PL219080B1 - Układ optyczny do rozsyłu światła z tablicy znaków drogowych o zmiennej treści - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ optyczny do rozsyłu światła z tablicy znaków drogowych o zmiennej treści, współpracujący ze źródłami światła w postaci matrycy diod emitujących światło w wąskim kącie bryłowym.

Znane są układy optyczne rozsyłu światła stosowane w tablicach znaków drogowych o zmiennej treści, złożone z pojedynczych zespołów optycznych wyposażonych w diodę emitującą światło, przysłonę, oraz soczewkę skupiającą i soczewkę rozpraszającą umieszczone współosiowo w pojedynczej obudowie. Światło jest koncentrowane przez soczewkę skupiającą w miejscu pomiędzy soczewkami, które jest najczęściej otoczone przysłoną, a następnie kierowane na soczewkę rozpraszającą, aby uzyskać rozsył światła w zadanym kącie bryłowym. Odległość między soczewkami jest tak dobrana aby światło słoneczne padające z zewnątrz było maksymalnie osłabione, albo przez przysłonę albo przez ściankę obudowy. Zapobiega to powstawaniu zjawiska fantomowego, które uwidacznia się jako światło pozorne wywołane odbiciem promieni słonecznych od odbłyśników lub innych elementów układu optycznego. Wadą takich pojedynczych zespołów optycznych jest występowanie dwóch elementów optycznych o skomplikowanej geometrii zamontowanych w oddzielnej wydłużonej obudowie ze wstawioną indywidualną przysłoną. Wymaga to kosztownego seryjnego wytwarzania tego typu zespołów optycznych i ich pracochłonnego montażu w obudowie tablicy. Tak wykonana tablica ma duże rozmiary, jest ciężka i trudna w konserwacji.

Celem wynalazku jest opracowanie układu optycznego do rozsyłu światła z pojedynczej diody w matrycy diod emitujących światło w zadanym wąskim kącie bryłowym, pozbawionego wad występujących w znanych rozwiązaniach.

Układ optyczny do rozsyłu światła z tablicy znaków drogowych o zmiennej treści, złożony z jednakowych zespołów optycznych o osiach równoległych tworzących formy macierzowe we wspólnej obudowie tablicy, w którym każdy zespół optyczny składa się z dwóch współosiowych soczewek usytuowanych w osi każdej diody emitującej wiązkę światła o kącie połówkowym nie przekraczającym 15° mierzonym od osi optycznej pojedynczego zespołu optycznego, według wynalazku charakteryzuje się tym, że pierwsza soczewka jest dodatnią soczewką płasko-wypukłą o kwadratowym przekroju poprzecznym korpusu, której kwadratowa powierzchnia płaska jest usytuowana od strony diody, a powierzchnia wypukła ma kształt asferyczny o malejącym w kierunku wierzchołkowym promieniu krzywizny; druga soczewka jest ujemną soczewką wklęsło-płaską, o kwadratowym przekroju poprzecznym korpusu zakończonego częścią czołową w kształcie stożka ściętego, w której to drugiej soczewce powierzchnia wklęsła usytuowana od strony pierwszej soczewki ma kształt sferyczny, zaś powierzchnia płaska na końcu zbieżnej części czołowej ma kształt kołowy; długość boku korpusu każdej soczewki jest równa odległości s pomiędzy osiami optycznymi sąsiednich zespołów optycznych, zaś odstęp d5 między soczewkami wynosi od 0,5 do 0,8 odległości s, przy czym przedmiotowa apertura numeryczna zespołu optycznego wynosi od 0,173 do 0,120.

Korzystnym jest, jeżeli stosunek grubości d2 pierwszej soczewki do jej promienia wierzchołkowego R₂ wynosi od 2,18 do 2,58, zaś mimośród ε₂ asferycznej powierzchni wypukłej w rozwinięciu stożkowym wynosi od -1,2 do -0,8.

Korzystnym jest, jeżeli stosunek grubości d3 drugiej soczewki do promienia R3 powierzchni wklęsłej wynosi od 0,757 do 0,957.

