SI21894A - Zbiralna leca za projekcijski zaromet v cestnem vozilu - Google Patents

Abstract

Telo zbiralne lece (CL) je omejeno z gladko povrsino (SF) in povrsino (FZF) s Fresnelovimi zonami, pri cemer je Fresnelova zona izvedena z obrocasto ali osrednjo lomeco povrsino (RRS, CRS) in obrocasto povrsino (RCS) skoka. Vsak notranji krozni rob (ICE), po katerem se na notranji strani stikata obrocasta lomeca povrsina (RRS) in sosednja obrocasta povrsina (RCS) skoka, lezi na namisljeni koveksni ploskvi (CS), ki vkljucuje obodni rob (PE) lece in je izbocena v smeri proti povrsini (FZF). Visine (h), merjene v smeri vzporedno z geometrijsko osjo lece, odstopanja zunanjih kroznih robov (OCE) od ploskve (CS) so kar se da majhne. Stevilo N povrsin (RRS) je doloceno z 2 manjsi ali enak N manjsiali enak 5. Zbiralna leca se kljub majhni masi odlikuje z dobrimi lastnostmi debele zbiralne lece, kot so visoka prepustnost svetlobe in malo blescanja nad svetlo-temno mejo, obenem pa je dovolj tanka, da se z injekcijskim litjem lahko izdela tudi iz amorfnega termoplasta.

Description

Izum se nanaša na zbiralno lečo za projekcijski žaromet v cestnem vozilu, katere telo je na vstopni strani omejeno z gladko lečno površino in na izstopni strani s takšno lečno površino s Fresnelovimi zonami, da je prepuščeni svetlobni tok kar največji in se |

zmanjša bleščanje, ki ga zaznajo vozilu nasproti vozeči vozniki, pri čemer ima zbiralna leča majhno maso in se lahko izvede s kratko goriščno razdaljo.

Izum je po mednarodni klasifikaciji patentov uvrščen v razred G 02B 03/08.

Naloga izuma je izpopolniti zbiralno lečo za projekcijski žaromet v cestnem vozilu, tako da se pri čim manjši masi zbiralne leče, ki se lahko izvede s kratko goriščno razdaljo, maksimira prepuščeni svetlobni tok in minimira svetlobni tok, ki se na izstopni strani zbiralne leče odkloni iz predvidene smeri.

Za projekcijski žaromet v cestnem vozilu se je uveljavila steklena zbiralna leča, ki pa je zaradi postopka izdelave draga komponenta. Na sl. 1 in 2 sta predstavljeni takšni plankonveksna oziroma konkavnokonveksna zbiralna leča z debelino d. Ker ima veliko maso, potrebuje odporno pritrdilno konstrukcijo. Ta je v zadnjem času postala še posebej zahtevna, ker mora biti sklop reflektorja zasučen tako okoli navpične kot tudi vodoravne osi. Zbiralna leča mora imeti še posebej izdelan nosilec, da se fiksira v pravilno lego glede na reflektor in vir svetlobe. Zbiralna leča z manjšo maso bi pripomogla k poenostavitvi celotnega projekcijskega žarometa. V zadnjem času se poskuša nadomestiti stekleno konveksno lečo z zbiralno Fresnelovo lečo.

