HRP980428A2 - Laser-based railroad signal light - Google Patents

Description

Ovaj izum odnosi se na željeznička signalna svjetla.

Takva signalna svjetla mogu se koristiti za prijelaz ceste preko željezničke pruge, pješačkog prijelaza, bljeskajuća svjetla upozorenja i za željezničke kontrolne signale koji određuju prednost prolaza. Do sada se žareće lampe bile izvor svjetlosti za sve primjene signala na željeznici. Uobičajeno je da žareće lampe imaju bezbojno svjetlo, a da se željena boja svjetlosti dobiva putem obojenog filtra. Na primjer, za rampe i ostale upozoravajuće naprave obično se koristi filtar crvene boje, naprava za prikupljanje svjetlosti i divergentne leće. Za signale koji određuju prednost, kod kojih su crveno, žuto i zeleno konvencionalne boje, postojat će filtri kako bi se osiguralo dobivanje odgovarajuće boje svjetlosti kroz odgovarajuću otvor.

Laserski izvor svjetlosti ima mnoge prednosti u odnosu na žareću lampu, kao izvor svjetlosti. Dulji vijek trajanja vjerojatno je najveća prednost. Na primjer, procijenjeni vijek trajanja postojećih žarećih signalnih svjetala koja se koriste na željeznici je oko 2.000 sati, time da je uobičajeno i realnije da ona traju oko 1.000 sati. Trajanje laserskog izvora svjetlosti procjenjuje se na najmanje 10.000 sati, a prateća elektronika ima puno dulji vijek trajanja. Štoviše, laserski izvor svjetlosti može se sastojati od snopa višestrukih lasera ili višestrukih izvora, a pošto je vrlo mala vjerojatnost da će doći do istodobnog zakazivanje svih takvih lasera, realno se može očekivati postepeno slabljenje izvora svjetlosti, koje se interno može pratiti kao signal poslan željezničkom osoblju, a kad izvor svjetlosti dostigne prethodno određeni stupanj osvjetljenja, laserski snop može se zamijeniti.

Druga važna prednost je to što je multipliciranje lasera u nit mnogo efikasnije nego takav multipliciranje inkoherentnog izvora kao što su žareća lampa ili dioda koja emitira svjetlost.

Nadalje, laserski izvor svjetlosti mnogo se lakše usmjerava, a njegova amplituda može se lako kontrolirati pomoću jeftinih i pristupačnih poluvodičkih elektroničkih uređaja. Laserski izvori svjetlosti radit će na bitno višoj električno-svjetlosnoj efikasnosti nego sadašnje žareće lampe.

Prema ovom izumu, predviđa se željeznički svjetlosno signalni uređaj koji uključuje kućište, otvor za signalno svjetlo na kućištu, leće koje pokrivaju otvor i izvor svjetlosti unutar kućišta, kako bi se dobilo svjetlo koje se usmjerava kroz leće, time da se izvor svjetlosti dobiva putem lasera koji daje svjetlost unutar određenog svjetlosnog spektra.

Laser može davati svjetlost u crvenom spektru boja pri valnoj duljini unutar raspona od 630 - 680 nanometara, svjetlost u zelenom spektru boja pri valnoj duljini u rasponu od 555 nanometara ili svjetlost u žutom spektru boja pri valnoj duljini u rasponu od 588 nanometara.

Laser može biti povezan vodičem svjetlosti s mjestom nasuprot leća. U tom slučaju laser može biti smješten daleko od kućišta, na primjer uz korištenje vodiča svjetlosti, i to optičkog kabela (na primjer optičkog kabela s dodatkom metalnog oksida koji se teško reducira, kao što je praseodimium) kao vodiča svjetlosti.

Druga je mogućnost da laser bude smješten unutar kućišta.

