CZ306085B6

CZ306085B6 - Optický prvek

Info

Publication number: CZ306085B6
Application number: CZ2015-524A
Authority: CZ
Inventors: Petr Kalous; VĂt LĂ©dl; Radek Melich; Pavel Pintr
Original assignee: Eltodo, A.S.; Ăšstav fyziky plazmatu AV ÄŚR, v.v.i.
Priority date: 2015-07-28
Filing date: 2015-07-28
Publication date: 2016-07-27
Also published as: CZ2015524A3; EP3125222A1

Abstract

Optický prvek pro proměnné informační tabule sestávající z RGB LED diody (1), dále za touto diodou (1) přilehlou plochou (14) ze souose uspořádaného světlovodu (2) a za světlovodem (2) z navazující souose uspořádané optické čočky (3). Optická čočka (3) je uspořádána na straně odvrácené od diody (1) a vytvořená jako astigmatická. Těleso světlovodu (2) je tvořeno komolým čtyřbokým vstupním jehlanem (11) a komolým čtyřbokým výstupním jehlanem (12), které jsou vzájemně pevně spojeny vrcholovými plochami o totožném průřezu, přičemž výška vstupního jehlanu (11) je nejméně 1,2 mm a současně je menší než výška výstupního jehlanu (12), dále vrcholový úhel vstupního jehlanu (11) je ostrý a vrcholový úhel výstupního jehlanu (12) je ostrý.

Description

Optický prvek

Oblast techniky

Vynález se týká optického prvku pro použití zejména v oblasti řízení dopravy pro proměnné, informační tabule a proměnné dopravní značky v uspořádání v matici s více světelnými body.

Dosavadní stav techniky

V oblasti dopravy se pro proměnné dopravní informační tabule a značky používá řada optických prvků se světelnými diodami LED jako světelnými zdroji ve spojení s optickými čočkami a dalšími prvky usměrňujícími světelné paprsky.

Obdobné řešení je popsáno v CZ PV 2015-454, kde je světlovod vytvořen ve tvaru komolého šestihranu s vrcholovým úhlem 14°, přecházejícího na obou koncích do šestihranu pravidelného a na druhém konci světlovodu je umístěna optická čočka, která je vytvořena se dvěma zakřivenými plochami, přičemž první zakřivená plocha, například vytvořená jako rotační, je vytvořena na straně optické čočky přivrácené ke světlovodu a druhá zakřivená plocha, vytvořená na straně optické čočky odvrácené od světlovodu, je vytvořená jako astigmatická podle CZ UV 22619. Mezi první zakřivenou plochou optické čočky a výstupní plochou světlovodu je vzduchová mezera. Světelný zdroj - RGB LED dioda, světlovod a optická čočka jsou uspořádány koaxiálně. Souosost optických prvků zajišťují pouzdra, do kterých jsou tyto zasunuty.

Výsledná barva světla ze světelného zdroje je kromě červené, zelené a modré, směsí alespoň dvou monofrekvenčních záření stejné nebo rozdílné intenzity. Aby výsledná barva světla vystupujícího z optického prvku byla rovnoměrně rozložena do požadovaných vyzařovacích úhlů, je nutné jednotlivá monofrekvenční záření promíchat. Světlovod tedy slouží k přenosu monofrekvenčních záření z čipů RGB LED diody na optickou čočku. Hlavním úkolem světlovodu ale je rozložit světelnou energii emitovanou čipy RGB rovnoměrně na výstupní plochu světlovodu a právě z těchto důvodů je světlovod řešen jako komolý šestihran s vrcholovým úhlem 14° přecházející na začátku i konci na šestihran pravidelný.