V patentni prijavi DE 198 56 281 je predstavljen projekcijski žaromet za cestno vozilo s konkavnokonveksno, a v bistvu ukrivljeno planparalelno Fresnelovo lečo. Projekcijski žaromet obsega svetlobni vir LS, elipsoidni reflektor R, senčnik S in tankostensko zbiralno Fresnelovo lečo CL' - poenostavljeno je predstavljena kot ravna zbiralna leča (sl. 3). Ta naj bi bila prednostno iz termoplasta. Zbiralna Fresnelova leča dejansko nudi elegantno možnost, da se izdela lahka zbiralna leča iz polimera ali stekla. Žal pa ima tankostenska zbiralna Fresnelova leča majhno prepustnost svetlobnega toka v željeni smeri in blešči. Lečna površina s Fresnelovimi zonami na izstopni strani je namreč izvedena iz številnih obročastih lomečih površin RRS, ki jih preko zunanjih krožnih robov OCE in notranjih krožnih robov ICE - zaradi ulivanja leče ti robovi niso ostri - povezujejo obročaste površine RSS skoka. Višina h predstavlja izstopanje zunanjih krožnih robov OCE od ravnine notranjih krožnih robov ICE. Odboj in lom tako na obročastih površinah RSS skoka kot na zaobljenih zunanjih in notranjih krožnih robovih OCE oziroma ICE povzročajo izgubo vpadlega svetlobnega toka. Zmanjšanje števila Fresnelovih zon ne zmanjša omenjene izgube, saj se obenem poveča omenjena višina h in s tem obročaste površine RSS skoka, naraste pa tudi masa leče. Zaradi loma in odboja na omenjenih številnih kočljivih površinah prihaja tudi do bleščanja nad svetlo-temno mejo v porazdelitvi žarometovega svetlobnega pramena. Omenjene izgube so še posebno velike pri kratkem projekcijskem žarometu, ki ima majhno razsežnost v smeri optične osi, saj v njem na zbiralno lečo žarki vpadajo pod raznolikimi in tudi velikimi vpadnimi koti.

Navedeni tehnični problem je rešen z zbiralno lečo po izumu za projekcijski žaromet v cestnem vozilu, ki je opredeljena z značilnostmi iz označujočega dela prvega patentnega zahtevka, podzahtevki pa opredeljujejo variantne izvedbene primere.

Z izumom predlagana zbiralna leča za projekcijski žaromet v cestnem vozilu se kljub majhni masi odlikuje z dobrimi lastnostmi debele zbiralne leče, kot so visoka prepustnost svetlobe in malo bleščanja nad svetlo-temno mejo, obenem pa je še dovolj tanka, da se z injekcijskim litjem lahko izdeluje tudi iz amorfnega termoplasta.

Na ugoden način se pri stalnem številu obročastih lomečih površin Fresnelove vrste lahko poljubno zmanjša bleščanje za zbiralno lečo po izumu, s tem da se odebeli predel |

med vstopno gladko lečno površino in namišljeno konveksno ploskvijo skozi obodni rob zbiralne leče, pri čemer se zmanjša višina odstopanja zunanjih krožnih robov obročastih lomečih površin glede na namišljeno konveksno ploskev.

Zbiralna leča po izumu se odlikuje zlasti pri kratkih goriščnih razdaljah, takšna pa je namenjena za vgraditev v kratek projekcijski žaromet.

Izum bo v nadaljnjem podrobno obrazložen na osnovi opisa izvedbenih primerov ter pripadajočega načrta, ki prikazuje na sl. 4 v osnem prerezu zgradbo zbiralne leče po izumu za projekcijski žaromet v cestnem vozilu in sl. 5 geometrijske in optične parametre zbiralne leče po izumu.

Telo zbiralne leče CL po izumu za projekcijski žaromet v cestnem vozilu jev osnem prerezu predstavljeno na sl. 4. Na vstopni strani je omejeno z gladko lečno površino SF - s polmerom r pri krogelni površini SF (sl. 5) - in na izstopni strani z lečno površino FZF s Fresnelovimi zonami.

Posamezna Fresnelova zona je izvedena z osrednjo lomečo površino CRS ali obročasto lomečo površino RRS in z obročasto površino RS S skoka.

Po izumu vsak notranji krožni rob ICE, po katerem se na notranji strani stikata obročasta lomeča površina RRS in sosednja obročasta površina RS S skoka, leži na namišljeni konveksni ploskvi CS.

Na sl. 4 je predstavljen izvedbeni primer po izumu, pri katerem je konveksna ploskev CS krogelna ploskev s polmerom r'.

Namišljena konveksna ploskev CS je po izumu najprej opredeljena, s tem da vključuje obodni rob PE zbiralne leče CL in da je izbočena v smeri proti lečni površini FZF s Fresnelovimi zonami.

Namišljena konveksna ploskev CS je po izumu nadalje opredeljena, s tem daje višina h odstopanja zunanjih krožnih robov OCE od namišljene konveksne ploskve C S kar se da majhna. Višina h se meri v smeri, ki je vzporedna z geometrijsko osjo zbiralne leče CL.

