CZ14556U1 - Jednodiodový dioptrický element - Google Patents

Description

Jednodiodový dioptrický element

Oblast techniky

Technické řešení se týká jednodiodového dioptrického elementu, určeného jako světelný bod na proměnné dopravní značce a/nebo na zařízení pro provozní informace. Jednodiodový dioptrický element zahrnuje jakožto zdroj světla LED diodu a dále obsahuje optickou čočku. LED dioda i čočka jsou uloženy v tubusu.

Dosavadní stav techniky

Vývojové aktivity u inovací užitných vlastností zařízení pro provozní informace a proměnných dopravních značek přinášejí skupinu řešení, která vylepšují zejména světelný výstup z daného zařízení a to tak, že světlo je jak rovnoměrně rozloženo po signální ploše, tak je i optimálně koncentrováno do směrů, ze kterých jsou světelné signály pozorovány.

Příkladem takového řešení je patent EP 398 266, kde je světlo po celé zobrazovací ploše rozvedeno do jednotlivých světelných bodů prostřednictvím světelných vláken.

Jiným příkladem je patent EP 905 439, kde je světlo rovnoměrně rozloženo po signální ploše díky osazení větším počtem menších světelných zdrojů, jako jsou např. luminiscenční LED diody. Toto řešení se týká semaforů pro dopravní signalizaci a nelze aplikovat pro proměnné dopravní značky.

Nejnovější řešení se navíc vedle vylepšování světelného výstupu snaží zvyšovat bezpečnost silničního provozu tím, že minimalizují i nežádoucí odlesky od slunečního kotouče, který zejména při svém východu a západu může nepřímo snižovat čitelnost dopravního značení. V této souvislosti je věnována zvláštní pozornost proměnnému dopravnímu značení ze světelných bodů, u kterých je při návrhu jednotlivých světelných bodů dána přednost polovodičovým luminiscenčním diodám LED. Tyto LED diody se sice právě kvůli těmto odleskům samostatně k tomuto účelu nehodí, ale při doplnění vhodnou optikou jsou použitelné. Příkladem takového řešení světelného bodu z LED diody vyzařující viditelné světlo v širokém svazku je patent US 6 249 375 nebo EP 930600. V obou těchto vynálezech jsou s jedinou LED použity dvě optické čočky navzájem protilehle uspořádané a uložené v tubusu.

Nevýhodou dosavadních řešení je ovšem to, že se snaží omezit pouze vliv rušivého světla přicházejícího do světelného bodu z pozice nad horizontem a ne každého světla přicházejícího z oblasti kolem horizontu.

Podstata technického řešení

Uvedené nevýhody dosavadního stavu techniky odstraní nebo podstatně omezí jednodiodový dioptrický element, sloužící a operující, vestavěný či zabudovaný jako jednotlivý světelný bod na proměnné dopravní značce a/nebo na zařízení pro provozní informace, sestává z LED diody, optické čočky a stínícího tubusu, v němž jsou LED a čočka uloženy. Podstata tohoto technického řešení spočívá v tom, že před jednu polovodičovou luminiscenční LED diodu je vložena jedna fazetová čočka, opatřená nejméně dvěma rozptylnými fazetami na své vnější ploše odvrácené od LED diody. Fazetová čočka tak optimálně upravuje úzkou vyzařující charakteristiku LED diody a maximálně rozptyluje nežádoucí rušivé vnější světlo vstupující do optiky jednodiodového dioptrického elementu.

Je výhodné, když LED dioda má optickou osu protínající fazetovou vnější plochu fazetové čočky, což umožňuje minimalizovat radiální rozměry jednodiodového dioptrického elementu a zajišťuje jeho dobiý světelný výkon.

-1 CZ 14556 Ul

Též je výhodné, když fazetová čočka má vnitřní plochu s optickou osou vertikálně posunutou pod optickou osu LED diody, což zabezpečuje odvedení světelných paprsků žádaným směrem mimo lesklý čip LED diody.