Korzystnym jest, jeżeli średnica czynna 64 powierzchni płaskiej drugiej soczewki wynosi od 0,25 do 0,45 odległości s, a kąt pochylenia β powierzchni zbieżnej części czołowej do osi optycznej zespołu wynosi od 14 do 18 stopni.

Korzystnym jest, jeżeli że powierzchnia stożkowa części czołowej drugiej soczewki jest matowa.

Korzystnym jest, jeżeli korpusy odpowiednich soczewek sąsiednich zespołów optycznych są złączone ze sobą płaskimi powierzchniami bocznymi tworząc monolityczne formy macierzowe.

Korzystnym jest także, jeżeli powierzchnie płaskie drugich soczewek są usytuowane stycznie do płyty płaskorównoległej stanowiącej osłonę układu mocowaną do jego obudowy.

W rozwiązaniu według wynalazku pierwsza soczewka, będąca dodatnią soczewką krótkoogniskową, wraz z powierzchnią wklęsłą drugiej soczewki daje obraz powierzchni świecącej na powierzchni płaskiej drugiej soczewki będącej soczewką ujemną. Apertura wiązki wychodzącej w przestrzeni obrazowej, równa sinusowi kąta rozsyłu świata, powinna być zgodna z wymaganiami dotyczącymi widoczności znaków drogowych o zmiennej treści.

PL 219 080 B1

Geometria powierzchni wypukłej i wklęsłej oraz odpowiednia odległość między tymi powierzchniami z uwzględnieniem współczynnika załamania materiału soczewek, pozwala na uzyskanie obrazu powierzchni świecącej diody na powierzchni płaskiej drugiej soczewki w postaci równomiernie oświetlonej plamki i skuteczne wyeliminowanie zjawiska fantomowego.

Kwadratowy przekrój korpusu soczewek umożliwia uzyskanie dowolnego macierzowego układu optycznego przez scalenie z sobą pojedynczych zespołów optycznych i form macierzowych o osiach optycznych równoległych.

Soczewki układu optycznego mogą być także formowane z tworzywa optycznego w postaci monolitu w różnych konfiguracjach macierzowych z obrysem kwadratowym lub prostokątnym.

Układ optyczny według wynalazku może być zamontowany w obudowie z osłoną przepuszczającą światło w postaci płyty płaskorównoległej, mocowanej stycznie do płaskich powierzchni drugich soczewek, tworząc w ten sposób zwarty i sztywny układ kompaktowy. Osłona może być pokryta twardą warstwą przeciwodblaskową na powierzchni zewnętrznej. Światło padające na tablicę, w przybliżeniu w postaci wiązki równoległej, jest głównie zatrzymywane w obszarze zajętym przez matowe powierzchnie stożkowe. Wiązka światła słonecznego, która przechodzi przez małe przekroje, wnika do układu dwóch powierzchni podlegając degradacji, bądź wychodząc z układu, bądź odbijając się od obu powierzchni krzywych w dużym kącie rozproszeniu przy niskim procentowym odbiciu. Zapobiega to skutecznie powstawaniu zjawiska fantomowego, gdyż światło resztkowe, które przechodzi przez płaska powierzchnię drugiej soczewki w drodze powrotnej, nie jest już widoczne.

Przedmiot wynalazku uwidoczniony jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia układ optyczny w formie macierzy kwadratowej w widoku z boku, fig. 2 przedstawia drugą soczewkę w widoku z boku, a fig. 3 przedstawia układ optyczny z fig. 1 w widoku czołowym.

Jak przedstawiono na fig. 1, układ optyczny do rozsyłu światła tablicy znaków drogowych o zmiennej treści składa się z jednakowych zespołów optycznych o osiach równoległych tworzących formy macierzowe we wspólnej obudowie tablicy. Każdy zespół optyczny składa się z dwóch współosiowych soczewek, pierwszej 2 i drugiej 3, usytuowanych w osi każdej diody 1. Dioda 1 emituje wiązkę światła o wąskim bryłowym kącie rozsyłu światła, to jest o kącie połówkowym nie przekraczającym 15° mierzonym od osi optycznej pojedynczego zespołu optycznego.