Laser može biti laserska dioda koja daje svjetlost unutar određenog svjetlosnog spektra. U tom slučaju laserska dioda može biti jedna od takvih dioda u snopu. Svaka laserska dioda može biti povezana odgovarajućim vodičem svjetlosti sa zajedničkom lokacijom nasuprot leća.

Uređaj signalnog svjetla može funkcionirati na primjer kao svjetlo upozorenja na raskrižjima ili kao željeznički kontrolni signal.

Može postojati više takvih svjetlosnih kućišta, od kojih svako ima otvor za signalno svjetlo i leću koja pokriva taj otvor, te takav izvor osvjetljenja unutar svakog kućišta da daje svjetlost usmjerenu kroz leću kućišta, a izvor osvjetljenja u svakom kućištu potječe bar od jednog lasera koji daje svjetlo unutar spektra boja koji je specifičan za to kućište.

U slučaju laserske diode, pošto je njena valna duljina zapravo nezavisno od struje napajanja, njena ulazna li izlazna snaga, kromatske koordinate (ili boje) neće biti funkcija struje. Žareća lampa proizvodi svjetlost zbog visoke temperature vlakana u skladu sa zakonom isijavanja crnog tijela i stoga je sadržaj njenog spektra stroga funkcija snage korištene za grijanje niti.

Danja prednost je što kod uporabe lasera nije potrebno koristiti filtar ispred izvora svjetlosti, pošto sam izvor daje željenu boju.

Ovaj izum će sada biti opisan putem primjera oslanjajući se na prateće slike, u kojima:

Slika 1 prikazuje tipično starije željezničko svjetlo upozorenja na raskrižjima,

Slika 2 dijagramsku ilustraciju tipičnog kućišta ranijeg željezničkog signalnog svjetla koje koristi žareći izvor,

Slika 3 izgled snopa laserskih dioda povezanih s optičkim kabelom,

Slika 4 je isječak koji prikazuje željeznički signal koji određuje prednost prolaza, a koristi laserske diode kao izvor svjetlosti,

Slika 5 je isječak, sličan slici 4, koji pokazuje skup laserskih dioda koje se izravno naslanjaju na difuzijsku leću,

Slika 6 je izgled skupa laserskih dioda prikazanih na slici 5 i

Slika 7 prikazuje željeznički signal koji određuje prednost prolaza, a ima tri dodirna laserska signalna svjetla koja daju svjetlost s tri različite valne duljine.

U izvedbama ovog izuma koje će biti opisane, laserske diode koriste se kao izvor svjetlosti za željezničke signale, i to za bljeskajuće signalne uređaje na prijelazima cesta i za željezničke signalne uređaje koji određuju prednost prolaza, i to u obliku snopa takvih dioda kao izvora svjetlosti. Taj snop može biti smješten izravno na mjestu osvjetljenja, a može biti smješten i daleko, u kojem slučaju se s točkom osvjetljenja unutar kućišta povezuje optičkim kablovima.

U odnosu na crveno kao boju koja se koristi na rampama na cestovno-željezničkim prijelazima, te kao jedna od boja na željezničkim svjetlosnim uređajima koji određuju prednost prolaza, takav snop laserskih dioda može raditi unutar spektra crvene boje od 630-680 nanometara (nm). U tom spektru laserske diode neće sve emitirati svjetlost iste vale duljine, nego mogu emitirati mnoštvo različitih valnih duljina unutar ovog određenog spektra. Za željezničke signale koji određuju prednost prolaza snop laserskih dioda može djelovati blizu valne duljine od 588 nm za žuto svjetlo i 555 nm za zeleno svjetlo. U slučaju potrebe za "bijelim svjetlom, može se koristiti kombinacija ovih boja da bi de dobila "bijela" ili uporaba dvaju "komplementarnih" boja, to jest ovih čije su valne duljine povezane ravnom crtom kroz bijelu točku na kromatskom dijagramu "Commission Internationale d'Eclairege" (CIE). Na primjer, 495 i 670 nm, kao i 474 i 569 nm su komplementarne boje.