Také je výhodné, když vnitřní plocha fazetové čočky, přivrácená kLED diodě, je kulová, eliptická či bikonická pro vytvoření optimální koncentrace svazku paprsků z LED diody na vnější fazetové ploše čočky. Samotná vnitřní plocha může být hladká nebo vytvořena např. jako Fresnelovy čočky.

Dále je výhodné, když rozptylné fazety jsou válcovité plochy se svislou osou a/nebo osou mírně nakloněnou do 14 stupňů k vertikální ose, což usnadňuje výrobu fazetové čočky. Dochází tak k žádoucímu převážně horizontálnímu rozptylu rušivého světla na vstupu a tím i ke snížení hustoty jeho světelné energie.

V samostatném těsnění může být uložena jak fazetová čočka uchycená v čelním panelu, tak LED dioda. Případně LED dioda i fazetová čočka mohou být uloženy vtěsnění zjednoho kusu.

Hlavní výhodou tohoto technického řešení je, že jednodiodový dioptrický element, představující optiku jednoho světelného bodu, minimalizuje rušivé odlesky světelného bodu na proměnných dopravních značkách, které jsou způsobeny nežádoucími odrazy slunečního záření a světla z reflektorů automobilů uvnitř optiky jednotlivých světelných bodů.

Fazetová čočka světelného bodu vertikálně oddělí od sebe úzký světelný svazek vystupující z LED diody a vstupující nežádoucí sluneční světelný svazek zvnějšku, přičemž k oddělení dojde takovým způsobem, že světelná hustota nežádoucího svazku s rostoucí hloubkou proniknutí do vnitřku světelného bodu maximálně klesá. Největším zdrojem rušivých odlesků ve světelném boduje světlo emitující čip LED diody, který má vzhled lesklého kovu a proto je snížení na něj dopadající nežádoucí světelné energie principiální.

Maximální pokles hustoty energie v nežádoucím svazkuje zaručen tím, že hned na vnější ploše fazetové čočky, kterou nežádoucí světlo vstupuje do světelného bodu, je několikrát zvětšena jeho rozbíhavost prostřednictvím malých fazet, na které je vnější plocha fazetové čočky rozdělena, a které se pro vystupující světlo chovají jako malé čočky, optimálně zobrazující každou část vystupujícího světelného svazku LED do výsledného požadovaného svazku. Úzký svazek vystupující z LED diody je tedy na konci své dráhy ve světelném bodu geometricky rozdělen prostřednictvím fazet na několik menších svazků, z nichž každý vytváří zobrazením přes fazetu požadovaný tvar širokého výstupního svazku. Nežádoucí koncentrovaný vstupující svazek do světelného boduje stejnými fazetami rozdělen do několika doširoka rozbíhajících se svazků.

Jednoznačnou výhodou tohoto technického řešení proti klasickému řešení s hladkou výstupní plochou Čočky je to, že účelovým geometrickým uspořádáním optiky lze řádově snížit rušivé světélkování bez přídavných optických prvků (další čočkou, stínítkem). Další nespornou výhodou je to, že světlo z LED diody je využito mnohem efektivněji a to ze dvou důvodů. Předně vnitřkem světelného bodu prochází úzký světelný svazek z LED, který je do požadovaného širokého horizontálního rozptylu upraven až na poslední vnější ploše čočky, takže jeho světelná energie není absorbována uvnitř na stěnách uložení optiky světelného bodu. Uspořádání je výhodné také proto, že výsledný obraz je vytvořen z několika menších válcovitých čoček s větší optickou mohutností, než jakou by měla jedna hladká válcová čočka, čímž je kruhový svazek LED diody zobrazen do mnohem pravidelnějšího požadovaného obdélníkového tvaru výsledného svazku a neplýtvá se světelnou energií z LED diod vně požadovaného obdélníkového průřezu svazku.

Přehled obrázků na výkresech

Technické řešení je podrobně popsáno dále na příkladném provedení, které je objasněno na připojených schematických výkresech, z nichž představuje obr. 1 jednodiodový dioptrický element v axonometrickém čelním pohledu, obr. 2 jednodiodový dioptrický element v axono-2CZ 14556 Ul metrickém bočním pohledu, obř. 3 jédnodiódový dioptrícký element ve svislém řezu z obr. 1, 2 á obr. 4 jednodiodový dioptrický element v horizontálním řezu z obr. 1 a 2.

