迹通槽为连续的轨迹通槽，用于实现红灯常亮的效果，所述绿光轨迹通槽为连续的轨迹通槽，用于实现绿灯常亮的效果，所述黄光轨迹通槽为不连续的轨迹通槽，用于实现黄灯闪烁的效果；

优选的，所述面罩采用利于显色和透光的纳米漫射材料；

所述控制单元包括信号灯状态获取模块、MCU、动力偏转机构控制模块、电源供电模块；所述MCU中存储有若干种信号灯状态配时与对应动力偏转机构角速度的数据指令组，所述信号灯状态获取模块获取当前路口信号灯状态信息发送给所述MCU，所述MCU对当前路口信号灯状态信息进行分析处理，将信号灯状态配时与对应动力偏转机构角速度的数据指令组发送给所述动力偏转机构控制模块，所述动力偏转机构控制模块控制所述动力偏转机构以相应的角速度带动所述遮光板转动，使所述遮光板在红光轨迹通槽内耗时红灯状态配时时间、在黄光轨迹通槽内耗时黄灯状态配时时间、在绿光轨迹通槽内耗时绿灯状态配时时间，完成所述发光单元变换对应的信号灯颜色；

本申请的技术方案的有益效果：

本申请通过将日光等环境光直接作为交通信号灯的发光源，安全可靠，节能环保；

本申请的交通信号灯的发光单元的光源由集光装置收集的环境光提供，通过集光装置和光纤传导装置对环境光的四次聚光，汇聚环境光亮度作为发光单元光源，通过光纤束进行传递并固定于发光单元上，发光单元无电路结构，降低了交通信号灯的维修、替换频次，提高了交通信号灯的使用寿命；

利用光纤束进行单色光传输，减少光损，光纤束均匀分布于发光单元的灯板上，使发光单元的发光面均匀一致；

通过机械方式控制发光单元的发光颜色，有效降低绿冲突发生的概率；

本申请的交通信号灯面罩采用纳米漫射材料加工而成，不易破碎，扩散性高，显色性好，透光率达90%以上，提供光源利用率，光线无眩光、无频闪，健康、安全、舒适。

本申请节能信号灯相比于普通的发光二极管交通信号灯，保守估计可节省三分之一的用电，即如果按一组发光二极管交通信号灯一天耗电量0.48度计算，一组本申请节能信号灯一天可节约0.16度电；中国大约有1000多个城市，每个城市都有数百个或数千个红绿灯，中国的红绿灯数量至少达到数百万个，本申请节能信号灯一天节约电能将达到数十万度的级别；

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的利用环境三基色分解出红黄绿光源显示的节能交通信号灯整体结构剖视图；

图2为利用环境三基色分解出红黄绿光源显示的节能交通信号灯光纤传导装置结构示意图；

图3为利用环境三基色分解出红黄绿光源显示的节能交通信号灯遮光板结构示意图；

图4为利用环境三基色分解出红黄绿光源显示的节能交通信号灯主视图；

图5为利用环境三基色分解出红黄绿光源显示的节能交通信号灯侧视图；

图6为利用环境三基色分解出红黄绿光源显示的节能交通信号灯俯视图；

图7为利用环境三基色分解出红黄绿光源显示的节能交通信号灯分光筒通光狭缝位置计算示意图；

图8为利用环境三基色分解出红黄绿光源显示的节能交通信号灯控制单元原理框图；

图中标号说明：

1、立式信号灯壳体；2、集光装置；3、分光装置；4、光纤传导装置；5、发光单元；6、遮沿；7、控制单元；8、光伏组件；9、蓄电池；10、亮度传感器；21、集光器；22、导光筒；23、第一透镜；24、第二透镜；31、分光棱镜；32、分光筒；33、动力偏转机构；34、遮光板；41、第三透镜；42、光纤束；43、第四透镜；51、环境光源；52、光源固定板；53、面罩；54、密封圈；55、背罩；71、信号灯状态获取模块；72、MCU；73、动力偏转机构控制模块；74、电源供电模块；321、第一通光狭缝；322、第二通光狭缝；323、第三通光狭缝；341、红光轨迹通槽；342、黄光轨迹通槽；343、绿光轨迹通槽；10、亮度传感器；11、补光装置；