Pored uporabe snopa laserskih dioda određenih gore navedenih valnih duljina, svrha izuma je i korištenje optičkog kabela s dodatkom metalnog oksida koji se teško reducira, koji može biti pobuđen vrlo učinkovitim skoro ultracrvenim laserima, kako bi se dobila vidljiva svjetlost odgovarajućih valnih duljina. To se postiže postepenom apsorpcijom dvaju infracrvenih fotona iz radećih lasera i emisijom vidljivih fotona iz pobuđenih atoma metalnih oksida. Odgovarajući metalni oksid koji se teško reducira je praseodimij. Optički kabel s dodatkom ovog materijala koristio bi lasere na 1.01 μm i 835 nm da se dobiju valne duljine svjetlosti od 635 nm (crveno), 520 nm /zeleno-plavo) i 492 (plavo). Drugi metalni oksidi i različite niti mogu se koristiti za dobivanje različitih boja. Važno je da optički kabel s dodacima koji se koriste u kombinaciji s laserima koji rade na određenim valnim duljinama može dati bilo koju boju koja se nađe korisnom u željezničkom okruženju. Za daljnje upute za korištenje lasera u kombinaciji s optičkim kabelom s dodacima vidjeti The Journal of Quantum Electonics, Vol. 33, Br. 6, srpanj 1977. i članak na str. 905 pod naslovom "Theory of Pr - Doped Fluoride Fiber Upconversion Lasers" autora Yuxing Zhao i Simon Fleming.

Slika 1 prikazuje tipični raniji željeznički uređaj bljeskajućeg signalnog svjetla na željezničko-kolničkim raskrižjima. Postoji vanjsko kućište 10 koje može imati sloj unutarnjeg ogledala 12. Sloj je smješten na parabolični reflektor 14, te postoji filtar u boji i divergentna leća 16 koji pokriva otvor kućišta 10. Žareći izvor svjetlosti 18 smješten je unutar kućišta i usmjerava svjetlost duž linija strelica 20 van kroz filtar i divergentnu leću 16. Takav je izvor svjetlosti uobičajen i može se vidjeti na cijelom području Sjedinjenih Američkih država svugdje gdje postoje kolnički ili pješački prijelazi željezničkih tračnica.

Slika 2 prikazuje tipičan željeznički signalni uređaj koji određuje prednost prolaza. Postoji kućište 30 čija unutrašnjost može biti zacrnjena, kako bi se izbjeglo reflektiranje svjetla. Kućište 30 ima otvor 32 i izvor svjetlosti 34 smješten unutar kućišta. Postoji sustav leća koji se sastoji od unutarnje leće 36 i vanjske leće 38, s kombinacijom dviju leća na način da je omogućeno usmjeravanje svjetlosti iz signalnog izvora duž prethodno određene linije s vrlo malom divergencijom zrake u njenoj korisnoj duljini. Ovo je važno jer signalno svjetlo mora biti vidljivo s veće udaljenosti, a to se može postići jedino ako je svjetlost iz izvora koncentrirana duž željenog pravca.

Željeznički signalni izvor svjetlosti iz laserske diode prema primjeru ovog izuma prikazan je na slikama 3 i 4. Može biti koristan u uvjetima svjetla upozorenja ili kao signal koji određuje prednost prolaza. Postoji kućište 40 koje ima otvor signalnog svjetla 42. Na slici 4. koristi se sustav leća koji se sastoji od unutarnje leće 44 i vanjske leće 46, sličan prethodnoj strukturi leća prikazanoj na slici 2.

