Осветительное устройство с несимметричным распределением светового потока относительно оптической оси - RU2137978C1

Чертежи

Показать все 18 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к технике световой сигнализации и может быть использовано в светофорах, применяемых для регулирования дорожного движения и других аналогичных осветительных устройствах.

Для светофоров и других аналогичных сигнальных осветительных устройств обычно желательно обеспечить равномерное распределение светового потока в горизонтальном направлении и неравномерное - в вертикальном направлении, так как передвижение наблюдателей в основном осуществляется свободно в горизонтальном направлении по поверхности Земли, а распределение света в вертикальном направлении зависит от высоты установки осветительного устройства над поверхностью Земли, так чтобы часть излучения не терялась бесполезно, не достигая наблюдателей. Например, по действующему стандарту [1] требования к светофорам следующие: необходимо обеспечить рассеивание по крайней мере основной части света (99%) осветительного устройства в горизонтальной плоскости в угле 20 градусов в обоих направлениях относительно оптической оси, а в вертикальной плоскости предупредить распространение света вверх относительно оптической оси и сфокусировать его в горизонтальной плоскости и в направлении при небольшом угле вниз от горизонтальной плоскости (25% излучения под углом - 8-10 градусов), так как осветительное устройство светофора находится на опоре выше голов наблюдателей.

Известны осветительные устройства светофоров, состоящие из ламп накаливания, отражателя и цветной рассеивавшей линзы [2].

Недостатки известных конструкций такого типа заключаются в низкой надежности, больших эксплуатационных расходах (замена ламп); больших трудностях в обеспечении требуемого распределения силы света и низкой информативности из-за солнечных бликов, совпадающих по цвету со светом светофора, что в условиях недостаточной защищенности от солнечных бликов, которые препятствуют объективному различению включенного светового сигнала, и наличия фантомного эффекта могут создавать ложные сигналы, которые вводят в заблуждение участников дорожного движения, что в конечном счете приводит к катастрофическим последствиям на дороге.

Для уменьшения влияния солнечных бликов на осветительное устройство лампы накаливания были заменены на светоизлучающие диоды большой мощности. Например, осветительное устройство по [3], принятое заявителем в качестве прототипа, которое содержит матрицу из светодиодов, расположенных на оптических осях, в фокальных плоскостях конденсорных линз-секций, образующих первый по ходу оптического луча линзовый растр, и внешний рассеиватель, представляющий собой второй по ходу оптического луча линзовый растр. Число линз-секций внешнего рассеивателя намного превышает число конденсорных линз-секций, равное числу светодиодов. Фокальные расстояния конденсорных линз-секций намного больше фокальных расстояний линз-секций внешнего рассеивателя. Линзы-секции внешнего рассеивателя выполнены сферическими, что не дает возможности создать нужное распределение светового потока относительно оптической оси и часть его бесполезно теряется, не достигая наблюдателей.

Задача изобретения заключается в увеличении эффективности осветительного устройства путем создания оптимального (в соответствии с действующим стандартом [1]) распределения светового потока.

Для решения поставленной задачи предлагаются четыре варианта осветительного устройства с несимметричным распределением светового потока относительно оптической оси. По первому варианту предложено осветительное устройство, содержащее матрицу из светодиодов, расположенных на оптических осях, в фокальных плоскостях конденсорных линз-секций, образующих первый по ходу оптического луча линзовый растр, и внешний рассеиватель, представляющий собой второй по ходу оптического луча линзовый растр, причем число конденсорных линз-секций первого растра равно числу светодиодов.

От прототипа осветительное устройство отличается тем, что рельеф внешнего рассеивателя выполнен так, что оптические поверхности каждой линзы-секции внешнего рассеивателя выполнены цилиндрическими с вертикальными оптическими осями.

При выполнении осветительного устройства по первому варианту первый линзовый растр, состоящий из сферических линз-секций, может быть заменен на линзовый растр, каждая линза-секция которого представляет собой линзу Френеля. Кроме того, оба линзовых растра могут быть выполнены на оптических поверхностях одного рассеивателя, первая по ходу оптического луча оптическая поверхность каждой линзы-секции которого представляет собой линзу Френеля, а вторая по ходу оптического луча оптическая поверхность каждой линзы-секции выполнена цилиндрической с вертикальной оптической осью. На первой по ходу оптического луча оптической поверхности линзы рассеивателя вместо линзы Френеля может быть нанесена комбинация из двух линз Френеля (пункт 4 формулы изобретения) разной площади с несовпадающими оптическими осями, причем оптическая ось линзы Френеля с меньшей площадью расположена ниже оптической оси линзы Френеля с большей площадью.