Pierwsza soczewka 2 jest dodatnią soczewką płasko-wypukłą o kwadratowym przekroju poprzecznym korpusu, której kwadratowa powierzchnia płaska jest usytuowana od strony diody 1, a powierzchnia wypukła ma kształt asferyczny o malejącym w kierunku wierzchołkowym promieniu krzywizny. Stosunek grubości d2 pierwszej soczewki 2 do jej promienia wierzchołkowego R2 wynosi od

2,18 do 2,58. Mimośród ε₂ asferycznej powierzchni wypukłej w rozwinięciu stożkowym wynosi od -1,2 do -0,8.

Druga soczewka 3 jest ujemną soczewką wklęsło-płaską o kwadratowym przekroju poprzecznym korpusu zakończonego częścią czołową w kształcie stożka ściętego. Kąt pochylenia β powierzchni zbieżnej części czołowej do osi optycznej zespołu, zaznaczony na fig. 2, wynosi od 14 do 18 stopni. Powierzchnia wklęsła drugiej soczewki 3 jest usytuowana od strony pierwszej soczewki 2 i ma kształt sferyczny, zaś powierzchnia płaska na końcu zbieżnej części czołowej ma kształt kołowy. Stosunek grubości d3 drugiej soczewki 3 do promienia R3 powierzchni wklęsłej wynosi od 0,757 do 0,957. Przedmiotowa apertura numeryczna zespołu optycznego wynosi od 0,173 do 0,120.

Długość boku korpusu każdej soczewki jest równa odległości s pomiędzy osiami optycznymi sąsiednich zespołów optycznych, zaś odstęp d5 między soczewkami wynosi od 0,5 do 0,8 odległości s. Korpusy odpowiednich soczewek sąsiednich zespołów optycznych są złączone ze sobą płaskimi powierzchniami bocznymi tworząc monolityczne formy macierzowe. Formy te wchodzą w skład układów optycznych zawierających w podstawowej konfiguracji 2 x 2 zespołów optycznych zespolonych w formie macierzy kwadratowej widocznej na fig. 3. W celu zwiększenia rozproszenia promieni zewnętrznych powierzchnia stożkowa części czołowej drugiej soczewki 3 jest matowa. Diody 1 mogą występować w czterech wersjach kolorowych w zależności od potrzeb.

Odległość diody 1 od pierwszej soczewki dobrano odpowiednio do kąta bryłowego rozsyłu światła i wymagań określonych dla tablicy świetlnej znaków drogowych. Dla diody 1 o kącie połówkowym nie przekraczającym 15° od osi optycznej pojedynczego zespołu optycznego, odległość d1 elementu świecącego diody 1 do pierwszej soczewki 2 nie przekraczała odległości s. Przy ustawieniu elementu świecącego w odległości d1 = 0,8 s kąt bryłowy rozsyłu światła obejmował całą powierzchnię płaską pierwszej soczewki 2. Średnice czynne φ₁, φ₂ powierzchni płaskiej i powierzchni wypukłej pierwszej soczewki 2 były mniejsze od odległości s, podobnie jak średnica czynna φ₃ powierzchni wklęsłej drugiej

PL 219 080 B1 soczewki 3. Średnica czynna φ₄ powierzchni płaskiej drugiej soczewki 3 wynosiła około 0,35 s. Soczewki wykonano z materiału optycznego o współczynniku załamania w zakresie od 1,46 do 1,52 i liczbie Abbego od 55 do 59. Osłonę wykonano z płytki płaskorównoległej 4 o grubości d4.

W przykładowej realizacji układu według wynalazku pojedynczy zespół optyczny charakteryzował się następującymi parametrami konstrukcyjnymi:

R2 = -4,2 mm 82 = -1,0 D1 = 10,0 mm φ₁ = 8,8 φ ₂ = 8,8 d2 = 6,5 R3 = -21,0 mm d2 = 18,0 mm φ3 = 8,8 φ4 = 3.5 d4 = 4,0 mm s = 10,0 mm.