Kao izvor svjetlosti koristi se mnoštvo laserskih dioda označenih s 48, 50, 52, 54 i 56, koje se napajaju putem kabela 90 povezanih s izvorom energije. Broj je ilustrativan, a konkretno može biti od 15 do 20 takvih dioda i one mogu biti raširene u spektru valnih duljina od 630 do 680 nanometara, ako koristimo crveno kao primjer željezničke boje. Za žuto i zeleno signalno svjetlo treba koristiti laserske diode drugih spektara. Laserske diode označene s 48 i dalje sve su povezane u snop - izvor svjetlosti kao što je prikazano na slici 3 i smještene na otvoru 58 unutar stijene 60 kućišta 40. Optički vodiči svjetlosti označeni s 62 povezuju svaki izvor svjetlosti iz laserske diode u snop izvora svjetlosti prikazan na slici 3. Jedna od prednosti korištenja laserskih dioda je to što one mogu biti smještene daleko od signalnog kućišta koristeći prednost umnožavanja lasera u optički kabel i karakteristiku malog gubitka postojećih dostupnih optičkih kablova. Na primjer, gubitak za duljinu od deset metara optičkog kabela može biti samo 0.04 dB, dajući faktor prijenosa 99.08%.

Može postojati i prsten 64 koji drži zajedno izvore svjetlosti u zatvorenom snopu tako da se dobije učinak točkastog izvora svjetlosti, koji emitira s karakterističnim stošcem radijacije, kao što je označeno njegovim numeričkim otvorom, i emitira na jednoj ili višestrukim valnim duljinama, a može se locirati na fokus optike za kolimaciju. Iako su laserske diode, kao što je prikazano na slici 4 unutar signalnog kućišta, one moraju biti locirane daleko od njega, ako na primjer u kontrolnoj kutiji duž signala koji određuje prednost prolaza ili uz križanje ceste i željezničke pruge.

Osobita prednost u uporabi laserskih dioda kao izvora svjetlosti dulje trajanje, koje se pripisuje samim diodama kao izvoru, kao i činjenici da čak ako otkažu jedna ili više dioda u snopu, ipak ostaje dovoljno svjetlosti iz snopa kao cjeline. Štoviše, izvori u čvrstom stanju za elektroničke komande doprinijet će dugom trajanju takvog signalnog svjetla. Daljnja prednost laserskih dioda je da je svaka dioda specifična za određenu valnu duljinu i stoga je sva svjetlost koja potječe iz laserske diode te valne duljine. Nasuprot tome, u žarećoj lampi svjetlost se širi kroz veliki dio svjetlosnog spektra. Kao konkretan primjer laserskih dioda koje se mogu zadovoljavajuće koristiti u ovom izumu, postoje laserske diode s nominalnim valnim duljinama od 635, 650, 670 i 640 nanometara.

Slika 5 prikazuje korištenje skupa laserskih dioda na 70, s odgovarajućim električnim vodovima 72, smještenog na otvoru 74 unutar kućišta signalnog svjetla 76. U ovoj izvedbi izuma nema optičkih kablova, ali je divergentna leća 78 smještena ispred skupa 70 laserskih dioda, nakon čega će zraka koja potječe iz divergentnih leća biti kolimirana pomoću leće 80. Konačni rezultat bit će zraka svjetlosti duž linije strelica 82. Slika 6 je izgled laserskog skupa 70 i prikazuje množinu pojedinačnih izvora svjetlosti od laserskih dioda 84, sve unutar korica ili rukava 86.

Slika 7 prikazuje višestruka kućišta 76 sa slike 5, kako bi se dobio izvor svjetlosti za tri signala pogodan za kontrolu željezničkog prometa uređajima koji određuju prednost prolaza. Na primjer, u kalupu za trosignalno svjetlo mogu biti tipično crveno, zeleno i žuto svjetlo, koja se dobiju pojedinačnim skupovima laserskih dioda, time da laserske diode rade na ranije opisanim valnim duljinama. Naravno da izum može obuhvatiti više od tri pojedinačna signalna svjetla i druge boje osim crvene, žute i zelene, kao što je potrebno za kontrolu vlakova.