V prednostnem izvedbenem primeru po izumu je lečna površina FZF s Fresnelovimi zonami izvedena z majhnim številom N obročastih lomečih površin RRS. Število N naj bo enako ali večje od dva in manjše od ali enako pet (2 < N < 5). Pri tem gre za kom5 promis med želj enim prihrankom pri masi zbiralne leče CL po izumu in tehnološkimi omejitvami.

V nadaljnjem prednostnem izvedbenem primeru po izumu vsi zunanji krožni robovi OCE odstopajo od namišljene konveksne ploskve CS za enako višino h.

Vstopna gladka površina SF zbiralne leče CL po izumu je lahko konkavna, konveksna ali ravna. Polmer r ukrivljenosti gladke površine SF, če je le-ta krogelne oblike, pa se določi tako, da se maksimira skozi zbiralno lečo CL prepuščeni svetlobni tok.

Predstavljena zbiralna leča CL ima goriščno razdaljo f. Posamezni odseki površine so natančno izoblikovani tako, da po prehodu skozi zbiralno lečo svetlobni žarki iz gorišča Φ tvorijo vzporeden snop žarkov (sl. 5).

Zbiralna leča CL po izumu se izdela iz amorfnega termoplasta ali stekla. Za zbiralno lečo iz amorfnega termoplasta se največja debelina d leče določi tako, daje čas ohlaja( nja ulitka leče s stališča produktivnosti še sprejemljiv.

Oblikovanje zbiralne leče CL po izumu iz amorfnega termoplasta se postopno izvede takole.

Najprej se glede na čas, ki je potreben za ohladitev ulitka z debelino d, oceni največja, s stališča produktivnosti še sprejemljiva debelina d leče. Ulitek iz amorfnega termoplasta z debelino stene 4 mm se ohlaja 25 sekund. Potreben čas za ohladitev se povečuje približno sorazmerno s kvadratom debeline ulitka: 20 mm debela plankonveksna leča iz amorfnega termoplasta se ohlaja vsaj 600 sekund. Pri plankonveksni leči z debelino do 10 mm lahko pričakujemo čas hlajenja pod 150 sekundami, ob uporabi tem6 periranega kalupa z nihajočo temperaturo pa celo pod 120 sekundami. To že omogoča minimalno sprejemljivo produktivnost pri izdelavi zbiralne leče CL po izumu.

V naslednjem koraku se pri izbrani debelini d zbiralne leče CL po izumu izbere število N obročastih Fresnelovih zon in s številom N povezana višina h odstopanja zunanjih krožnih robov OCE od namišljene konveksne ploskve CS. Z večanjem števila N pri stalni debelini d se sicer višina h manjša - veča se namreč obosna razdalja med ploskvama SF in CS - in dosežejo se boljše teoretične optične lastnosti leče, toda povečuje se število neostrih zunanjih in notranjih krožnih robov OCE oziroma ICE, na katerih se svetloba lomi iz predvidene smeri. Kot optimalna se izkaže izbira števila N med 2 in 5. Pri manjšem številu Nje večja osrednja lomeča površina CRS in večja je aktivna višina a leče, ki se meri od spodnjega roba leče do vrha osrednje lomeče površine CRS (sl. 5); v projekcijskem žarometu z elipsoidnim reflektorjem Rje namreč s senčnikom S opredeljena svetlo-temna meja zasenčenega svetlobnega pramena (sl. 1), ta pa uporablja le spodnji dve tretjini zbiralne leče.