Monofrekvenční záření emitovaná čipy RGB LED diody vstupují do světlovodu a část paprsků prochází světlovodem přímo na jeho výstupní plochu. Paprsky s vrcholovým úhlem do 18° světlovodem projdou až na jeho výstupní plochu, ostatní se uvnitř odrazí na rovinných plochách komolého i pravidelného šestihranu. Uhel dopadu všech paprsků je vždy větší než 42°, dochází k jejich totálnímu odrazu a stěny šestihranů se chovají jako zrcadla. Uvnitř světlovodu dochází k několikanásobným odrazům, při kterých se obraz každého světloemitujícího čipu vždy zrcadlově otočí okolo roviny spojující vrcholy šestihranu. Výsledkem je pravidelné rozložení monofrekvenčních záření na výstupní ploše světlovodu.

Podle úhlu dopadu se tyto paprsky odrážejí a dopadají buď přímo na výstupní plochu světlovodu, nebo na protilehlou plochu, kde se znovu odrazí. Výsledkem je to, že z výstupní plochy světlovodu vycházejí paprsky monofrekvenčních záření přímé i zrcadlené podle třech rovin spojujících vrcholy šestihranu. Vstupní plocha světlovodu leží přímo na zapouzdření čipů RGB LED diody. Je tak zabráněno usazování prachových částic na výstupní ploše RGB LED a vstupní ploše světlovodu.

Nevýhodou tohoto řešení je ztráta světelné intenzity na vstupu do světlovodu a následné snížení světelného výkonu na výstupu, optimální není ani rozložení bílého světla na čelní straně směrové optiky.

- 1 CZ 306085 B6

Podstata vynálezu

Optický prvek pro proměnné informační tabule, který sestává z RGB LED diody typu SMD jako zdroje tří monofrekvenčních záření, dále ze souose za touto diodou uspořádaného světlovodu a za světlovodem z navazující souose uspořádané optické čočky, kdy optická čočka je uspořádaná na straně odvrácené od diody a vytvořená jako astigmatická, jehož podstata spočívá v tom, že těleso světlovodu je tvořeno komolým čtyřbokým vstupním jehlanem a komolým čtyřbokým výstupním jehlanem, které jsou vzájemně pevně spojeny vrcholovými plochami o totožném průřezu, přičemž výška vstupního jehlanu je nejméně 1,2 mm a současně je menší než výška výstupního jehlanu, dále vrcholový úhel vstupního jehlanu je ostrý a vrcholový úhel výstupního jehlanu je ostrý.

Výška vstupního jehlanu 1,2 mm je stanovena simulací trasování paprsků danou optickou soustavou a právě délka 1,2 mm komolého čtyřbokého jehlanu umožňuje základní uniformní promíchání barev tří monofrekvenčních složek z RGB LED diody typu SMD. Délka vstupního komolého čtyřbokého jehlanu proto musí být >=1,2 mm.

Optická čočka je dále uspořádaná v ose optického prvku a je vytvořena s průřezem čtyřbokého hranolu, přičemž její plocha přilehlá ke světlovodu je vytvořena jako rovinná a plocha odvrácená od světlovodu je vytvořena jako konvexní a astigmatická. Optická čočka je k světlovodu v oblasti plochy základny výstupního jehlanu aretována prostřednictvím shodného tvaru kontaktních ploch optické čočky a světlovodu.

Tvar komolého čtyřbokého jehlanovitého světlovodu a čočky je dán tvarem RGB LED diody. Právě tento tvar umožní správné navedení světla do světlovodu a jeho prvotní promíchání. Navedením světla do světlovodu jsou minimalizovány intenzitní ztráty způsobené na vstupu světla do světlovodu. Proto je potřeba dodržet vstupní úhel a od 150° do 70°. Úhly a menší než 70° dle simulace způsobují vyvažování světla ze světlovodu a zvýšení intenzitních ztrát. Výstupní čtyřboký jehlan byl opět řešen simulací trasování paprsků optickou plochou. Výstupní úhel β musí proto nabývat hodnot od 90° do 150° dle požadavku rozměru čelní směrové optiky.