Для направления светового потока вверх относительно горизонтальной оптической оси предложен вариант устройства (пункт 5 формулы), отличающийся тем, что оптическая ось линзы Френеля с меньшей площадью расположена выше оптической оси линзы Френеля большей площади.

Вторым, третьим и четвертым вариантами выполнения изобретения (пункты 6, 9 и 12 формулы) являются осветительные устройства с несимметричным распределением светового потока относительно оптической оси, каждое из которых отличается от первого варианта выполнением внешнего рассеивателя.

Осветительное устройство по второму варианту (пункт 6 формулы): рельеф внешнего рассеивателя выполнен так, что оптические поверхности каждой линзы-секции внешнего рассеивателя выполнены цилиндрическими с взаимно перпендикулярными оптическими осями, при этом оптическая поверхность линзы с горизонтальной оптической осью представляет собой цилиндрический линзу Френеля с не менее чем двумя зонами рассеивания света, имеющими фокальные расстояния fв1, fв2. причем зона рассеивания с фокальным расстоянием fв1 расположена выше зоны рассеивания с фокальным расстоянием fв2, а фокальные расстояния зон удовлетворяют следующим условиям:
fв1, fв2 > f_г, a fв2 > fв1,
где f_г - фокальное расстояние линзы-секции в горизонтальном сечении.

Устройство по третьему варианту (пункту 9 формулы) содержит внешний рассеиватель, рельеф которого выполнен так, что оптические поверхности каждой линзы-секции выполнены с взаимно перпендикулярными оптическими осями. При этом оптическая поверхность линзы-секции с вертикальной оптической осью представляет собой цилиндрическую линзу Френеля с фокальным расстоянием fr, оптическая поверхность линзы-секции с горизонтальной оптической осью представляет собой цилиндрическую линзу Френеля с не менее чем двумя зонами рассеивания света, имеющими фокальные расстояния fв1, fв2, причем зона с фокальным расстоянием fв1 расположена выше зоны с фокальным расстоянием fв2, а фокальные расстояния зон удовлетворяют следующим условиям:
fв1, fв2 > f_г, a fв2 > fв1.

Четвертый вариант (по 12 пункту формулы) отличается тем, что на одной оптической поверхности каждой линзы-секции внешнего рассеивателя выполнены две цилиндрические линзы Френеля с взаимно перпендикулярными оптическими осями. При этом цилиндрическая линза Френеля с вертикальной оптической осью имеет фокальное расстояние f_г, а цилиндрическая линза Френеля с горизонтальной оптической осью имеет не менее чем две зоны рассеивания света, имеющими фокальные расстояния fв1, fв2, причем зона с фокальным расстоянием fв1 расположена выше зоны с фокальным расстоянием fв2, а фокальные расстояния зон удовлетворяют следующим условиям:
fв1, fв2 > f_г, a fв2 > fв1.

При выполнении осветительного устройства по четвертому варианту (пункт 12 формулы) оба линзовых растра могут быть выполнены на оптических поверхностях одного рассеивателя, первая по ходу оптического луча оптическая поверхность каждой линзы-секции которого представляет собой линзу Френеля, а на второй по ходу оптического луча оптической поверхности каждой линзы-секции которого выполнены две цилиндрические линзы Френеля с взаимно перпендикулярными оптическими осями.

При выполнении осветительного устройства по последним трем вариантам (пункты 6, 9, 12 формулы изобретения) для направления светового потока вверх относительно горизонтальной оптической оси предложен вариант устройства, отличающийся тем, что зона рассеивания с фокальным расстоянием tв1 расположена выше зоны рассеивания с фокальным расстоянием fв2.

При выполнении осветительного устройства по всем четырем вариантам первый по ходу оптического луча линзовый растр со сферическими конденсорными линзами-секциями может быть заменен на линзовый растр, состоящий из линз Френеля.