i

Nato se izbere polmer r ukrivljenosti gladke lečne površine SF, skozi katero žarki vstopajo v zbiralno lečo CL, in sicer tako da se približno izenačita vstopni kot vsakega žarka v lečo in izstopni kot tega žarka iz leče, s čimer se minimirajo svetlobne izgube zaradi odbojev na vstopni in izstopni površini zbiralne leče. Pri zbiralnih lečah z goriščno razdaljo f pod 50 mm je gladka lečna površina SF konkavna (sl. 2), z goriščno razdaljo med 50 mm in 60 mm je približno ravna (sl. 1) in z goriščno razdaljo nad 60 mm konveksna. Optimalen polmer r ukrivljenosti gladke lečne površine SF se določi z računalniškimi simulacijami po postopku Monte Carlo na komercialnem programskem paketu, pri čemer se upoštevajo optične značilnosti svetlobnega vira LS, elipsoidnega reflektoija R in senčnika S. Zbiralna leča CL po izumu se odlikuje zlasti pri kratkih goriščnih razdaljah in je zato primerna za konstruiranje kratkih žarometov. Zelo je primerna za žaromet za meglo, kije še posebno prostorsko omejen.

Fresnelove lomeče površine RRS in CRS se nato natančno izoblikujejo z računskim postopkom za minimiranje sferične aberacije pri debelih lečah. Višine h odstopanja zunanjih krožnih robov OCE od namišljene konveksne ploskve CS šele sedaj dobijo dokončne vrednosti.

Za izdelavo zbiralne leče CL po izumu so primerni prozorni amorfni termoplasti iz skupine polimetil metakrilimidov, na primer PLEXIMID 8805, izjemoma za projekcijski žaromet s halogenskim svetlobnim virom za meglo, kjer se modra svetloba lahko odfiltrira že pred zbiralno lečo, da se izogne Rayleighovemu sipanju modre svetlobe na delcih megle, pa tudi iz skupine polikarbonatnih kopolimerov, na primer APEC 9359/7. Prednost drugih je v šibkejši absorpciji v infrardečem področju, prednost prvih pa predvsem v majhni odvisnosti lomnega količnika od valovne dolžine svetlobe v vidnem področju.

Zbiralna leča CL po izumu pa se na osnovi opisane geometrije lahko izdela tudi iz steklenih materialov. Dosežejo se opisani koristni optični učinki in prihranek na masi.

V priloženi tabeli so zbrani rezultati računskih simulacij za pet zbiralnih leč - primera 5 in 6 se nanašata na zbiralno lečo CL po izumu - z goriščno razdaljo f = 25 mm in premerom leče 50 mm v projekcijskem žarometu z žarnico HI 1 s svetilnostjo 1.000 lm kot svetlobnim virom in aluminiziranim elipsoidnim reflektoijem, ki je prirejen za rabo v žarometu za meglo z ravno svetlo-temno mejo. Simulacija za posamezen primer je zajela 2.000.000 iz žarnice izstopajočih žarkov in jih je spremljala pri odbojih in lomih do izstopa iz zbiralne leče.

Primera 1 in 2 se nanašata na stekleno oziroma termoplastno klasično zbiralno lečo.

Primer 3 se nanaša na termoplastno klasično zbiralno lečo, ki pa ima konkavno vstopno površino, kar se ugodno odrazi na večji svetlobni prepustnosti leče.

Primer 4 se nanaša na Fresnelovo lečo po stanju tehnike. Ta leča izkazuje velik prihranek na masi, vendar ima nizko svetlobno prepustnost in močno blešči.

Primer št.	1	2	3	4	5	6
Slika	1	1	2	3	4	4
Material	steklo	Apec 9359/7	Apec 9359/7	Apec 9359/7	Apec 9359/7	Apec 9359/7
Gorišč. razd. f	25 mm	25 mm	25 mm	25 mm	25 mm	25 mm
Debelina d	20,3 mm	19,3 mm	19,9 mm	2 mm	9,7 mm	8,8 mm
Masa leče	57,3 g	27 g	27 g	4g	14 g	13 g
Celoten prepuščeni svetlobni tok	255,4 lm	254,7 lm	255,3 lm	217,7 lm	236,7 lm	235,0 lm
Doseženi vrh osvetljenosti	7,3 lx	7,2 lx	7,4 lx	4,9 lx	6,1 lx	5,9 lx
Bleščanje v zoni HV* nad sv.-t. mejo	< 0,007 lx	< 0,007 lx	< 0,007 lx	0,1 lx	0,03 lx	0,04 lx
r	oo	cc	200 mm	00	100 mm	100 mm
r'					37 mm	41 mm
h				1 mm	2,68 mm	2,78 mm
N	0	0	0	15	3	3