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

实施例

本实施例提供利用环境三基色分解出红黄绿光源显示的节能交通信号灯，包括：立式信号灯壳体1、集光装置2、分光装置3、光纤传导装置4、发光单元5、遮沿6、控制单元7、光伏组件8、蓄电池9；集光装置2用于收集环境光，分光装置3用于将收集的环境光色散为所需的单色光，光纤传导装置4用于将所需的单色光进行聚光传输；

集光装置2包括集光器21、导光筒22、第一透镜23和第二透镜24；集光器21与导光筒22连接，第一透镜23和第二透镜24位于导光筒22内；第二透镜24的焦点位于第一透镜23的焦点处；第一透镜23和第二透镜24用于将导光筒中的光线调整为汇聚的平行光束；

分光装置3包括分光棱镜31、分光筒32、动力偏转机构33和遮光板34，分光筒32开有第一通光狭缝321、第二通光狭缝322、第三通光狭缝323；遮光板34可以是以分光筒直径作为半径的圆形板，动力偏转机构33与遮光板34的圆心连接；遮光板34上对应第一通光狭缝321位置开有红光轨迹通槽341，遮光板34上对应第二通光狭缝322位置开有黄光轨迹通槽342，遮光板34上对应第三通光狭缝323位置开有绿光轨迹通槽343，红光轨迹通槽341为连续的轨迹通槽，用于实现红灯常亮的效果，黄光轨迹通槽342为不连续的轨迹通槽，用于实现黄灯闪烁的效果，绿光轨迹通槽343为连续的轨迹通槽，用于实现绿灯常亮的效果；导光筒22和分光筒32内表面均为高反射光滑镜面；

光纤传导装置4包括第三透镜41、光纤束42和第四透镜43；发光单元5包括环境光源51、光源固定板52、面罩53、密封圈54和背罩55；光源固定板52上开有均匀分布于光源固定板52的若干个通孔，第三透镜41用于将透过通光狭缝的光形成汇聚光束；光纤束42由多根光纤组成，光纤束42的一端呈紧密排列，并固定于第三透镜41形成的汇聚光束的覆盖区域能够完全覆盖光纤束端面的位置；光纤束42的另一端呈发散排列，并固定于光源固定板52上的通孔处，第四透镜43的数量与光源固定板52上的通孔数量相等，并固定于光源固定板52的每个通孔上；光源固定板52与背罩55固定连接，密封圈54位于面罩53和背罩55之间，起到密封作用。

发光单元5设置于立式信号灯壳体1内，遮沿6固定于发光单元5上，光伏组件8和蓄电池9固定于立式信号灯壳体1内，光伏组件8用于将透过分光棱镜31的光转化为电能存储至蓄电池9内，蓄电池9作为本申请的电源供应。

面罩53采用显色性好、透光率高的纳米漫射材料，有利于得到发光均匀的出光面，并且提高光源利用率；光纤束42通过背罩55伸出，本实施例的立式信号灯壳体1固定有三个发光单元5，每个发光单元5均安装有遮沿6。

控制单元7包括信号灯状态获取模块71、MCU72、动力偏转机构控制模块73和电源供电模块74；

MCU72中存储有若干种信号灯状态配时与对应动力偏转机构角速度的数据指令组，信号灯状态获取模块71获取当前路口信号灯状态信息发送给MCU72，MCU72对当前路口信号灯状态信息进行分析处理，将信号灯状态配时与对应动力偏转机构角速度的数据指令组发送给动力偏转机构控制模块73，动力偏转机构控制模块73控制动力偏转机构33以相应的角速度带动遮光板转动，使遮光板34在红光轨迹通槽341内耗时红灯状态配时时间、在黄光轨迹通槽342内耗时黄灯状态配时时间、在绿光轨迹通槽343内耗时绿灯状态配时时间，完成发光单元变换对应的信号灯颜色；