Tvar optické čočky je současně navržen tak, aby sluneční paprsky na ní dopadající byly po průchodu čočkou na první lomné ploše odkloněny mimo světlovod.

Optický prvek je sestaven tak, že zadní vnitřní prostor kontaktu RGB LED diody se světlovodem a přední vnitřní prostor kontaktu světlovodu s optickou čočkou jsou odděleny tepelnou clonou, která světlovod obepíná. Tepelná clona tvoří isolaci a zabraňuje přehřívání elektroniky optického prvku.

Výhodami tohoto řešení je minimalizace ztrát světelné intenzity na vstupu do světlovodu a tím i dosažení vysokého světelného výkonu na výstupu. Vrcholové úhly a profily jehlanů světlovodu umožní na vstupu snadné mixování R, G, B světla při uniformním rozložení intenzity a uniformní rozložení bílého světla na čelní straně směrové optiky. Optický prvek je navržen s možností jednodušší výroby a snadné mechanické výměny poškozeného kusu. Řešení podle vynálezu splňuje podmínky dané normou ČSN EN 12966 jak v rozsahu úhlů vyzařování, tak v hodnotě jasu naměřeného v referenční ose, popř. v mezních hodnotách příslušné třídy úhlu vyzařování.

Objasnění výkresů

Optický prvek podle vynálezu je znázorněn na přiložených obrázcích. Na Obr. 1 je uveden příklad provedení světlovodu, na Obr. 2 je vyobrazena čočka, na Obr. 3 a Obr. 4 je sestava kompletního optického prvku s jednotlivými komponentami a na Obr. 5 schéma vstupních a výstupních úhlů vlnovodu včetně průběhu světelných paprsků optickým prvkem.

-2CZ 306085 B6

Příklad uskutečnění vynálezu

Optický prvek pro proměnné informační tabule, znázorněný na Obr. 1 až 4, obsahuje světelnou soustavu tvořenou světelným zdrojem RGB LED diodou 1 typu SMD, tělesem světlo vodu 2 a optickou čočkou 3. Světlovod 2 je tvořen komolým čtyřbokým vstupním jehlanem 11 a komolým čtyřbokým výstupním jehlanem 12, které jsou vzájemně pevně spojeny vrcholovými plochami o totožném průřezu, přičemž výška vstupního jehlanu 11 je 1,2 mm a výška výstupního jehlanu 12 je 16,3 mm. Vrcholový úhel vstupního jehlanu lije 23,5° a vrcholový úhel výstupního jehlanu 12 je 22,6°.

Výška 1,2 mm vstupního jehlanu 11 byla stanovena simulací trasování paprsků danou optickou soustavou dle Obr. 5. Její hodnota vznikla z rozměrového požadavku, kdy celá sestava včetně směrové optiky nesmí překročit délku 25 mm. Právě výška 1,2 mm komolého čtyřbokého vstupního jehlanu 11 umožňuje základní uniformní promíchání barev tří monofrekvenčních složek z RGB LED diody 1 typu SMD, a proto tedy musí být >=1,2 mm. Tvar komolého čtyřbokého jehlanovitého světlovodu 2 je dán tvarem RGB LED diody 1. Právě tento tvar umožní správné navedení světla do světlovodu 2 a jeho prvotní promíchání. Navedením světla do světlovodu 2 jsou minimalizovány intenzitní ztráty způsobené na vstupu světla do světlovodu 2. Proto je potřeba dodržet vstupní úhel a od 150° do 70°. Úhly a menší než 70° dle simulace způsobují vyvažování světla ze světlovodu 2 a zvýšení intenzitních ztrát (viz Obr. 5).

Čtyřboký výstupní jehlan 12 byl opět řešen simulací trasování paprsků optickou plochou. Výstupní úhel β musí proto nabývat hodnot od 90° do 150° dle požadavku rozměru čelní směrové optiky. Požadavek byl stanoven na optický průměr 10 mm čelní směrové optiky, což odpovídá úhlu β= 102°.