Сущность: предложены четыре варианта осветительного устройства, содержащего матрицу светодиодов в качестве источника излучения и два линзовых растра. Первый по ходу оптического луча линзовый растр содержит конденсорные линзы-секции, второй по ходу оптического луча линзовый растр является рассеивателем, создающим необходимое для светофоров и аналогичных осветительных устройств распределение светового потока относительно оптической оси. Варианты отличаются выполнением внешнего рассеивателя. Во всех вариантах неравномерное распределение светового потока в вертикальной и горизонтальной плоскостях создается при помощи двух оптических поверхностей линз-секций внешнего рассеивателя с взаимно перпендикулярными оптическими осями.

Конструкции внешних рассеивателей осветительных устройств по последним трем вариантам позволяют дополнительно создать неравномерное распределение света в вертикальной плоскости, направить по крайней мере основную часть излучения вниз или вверх от направления горизонтальной оптической оси осветительного устройства, что необходимо для работы светофора, так как часть света, при равномерном распределении светового потока в вертикальной плоскости бесполезно теряется, не достигая наблюдателей.

Устройство по пункту 4 формулы содержит на одной оптической поверхности две линзы Френеля разных площадей и с несовпадающими оптическими осями. Линза Френеля большей площади создает параллельный пучок света и работает как конденсорная линза, а линза Френеля меньшей площади отклоняет свет в направлении вниз или вверх от горизонтальной оптической оси устройства и создает неравномерное распределение света в вертикальной плоскости, что необходимо для светофора и аналогичных сигнальных осветительных устройств. Этот вариант решает поставленную техническую задачу при наименьших технологических затратах.

Устройства по 6, 9, 12 пунктам формулы содержат цилиндрические линзы Френеля более дешевые в плане технологии изготовления, в то же время функционально полностью заменяющие цилиндрические оптические поверхности линз-секций.

Замена сферических линз-секций первого по ходу оптического луча линзового растра на линзовый растр, состоящий из линз Френеля, уменьшает оптические аберрации, которые свойственны сферическим линзам. В то же время линзу Френеля технологически легче изготовить чем, несферическую линзу, которая устраняла бы аберрации, свойственные сферическим линзам.

Устройства, в которых линзовые растры выполнены на оптических поверхностях одной оптической детали (пункты 3, 4, 15 формулы), сохраняют большее количество полезного излучения, но более сложны и дорогостоящи при производстве. Устройства, содержащие два линзовых растра (остальные пункты формулы), нерационально используют часть полезного излучения так, как на каждой оптической поверхности теряется как минимум 5% света.

Сущность изобретения пояснена 12 фигурами.

В таблице на фигуре 1 показано требуемое распределение светового потока для светофоров по действующему ГОСТу [1].

На фигуре 2 изображено требуемое ГОСТом [1] относительное распределение светового потока для светофоров и аналогичных сигнальных световых устройств.

На фигуре 3 изображено относительное распределение светового потока, создаваемое матрицей светодиодов без применения оптики, корректирующей светораспределение.

На фигуре 4 изображена принципиальная схема одного из вариантов предлагаемого осветительного устройства, содержащего два линзовых растра.

На фигуре 5 показан ход лучей в горизонтальной и вертикальной плоскостях в линзе-секции рассеивателя устройства, выполненного по первому варианту (пункт 1 формулы)
На фигуре 6 показан ход лучей в вертикальной и горизонтальной плоскостях в линзе-секции рассеивателя устройства, выполненного по пункту 2 формулы изобретения.

На фигуре 7 изображен ход лучей в вертикальной и горизонтальной плоскостях в линзе-секции рассеивателя устройства, выполненного по пункту 3 формулы изобретения.

На фигурах 8, 9, 10 показан ход лучей в вертикальной и горизонтальной плоскости в линзе-секции рассеивателя устройства, выполненного по пункту 4 формулы изобретения. При этом на фигуре 8 изображен ход лучей в вертикальной плоскости линзы Френеля большей площади, на фигуре 9 - ход лучей в вертикальной плоскости линзы Френеля меньшей площади, на фигуре 10 - ход лучей в горизонтальной плоскости линзы-секции рассеивателя устройства, выполненного в соответствии с пунктом 4 формулы изобретения.

На фигурах 11, 12 показан ход лучей соответственно в вертикальной и горизонтальной плоскостях в линзе-секции рассеивателя устройства, выполненного по второму варианту (пункт 6 формулы).