例如，本实施例当前环境为晴朗的上午，当前路口信号灯状态信息为绿灯30s、黄灯3s、红灯60s，此时环境光源主要来自于日光，通过集光装置1的集光器21将日光光线导入导光筒22，导光筒22内表面为高反射光滑镜面以减少光损，导光筒22中的光线通过第一透镜23和第二透镜24作用变为平行光束，平行光束通过分光装置3的分光棱镜31色散变成从上到下依次为红、橙、黄、绿光的光谱，由于平行光束的位置不变，所以被分光棱镜31色散出的光谱宽度是不变的，光谱的亮度会受外界环境光源明暗的影响；分光筒32的第一通光狭缝321位于红光光谱位置，第二通光狭缝322位于黄光光谱位置，第三通光狭缝323位于绿光光谱位置，分光筒32内表面为高反射光滑镜面以减少光损，透过第一通光狭缝321的红光通过第三透镜41进行聚光形成汇聚光束，光线束42紧密排列的一端固定于汇聚光束的覆盖区域能够完全覆盖光纤束端面的位置，光纤有传输速率高、光损小的特点，保证光纤传递的环境光源的光损很小；光纤束紧密排列一端接收到环境光源色散的红光，通过光纤传输至固定于光源固定板52上的通孔处的光纤另一端头处作为发光单元5的光源，形成发红光的信号灯；同理，透过第二通光狭缝322的黄光最终形成发黄光的信号灯；透过第三通光狭缝323的绿光最终形成发绿光的信号灯。

本实施例中，遮光板上红光轨迹通槽341、在黄光轨迹通槽342、绿光轨迹通槽343对应的中心角均为120°，即动力偏转机构每转动120°变换一次轨迹通槽；MCU72通过信号灯状态获取模块71获取当前路口信号灯状态信息为绿灯30s、黄灯3s、红灯60s，MCU72中绿灯30s、黄灯3s、红灯60s的信号灯状态配时与对应动力偏转机构角速度的数据指令组（4，40，2）发送给动力偏转机构控制模块73，动力偏转机构控制模块73控制动力偏转机构33首先以4rad/s的角速度带动固定于动力偏转机构33上的遮光板34转动120°，使遮光板34使遮光板34在绿光轨迹通槽343内恰好耗时30s，然后动力偏转机构33以40rad/s的角速度带动固定于动力偏转机构33上的遮光板34转动120°，使遮光板34在黄光轨迹通槽342内恰好耗时3s，最后动力偏转机构33以2rad/s的角速度带动固定于动力偏转机构33上的遮光板34转动120°，使遮光板34在红光轨迹通槽341内恰好耗时60s，从而完成一轮信号灯颜色的变化；

本发明中的环境光源白天主要来自日光，夜晚主要来自路灯等白光光源，日光的可见光谱范围为400nm~760nm，白光发光二极管的可见光谱范围为420nm~750nm，而信号灯要求红色波长在625nm左右，黄色波长在590nm左右，绿色波长在505nm左右，所以日光和白光发光二极管路灯等环境光源均可作为本发明信号灯发光单元5的环境光源；

本申请还可以包括亮度传感器10和补光装置11，亮度传感器10设置于分光棱镜31下侧，用于感知分光棱镜31色散出的单色光处的光强度；MCU72内设置有亮度阈值，亮度阈值是通过信号灯光源的发光强度达到道路交通信号灯国家标准规定的信号灯发光强度设定的；当亮度传感器10感知的光强度小于光强度阈值时，补光装置11开启作为辅助环境光源，保证发光单元的发光强度。

如图7所示，本实施例可采用一个顶角为β折射率为n=1.5的玻璃三棱镜31，设定光线从空气进入三棱镜31发生折射至射出三棱镜31，举例绿光的角度分别为θ1、θ2、θ3、θ4，由β=θ2+θ3，sinθ1/sinθ2=sinθ4/sinθ3=n=1.5，β、θ1、n为已知，即可计算得出绿光、黄光、红光射出三棱镜31的出射角θ4、θ5、θ6；绿光、黄光、红光射出光线与分光筒32的夹角分别为α1、α2、α3，设射到分光筒位置的绿光与黄光之间的距离为L1、黄光与红光之间的距离为L2、红光距出射点与分光筒位置垂直交点的距离为L3，出射点与分光筒位置的垂直距离为H，由α2=α1+θ4-θ5，α3=α1+θ4-θ6，tanα1=H/（L1+L2+L3），tanα2=H/（L2+L3），tanα3=H/L3，H为已知，可计算得到绿光与黄光之间的距离为L1、黄光与红光之间的距离为L2、红光距出射点与分光筒位置垂直交点的距离为L3，即可得到分光筒上三个通光狭缝之间的间距，使红光、黄光、绿光通过通光狭缝。