Znak minus przy wartości promienia krzywizny oznacza, że zwrot wektora łączącego punkt wierzchołkowy powierzchni soczewki z jej środkiem krzywizny jest przeciwny do kierunku rozchodzenia się światła. W przedstawionym przykładzie realizacji stosunek grubości d2 pierwszej soczewki 2 do jej promienia wierzchołkowego R2 wynosił 2,38, a stosunek grubości d3 drugiej soczewki 3 do promienia R3 powierzchni wklęsłej wynosił 0,857. Współczynniki załamania materiału optycznego obu soczewek mierzony przy długości fali światła 587,56 nm wynosił 1,49 przy wysokiej wartości liczby Abbego wynoszącej 57.

W tak wykonanym układzie apertura numeryczna wiązki wychodzącej w przestrzeni obrazowej była równa 0,187. Apertura wiązki wychodzącej równa sinusowi kąta rozsyłu świata jest zgodna z wymaganiami dotyczącymi widoczności znaków drogowych o zmiennej treści.

Claims (7)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Układ optyczny do rozsyłu światła z tablicy znaków drogowych o zmiennej treści, złożony z jednakowych zespołów optycznych o osiach równoległych tworzących formy macierzowe we wspólnej obudowie tablicy, w którym każdy zespół optyczny składa się z dwóch współosiowych soczewek usytuowanych w osi każdej diody emitującej wiązkę światła o kącie połówkowym nie przekraczającym 15° mierzonym od osi optycznej pojedynczego zespołu optycznego, znamienny tym, że pierwsza soczewka (2) jest dodatnią soczewką płasko-wypukłą o kwadratowym przekroju poprzecznym korpusu, której kwadratowa powierzchnia płaska jest usytuowana od strony diody (1), a powierzchnia wypukła ma kształt asferyczny o malejącym w kierunku wierzchołkowym promieniu krzywizny; druga soczewka (3) jest ujemną soczewką wklęsło-płaską, o kwadratowym przekroju poprzecznym korpusu zakończonego częścią czołową w kształcie stożka ściętego, w której to drugiej soczewce (3) powierzchnia wklęsła usytuowana od strony pierwszej soczewki (2) ma kształt sferyczny, zaś powierzchnia płaska na końcu zbieżnej części czołowej ma kształt kołowy; długość boku korpusu każdej soczewki jest równa odległości s pomiędzy osiami optycznymi sąsiednich zespołów optycznych, zaś odstęp d5 między soczewkami wynosi od 0,5 do 0,8 odległości s, przy czym przedmiotowa apertura numeryczna zespołu optycznego wynosi od 0,173 do 0,120.
2. 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że stosunek grubości d2 pierwszej soczewki (2) do jej promienia wierzchołkowego R2 wynosi od 2,18 do 2,58, zaś mimośród 82 asferycznej powierzchni wypukłej w rozwinięciu stożkowym wynosi od -1,2 do -0,8.
3. 3. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że stosunek grubości d3 drugiej soczewki (3) do promienia R3 powierzchni wklęsłej wynosi od 0,757 do 0,957.
4. 4. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że średnica czynna φ4 powierzchni płaskiej drugiej soczewki (3) wynosi od 0,25 do 0,45 odległości s, a kąt pochylenia β powierzchni zbieżnej części czołowej do osi optycznej zespołu wynosi od 14 do 18 stopni.
5. 5. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że powierzchnia stożkowa części czołowej drugiej soczewki (3) jest matowa.

   PL 219 080 B1
6. 6. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że korpusy odpowiednich soczewek sąsiednich zespołów optycznych są złączone ze sobą płaskimi powierzchniami bocznymi tworząc monolityczne formy macierzowe.
7. 7. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że powierzchnie płaskie drugich soczewek (3) są usytuowane stycznie do płyty płaskorównoległej (4) stanowiącej osłonę układu mocowaną do jego obudowy.