На фигурах 13, 14 показан ход лучей соответственно в вертикальной и горизонтальной плоскостях в линзе-секции рассеивателя устройства, выполненного по третьему варианту (пункты 9 и 11 формулы).

На фигуре 15, 16 показан ход лучей соответственно в вертикальной и горизонтальной плоскостях в линзе-секции рассеивателя устройства, выполненного по четвертому варианту (пункт 12 формулы).

На фигуре 17, 18 показан ход лучей соответственно в вертикальной и горизонтальной плоскостях в линзе-секции рассеивателя устройства, выполненного по четвертому варианту (пункт 15 формулы изобретения).

Позиции на рисунках означают следующее:
1 - матрица светодиодов и источник света - светодиод:
2 - линзовый растр, содержащий конденсорные линзы-секции и конденсорная линза-секция первого по ходу оптического луча линзового растра;
3 - внешний рассеиватель и линза-секция внешнего рассеивателя;
4 - внешний рассеиватель, на оптических поверхностях линз- секций которого выполнены два линзовых растра, деталь внешнего рассеивателя, соответствующая линзе-секции, на двух оптических поверхностях которого выполнены линзы двух линзовых растров;
5 - цилиндрическая оптическая поверхность линзы-секции внешнего рассеивателя с вертикальной оптической осью;
6 - линза-секция первого по ходу оптического луча линзового растра, представляющая собой линзу Френеля;
7 - оптическая поверхность линзы-секции рассеивателя 4, представляющая собой комбинацию из двух линз Френеля разной площади с несовпадающими оптическими осями;
8 - оптическая поверхность линзы секции внешнего рассеивателя, представляющая собой цилиндрическую линзу Френеля с горизонтальной оптической осью;
9 - оптическая поверхность линзы секции внешнего рассеивателя, представляющая собой цилиндрическую линзу Френеля с вертикальной оптической осью;
10 - оптическая поверхность линзы-секции внешнего рассеивателя, на которой нанесены две цилиндрические линзы Френеля с взаимно перпендикулярными оптическими осями;
11 - оптическая поверхность сферической конденсорной линзы- секции.

Как показано на фигуре 4 предлагаемое осветительное устройство содержит матрицу светодиодов 1, расположенных на оптических осях, в фокальных плоскостях конденсорных линз, образующих первый по ходу оптического луча линзовый растр 2, и внешний рассеиватель 3, представляющий собой второй по ходу оптического луча линзовый растр. Число конденсорных линз-секций первого растра 2 равно числу светодиодов в матрице, а число линз-секций внешнего рассеивателя 4 обычно намного превышает число конденсорных линз-секций. На фигуре 4 показан общий вид внешнего рассеивателя 3. Он состоит из большого числа линз-секций, которые расположены параллельными рядами, в которых линзы-секции расположены близко друг к другу как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях, так что поверхность внешнего рассеивателя 3 целиком заполнена линзами-секциями. Число линз-секций может изменяться. Внешний рассеиватель 3, имеющий больше линз-секций, дает более равномерный световой поток, чем внешний рассеиватель 3. имеющий небольшое количество линз-секций, а толщина каждой линзы-секции меньше в рассеивателе 3, имеющем большее число линз-секций, что позволяет использовать линзы из более тонкого материала. Передняя поверхность рассеивателя 3 слегка выпуклая для устранения появления отсветов. Как видно из фигуры 4, фокусные расстояния конденсорных линз-секций намного превышают фокусные расстояния линз-секций внешнего рассеивателя.

Как видно на фигурах 11-18, при выполнении предлагаемого осветительного устройства по последним трем вариантам (пункты 6, 9, 12 формулы) рельеф внешнего рассеивателя выполнен так, что оптические поверхности каждой линзы-секции внешнего рассеивателя выполнены в виде цилиндрических линз Френеля с вертикальной и горизонтальной оптическими осями. При этом оптическая поверхность линзы с горизонтальной оптической осью представляет собой цилиндрическую линзу Френеля с не менее чем двумя зонами рассеивания света, имеющими фокальные расстояния fв1, fв2, причем зона рассеивания с фокальным расстоянием fв1 расположена выше или ниже зоны рассеивания, а фокальные расстояния зон удовлетворяют следующим условиям:
fв1, fв2 > f_г, а fв2 > fв1,
где f_г - фокальное расстояние линзы-секции в горизонтальном сечении.