本发明未尽事宜为公知技术。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”“连通”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

Claims (8)

1.利用环境三基色分解出红黄绿光源显示的节能交通信号灯，其特征在于，包括：立式信号灯壳体、集光装置、分光装置、光纤传导装置、发光单元、遮沿、控制单元、光伏组件、蓄电池；所述集光装置用于收集环境光；所述分光装置包括分光棱镜、分光筒、动力偏转机构和遮光板，所述分光筒开有三个通光狭缝，所述遮光板对应所述通光狭缝位置开有三个轨迹通槽，所述遮光板与所述动力偏转机构连接；所述光纤传导装置用于传输单色光；所述三个通光狭缝分别对应所述分光棱镜形成的红光、黄光和绿光射出位置，分别用于透出红光、黄光和绿光；所述遮光板对应所述通光狭缝位置开有红光轨迹通槽、黄光轨迹通槽和绿光轨迹通槽；

所述控制单元包括信号灯状态获取模块、MCU、动力偏转机构控制模块、电源供电模块；所述MCU控制所述动力偏转机构带动所述遮光板转动，使所述遮光板在红光轨迹通槽内耗时红灯状态配时时间、所述遮光板在黄光轨迹通槽内耗时黄灯状态配时时间、所述遮光板在绿光轨迹通槽内耗时绿灯状态配时时间，完成所述发光单元变换对应的信号灯颜色。

2.根据权利要求1所述的利用环境三基色分解出红黄绿光源显示的节能交通信号灯，其特征在于，所述集光装置包括集光器、导光筒、第一透镜和第二透镜；所述集光器与所述导光筒连接，所述第一透镜和所述第二透镜位于所述导光筒内；所述第二透镜的焦点位于所述第一透镜的焦点处；所述第一透镜和所述第二透镜用于将自然光调整为平行光束。

3.根据权利要求1所述的利用环境三基色分解出红黄绿光源显示的节能交通信号灯，其特征在于，所述发光单元包括环境光源、光源固定板、面罩、密封圈和背罩；所述环境光源由所述集光装置收集的环境光提供。

4.根据权利要求3所述的利用环境三基色分解出红黄绿光源显示的节能交通信号灯，其特征在于，所述光纤传导装置包括第三透镜、光纤束、第四透镜；所述第三透镜用于将透过通光狭缝的光形成汇聚光束；所述光纤束由多根光纤组成，所述光纤束的一端呈紧密排列，并固定于第三透镜形成的汇聚光束的覆盖区域能够完全覆盖所述光纤束端面的位置；所述光纤束的另一端呈发散排列，并固定于所述光源固定板上，所述第四透镜的数量与所述光源固定板上的光纤数量相等，并固定于所述光源固定板上。

5.根据权利要求3所述的利用环境三基色分解出红黄绿光源显示的节能交通信号灯，其特征在于，所述面罩和所述光源固定板固定连接，所述密封圈位于所述面罩和所述背罩之间。

6.根据权利要求1所述的利用环境三基色分解出红黄绿光源显示的节能交通信号灯，其特征在于，所述发光单元设置于所述立式信号灯壳体内，所述遮沿固定于所述发光单元上，所述光伏组件和所述蓄电池固定于所述立式信号灯壳体内，所述光伏组件用于将透过所述分光棱镜的光转化为电能存储至所述蓄电池内。

7.根据权利要求1所述的利用环境三基色分解出红黄绿光源显示的节能交通信号灯，其特征在于，所述红光轨迹通槽为连续的轨迹通槽，用于实现红灯常亮的效果，所述绿光轨迹通槽为连续的轨迹通槽，用于实现绿灯常亮的效果，所述黄光轨迹通槽为不连续的轨迹通槽，用于实现黄灯闪烁的效果。

8.根据权利要求3所述的利用环境三基色分解出红黄绿光源显示的节能交通信号灯，其特征在于，所述光源固定板上开有若干个通孔，并按照规定图案进行均匀分布。