* po ECE normi

Primera 5 in 6 se nanašata na zbiralno lečo CL po izumu (sl. 4 in 5). Glede na Fresnelovo lečo iz primeru 4 zbiralna leča CL po izumu izkazuje višjo svetlobno prepustnost in manj blešči. To seje doseglo z zmanjšanjem površine in števila neugodnih površin, kot so obročaste površine RS S skoka in površine zaobljenih zunanjih in notranjih krožnih robov OCE oziroma ICE. Glede na klasično zbiralno lečo po primerih 2 in 3 pa ima zbiralna leča po izumu okoli 50 % prihranka na masi.

Claims (13)

1. Patentni zahtevki

   1. Zbiralna leča (CL) za projekcijski žaromet v cestnem vozilu, katere telo je na vstopni strani omejeno z gladko lečno površino (SF) in na izstopni strani z lečno površino (FZF) s Fresnelovimi zonami, pri čemer je Fresnelova zona izvedena z obročasto ali osrednjo lomečo površino (RRS, CRS) in obročasto površino (RS S) skoka, označena s tem, da vsak notranji krožni rob (ICE), po katerem se na notranji strani stikata obročasta lomeča površina (RRS) in sosednja obročasta površina (RSS) skoka, leži na namišljeni konveksni ploskvi (CS), ki vključuje obodni rob (PE) zbiralne leče (CL) in je izbočena v smeri proti lečni površini (FZF) s Fresnelovimi zonami, in da so višine (h), merjene v smeri vzporedno z geometrijsko osjo zbiralne leče (CF), odstopanja zunanjih krožnih robov (OCE) od namišljene konveksne ploskve (CS) kar se da majhne.
2. 2. Zbiralna leča (CL) po zahtevku 1, označena s tem, da je lečna površina (FZF) s Fresnelovimi zonami izvedena z majhnim številom N obročastih lomečih površin (RRS), tako daje2<N<5.
3. 3. Zbiralna leča (CF) po zahtevku 1 ali 2, označena s tem, da vsi zunanji krožni robovi (OCE) odstopajo od namišljene konveksne ploskve (CS) za enako višino (h), merjeno vzporedno z geometrijsko osjo zbiralne leče (CL).
4. 4. Zbiralna leča (CL) po enem izmed zahtevkov od 1 do 3, označena s tem, daje gladka lečna površina (SF) konkavna.
5. 5. Zbiralna leča (CF) po enem izmed zahtevkov od 1 do 3, označena s tem, daje gladka lečna površina (SF) konveksna.
6. 6. Zbiralna leča (CL) po enem izmed zahtevkov od 1 do 3, označena s tem, daje gladka lečna površina (SF) ravna.
7. 7. Zbiralna leča (CL) po enem izmed zahtevkov od 4 do 6, označena s tem, da se ukrivljenost gladke lečne površine (SF) določi, tako da se maksimira skozi zbiralno lečo (CL) prepuščeni svetlobni tok
8. 8. Zbiralna leča (CL) po enem izmed predhodnih zahtevkov, označena s tem, da je izdelana iz amorfnega termoplasta.
9. 9. Zbiralna leča (CL) za žaromet v vozilu po zahtevku 8, označena s tem, daje njena največja debelina (d) določena s časom ohlajanja ulitka leče, kije s stališča produktivnosti še sprejemljiv.
10. 10. Zbiralna leča (CL) za žaromet v vozilu po zahtevku 8 ali 9, označena s tem, j

    daje izdelana iz polimetil metakrilimida.
11. 11. Zbiralna leča (CL) za žaromet v vozilu po zahtevku 8 ali 9, označena s tem, da je izdelana iz polikarbonatnega kopolimera.
12. 12. Zbiralna leča (CL) po enem izmed zahtevkov od 1 do 7, označena s tem, daje izdelana iz stekla.
13. 13. Zbiralna leča (CL) po kateremkoli izmed predhodnih zahtevkov, označena s tem, daje namišljena konveksna ploskev (CS) krogelna ploskev.