Příklady provedení technického řešení

Na obrázcích 1, 2, 3, 4 je zobrazeno jedno z výrobně a recyklačně nejjedriódušších uspořádání jednodiodového dioptrického elementu projeden světelný bod podle tohoto technického· řešení. Na obr. 1 a 2 je prostorový pohled na konstrukční uložení optiky světelného bodu v čelním panelu. Na obr. 3 a 4 je zobrazen princip odstínění nežádoucího Slunečního světla a princip snížení hustoty světelné energie v slunečním svazku zvětšením jeho rozbíbavosti.

LED dioda 1 ve válcovém provedení o průměru d = 5 mm vyzařuje úzký světelný svazek 40 s rozbíhavostí β < 28° (obr. 4). Vyzařované světlo z LED diody i může mít různou barvu, např. bílou, červenou s dominantní vlnovou délkou okolo 625 nm, zelenou s dominantní vlnovou délkou okolo 525 nm, modrou s dominantní vlnovou délkou okolo 470 nm, žlutou s dominantní vlnovou délkou okolo 570 nm nebo oranžovou s dominantní vlnovóu délkou okolo 605 nm. Optická osa 5 LED diody 1 protíná fazetovou vnější plochu 11 fazetové čočky 10. Optická osa 5 LED diody I je kolmá k čelnímu panelu 20 á leží v rovině XY rovnoběžné s horizontální rovinou (obr. 4). Fazetová čočka 10 je zhotovena ze skla s indexem lomu okolo 1,5. Fazetová čočka 10 může být i plastová. V konkrétním provedení vnitřní plocha 14 fazetové čočky 10 jé kulová s poloměrem větším než 14 mm á její optická osa 15 je Vertikálně posunutá pod optickou osů 5 LED diody i o více než 1,2 mm (obr. 3). Vnitřní plocha 14 fazetové čočky 10 může být hladká též kulová nebo bikonická.

•D ’·

Vnější plocha 11 fazetové čočky 10 je složena ze čtyř vertikálních cylindrických fazet 12 (obr. 1) s roztečí t okolo 2 mm a poloměry menšími než 5 mm. Rozptylné fazety 12 jsou válcovité plochy se svislou osou a/nebo osou mírně nakloněnou do 14 stupňů k vertikální ose Z. Na každé rozptylné fazetě 12 dochází k velkému zvětšení zejména horizontální rozbíhavostí slunečního světelného svazku 50 (obr. 3, 4). Geometricky je vnější plocha 11 fazetové čočky 10 ohraničená kružnicí o průměru D< 10 mm (obr. 4). Geometrickým středem vnější plochy 11 fazetové čočky 10 prochází optická osa 5 LED diody L Vzdálenost L ná optické ose 5 mezi vnitřní plochou 14 fazetové čočky 10 a protilehlou vyzařovací plochou LED diody 1 je L > 7 mm (obr. 3). Tím je dosaženo, v kombinaci s vertikálním posunem s > 1,2 mm vnitřní kulové plochy 14, promítnutí slunečního světelného svazku 50 dopadajícího do vnější plochy 11 fazetové čočky 10 pod úhlem a> 9°, pod LED diodou i. Světelný svazek 50 prochází přes fazetovou čočku 10 až na vnitřní plochu 14, na níž se láme pod LED diodou L

Fazetová čočka 10 je uložena v čelním panelu 20 v samostatném gumovém těsnění 21 (obr. I). LED dioda i je rovněž uložena v samostatném gumovém těsnění 22 (obr. 1, 3), které je přitlačováno fixační deskou 23 k čelnímu panelu 20 á fazetové čočce 10. Gumové těsnění 22 LED diody i slouží současně i jako stínící tubus, který zabraňuje zobrazení rušivého slunečního svazku 50 do optiky sousedního světelného bodu v matici čelního panelu 20. Je však též možné uložení LED diody 1 a fazetové čočky 10 v těsnění z jednoho kusu.