Uporaba laserskih dioda kao izvora svjetlosti omogućuje i moduliranje amplitude svjetlosnog izvora jednostavnim i pouzdanim elektroničkim uređajima. To bi moglo imati osobitu prednost u kontroli vlakova, pošto bi prijemnik na lokomotivi mogao biti podešen na određeni stupanj modulacije, dobivajući elektroničku povratnu vezu za kontrolu vlakova, sve to uz vlakovođino opažanje vidljivog signala.

Claims (16)

1. Željeznički svjetlosno signalni uređaj koji je naznačen time što uključuje: kućište, otvor za signalno svjetlo na kućištu, leće koje pokrivaju otvor i izvor svjetlosti unutar kućišta, kako bi se dobila svjetlost koja se usmjerava kroz leće, time da se izvor svjetlosti dobiva putem lasera koji daje svjetlost unutar određenog svjetlosnog spektra.

2. Uređaj za signalno svjetlo u skladu s 1. zahtjevom, naznačen time što laser daje svjetlost u crvenom spektru boja pri valnoj duljini u rasponu od 630-680 nanometara.

3. Uređaj za signalno svjetlo u skladu s 1. zahtjevom, naznačen time što laser daje svjetlost u zelenom spektru boja pri valnoj duljini u rasponu od 555 nanometara.

4. Uređaj za signalno svjetlo u skladu s 1. zahtjevom, naznačen time što laser daje svjetlost u žutom spektru boja pri valnoj duljini u rasponu od 588 nanometara.

5. Uređaj za signalno svjetlo u skladu s bilo kojim prethodno navedenim zahtjevom, naznačen time što je laser povezan vodičem svjetlosti s lokacijom smještenom nasuprot leće.

6. Uređaj za signalno svjetlo u skladu s 5. zahtjevom, naznačen time što je laser smješten daleko od kućišta

7. Uređaj za signalno svjetlo u skladu s 6. zahtjevom, naznačen time što je svjetlosni vodič optički kabel.

8. Uređaj za signalno svjetlo u skladu s 7. zahtjevom, naznačen time što je optički kabel s dodatkom metalnog oksida koji se teško reducira.

9. Uređaj za signalno svjetlo u skladu s 8. zahtjevom, naznačen time što je metalni oksid koji se teško reducira praseodimij.

10. Uređaj za signalno svjetlo u skladu s bilo kojim zahtjevom od 1 do 5, naznačen time što je laser smješten unutar kućišta.

11. Uređaj za signalno svjetlo u skladu s bilo kojim zahtjevom od 1 do 7, naznačen time što je laser laserska dioda koja daje svjetlost unutar određenog spektra boja.

12. Uređaj za signalno svjetlo u skladu s 11. zahtjevom, naznačen time što je laserska dioda jedna u snopu takvih laserskih dioda.

13. Uređaj za signalno svjetlo u skladu s 12. zahtjevom, ovisno o zahtjevima 5, 6 ili 7, naznačen time što je svaka laserska dioda povezana odnosnim svjetlosnim vodičem sa zajedničkom lokacijom smještenom nasuprot leće.

14. Uređaj za signalno svjetlo u skladu s bilo kojim prethodnim zahtjevom , naznačen time što uređaj djeluje kao svjetlost upozorenja na križanjima.

15. Uređaj za signalno svjetlo u skladu s bilo kojim zahtjevom od 1 do 13, naznačen time što uređaj djeluje kao signal za kontrolu vlakova.

16. Uređaj za signalno svjetlo u skladu s bilo kojim prethodnim zahtjevom , naznačen time što postoji više takvih kućišta signalnog svjetla, a svako ima otvor signalnog svjetla i leću koja pokriva otvor, a postoji takav izvor svjetlosti unutar svakog od navedenih kućišta da daje svjetlost koja se usmjerava kroz leću kućišta, a izvor svjetlosti u svakom kućištu potječe bar od jednog lasera koji daje svjetlost unutar spektra boja specifičnog za to kućište.