Optická čočka 3 je uspořádaná v ose optického prvku a je vytvořena s průřezem čtyřbokého hranolu, přičemž její plocha 13 přilehlá ke světlovodu 2 je vytvořena jako rovinná a plocha odvrácená od světlovodu 2 je vytvořena jako konvexní a astigmatická. Optická čočka 3 je k světlovodu 2 v oblastí plochy 13 přilehlé k světlovodu 2 základny výstupního jehlanu 12 aretována prostřednictvím shodného tvaru kontaktních ploch optické čočky 3 a světlovodu 2.

Sestava optického prvku je zobrazena na Obr. 3 a Obr. 4, kde je matrice 6 informační tabule vyrobena z plechu AlMg3 tloušťky 2 mm. Do matrice 6 jsou zalepeny optické čočky 3 a přivařeny distanční sloupky 9, které slouží k upevnění desky plošného spoje 5. Na plošném spoji 5 jsou osazeny SMD technologií (surface mount device - součástky pro povrchovou montáž) RGB LED diody 1. Spojení mezi světlovodem 2 a LED diodou 1 zajišťuje spojovací pouzdro 4, které je upevněno na desce plošného spoje 5 a vyvozuje axiální sílu, která přitlačuje světlovod 2 na LED diodu 1. Na distanční sloupky 9 jsou nasazeny distanční válečky 8, mezi kterými je vložena tepelná clona 7, která potlačuje tepelnou radiaci z matrice 6 a chrání tak LED diody i a další elektrosoučástky osazené na desce plošného spoje 5 před přehřátím. K připevnění desky plošného spoje 5 k matrici 6 slouží šrouby 10 našroubované do závitů distančních sloupků 9.

Průmyslová využitelnost

Optický prvek podle tohoto technického řešení se využije zejména v oblasti dopravy pro proměnné informační tabule a proměnné dopravní značky s maticovým uspořádáním plnochromatických bodů.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Optický prvek pro proměnné informační tabule sestávající z RGB LED diody (1) typu SMD jako zdroje tří monofrekvenčních záření, dále za touto diodou (1) přilehlou plochou (14) ze souose uspořádaného světlovodu (2) a za světlovodem (2) z navazující souose uspořádané optické čočky (3), kdy optická čočka (3) je uspořádaná na straně odvrácené od diody (1) a vytvořená jako astigmatická, vyznačující se tím, že těleso světlovodu (2) je tvořeno komolým čtyřbokým vstupním jehlanem (11) a komolým čtyřbokým výstupním jehlanem (12), které jsou vzájemně pevně spojeny vrcholovými plochami o totožném průřezu, přičemž výška vstupního jehlanu (11) je nejméně 1,2 mm a současně je menší než výška výstupního jehlanu (12), dále vrcholový úhel vstupního jehlanu (11) je ostrý a vrcholový úhel výstupního jehlanu (12) je ostrý.
2. Optický prvek podle nároku 1, vyznačující se tím, že optická čočka (3), uspořádaná v ose optického prvku je vytvořena s průřezem čtyřbokého hranolu, přičemž její plocha (13) přilehlá ke světlovodu (2) je vytvořena jako rovinná a plocha odvrácená od světlovodu (2) je vytvořena jako konvexní a astigmatická.
3. Optický prvek podle nároku 1, vyznačující se tím, že optická čočka (3) je v oblasti plochy (13) přilehlé ke světlovodu (2) aretována k základně výstupního jehlanu (12) světlovodu (2) samosvomě prostřednictvím shodného tvaru kontaktních ploch optické čočky (3) a světlovodu (2).
4. Optický prvek podle nároku 1, vyznačující se tím, že zadní vnitřní prostor (15) kontaktu RGB LED diody (1) se světlovodem (2) a přední vnitřní prostor (16) kontaktu světlovodu (2) s optickou čočkou (3) jsou odděleny tepelnou clonou (7), která světlovod (2) obepíná.