S ohledem na požadované vlastnosti vystupujícího světelného svazku ze světelného bodu a dopadajícího rušivého slunečního světelného svazku 50 platí pro konstrukční principy optiky světelného bodu následující. Úzký světelný svazek 40 vystupující z LED diody l_jě přes vnitřní plochu 14 fazetové čočky 10 zkoncentrován na vnější rozptylné fazety 12, na kterých dochází k vytvoření požadované svítivosti elementu a to tak, že každá vnější rozptylná fazeta 12 vytváří požadovanou celkovou relativní svítivost světelného bodu maximálně samostatně. Vzájemné osové vzdálenosti LED diody i, vnitřní plochy 14 a vnější plochy 11 fazetové čočky 10 jsou takové, aby jakékoli světlo dopadající do jednodiodového dioptrického elementu pod úhlem a > 9° se zobrazilo pod LED diodu i a světlo dopadající pod úhlem a < 9° se na vnějších rozptyIných fazetách 12 efektivně rozptýlilo.

-3 CZ 14556 Ul

Světelné body se na proměnných dopravních značkách a zařízeních pro provozní informace sestavují buď v maticovém uspořádání nebo v uspořádání tvaru jednotlivých symbolů.

Uvedené příkladné provedení neomezuje jiné alternativní provedení. Jsou možná i jiná provedení jednodiodového dioptrického elementu v rámci myšlenky rozsahu patentových nároků.

Průmyslová využitelnost .

Jednodiodový dioptrický element vytváří optiku světelného bodu pro proměnné dopravní značky a zařízení pro provozní informace v silniční, železniční případně i vodní a letecké dopravě.

Claims (7)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1, Jednodiodový dioptrický element určený pro jeden světelný bod proměnné dopravní ío značky a/nebo pro zařízení pro provozní informace, zahrnující LED diodu (1) jakožto zdroj světla a optickou Čočku, přitom LED dioda (1) i čočka jsou uloženy v tubusu, vyznačující s e ť í m , že pro vytvoření jednoho světelného bodu je před jednu polovodičovou luminiscenční LED diodu (1) vložena jedna fazetová čočka (10) opatřená nejméně dvěma rozptylnými fazetami (12) na své vněj šíploše(U) odvrácené od LED diody (1).

   15
2. 2. Jednodiodový dioptrický element podle nároku 1, vyznačující se tím, že LED dioda (1) má optickou osu (5) protínající fazeťovou vnější plochu (11) fazetoyé čočky (10).
3. 3. Jednodiodový dioptrický element podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že k vnější ploše (11) fazetové čočky (10) protilehle orientovaná Vnitřní plocha (14) má optickou osu (15) vertikálně posunutou pod optickou ošu (5) LED diody (1).

   20
4. 4. Jednodiodový dioptrický element podle nároku 3, vyznačující se tím, že vnitřní plocha (14) fazetové čočky (10) je kulová, eliptická či bikonická.
5. 5. Jednodiodový dioptrický element podle některého z předcházejících nároků 1, 2, 3, vyznačující se tím, že rozptylné fazety (12) jsou válcovité plochy se svislou osou a/ nebo osou mírně nakloněnou do 14 stupňů k vertikální ose (Z).

   25
6. 6. Jednodiodový dioptrický element podle některého z předcházejících nároků 1, 2, 3, 4, 5, vyznačující se tím, že fazetová čočka (10) je v čelním panelu (20) uložena v samostatném těsnění (21).
7. 7. Jednodiodový dioptrický element podle některého z předcházejících nároků 1, 2, 3, 4, 5, vyznačující se tí m , že LED dioda (1) je uložena ve samostatném těsnění (22).

   30 8. Jednodiodový dioptrický element podle některého z předcházejících nároků 1, 2, 3, 4, 5, vyznačující se tím, že LED dioda (1) a fazetová čočka (10) jsou uloženy vtěsnění z jednoho kusu.