Как показано на фигурах 11-18 каждая цилиндрическая линза Френеля представляет собой оптический элемент с рельефным сечением в виде прямоугольных треугольников, углы наклона гипотенуз которых удовлетворяют соотношению линз Френеля в меридиональной плоскости. Два фокусных расстояния цилиндрической линзы создаются различными углами наклона гипотенуз (1 и 2) прямоугольных треугольников рельефного сечения линзы-секции внешнего рассеивателя.

Устройство работает следующим образом. Матрица светодиодов излучает свет в соответствии с графиком относительного светораспределения, показанного на фигуре 3. Первый линзовый растр 2 создает параллельный световой поток, падающий на внешний рассеиватель 3, который создает неравномерное распределение света в вертикальной и горизонтальной плоскости и кроме того направляет излучение в вертикальной плоскости вниз или вверх относительно горизонтальной оптической оси на наблюдателя.

Согласно действующему ГОСТу [1] для светофоров необходимо обеспечить рассеивание по крайней мере основной части светового потока (99%) осветительного устройства в горизонтальной плоскости в игле 20 градусов в обоих направлениях относительно оптической оси, а в вертикальной плоскости направить его в направлении вниз от горизонтальной плоскости (25% излучения под углом - 8 градусов), как это показано на фигуре 1. Если сравнить фигуры 2 и 5, то видно, что они не совпадают, следовательно, применение внешнего рассеивателя необходимо.

При выполнении устройства по первому варианту (пункты 1-3 формулы изобретения) достигается только неравномерное распределение света в горизонтальной и вертикальной плоскостях, но достичь направления излучения вниз или вверх от горизонтальной оптической оси в зависимости от нахождения наблюдателя не удается. Этот эффект создается только при использовании комбинации из двух линз Френеля на первой по ходу оптического луча поверхности рассеивателя (пункт 4 формулы изобретения). Линза Френеля большей площади работает как конденсорная линза-секция, то есть создает параллельный поток света, а линза Френеля меньшей площади направляет часть излучения вниз от горизонтальной оптической оси и препятствует нерациональному рассеиванию полезного оптического излучения. (фиг 8) При выполнении устройства по последним трем вариантам (пункты 6 - 15 формулы изобретения) используются цилиндрические линзы Френеля с двумя зонами рассеивания света, которые создают тот же эффект, что и комбинация линз Френеля при исполнении устройства по первому варианту.

Итак, в предлагаемом изобретении предложены четыре варианта осветительных устройств, которые рационально используют полезное излучение устройства и таким образом существенно повышают его эффективность.

Литература
1. ГОСТ 25695-91 Светофоры дорожные. Типы и основные параметры.

2. a.c.N 1494025, опуб. 15. 07. 89, бюл. N 26.

3. Акцептованная заявка Японии N 3-6601, опуб. 30. 01. 91 (прототип).

Реферат

Изобретение относится к технике световой сигнализации и может быть использовано для изготовления светофоров, применяемых для регулирования дорожного движения и других аналогичных осветительных устройств. Технический результат заключается в увеличении эффективности осветительного устройства путем создания оптимального распределения светового потока. Предложены четыре варианта осветительного устройства, содержащего матрицу светодиодов в качестве источника излучения, и два линзовых растра. Первый по ходу оптического луча линзовый растр содержит конденсорные линзы-секции, второй по ходу оптического луча линзовый растр является рассеивателем, создающим необходимое для светофоров и аналогичных осветительных устройств распределение светового потока относительно оптической оси. Варианты отличаются выполнением внешнего рассеивателя. Неравномерное распределение светового потока в вертикальной и горизонтальной плоскостях создается при помощи двух оптических поверхностей линз-секций внешнего рассеивателя с взаимно перпендикулярными оптическими осями. Конструкции внешних рассеивателей осветительных устройств по последним трем вариантам позволяют дополнительно создать неравномерное распределение света в вертикальной плоскости, направить по крайней мере основную часть излучения вниз или вверх от направления горизонтальной оптической оси осветительного устройства, что необходимо для работы светофора, так как часть света при равномерном распределении светового потока в вертикальной плоскости бесполезно теряется, не достигая наблюдателей. 4 с. и 11 з.п.ф-лы, 18 ил.

Формула