CZ305340B6 - Optický prvek pro proměnné informační tabule - Google Patents

Abstract

 Optický prvek pro proměnné informační tabule, sestávající z RGB LED diody (4) typu SMD jako zdroje tří monofrekvenčních záření, za touto diodou (4) souose uspořádaného světlovodu (5) a navazující souose uspořádané optické čočky (8), přičemž optická čočka (8) je vytvořena se dvěma zakřivenými plochami. První zakřivená plocha (d) je přivrácena ke světlovodu (5). Druhá zakřivená plocha (e) vytvořená na straně optické čočky (8) odvrácené od světlovodu (5) a je vytvořená jako astigmatická. Světlovod (5) je tvořený komolým šestihranem s vrcholovým úhlem 14.degree. přecházejícím na začátku i konci na šestihran pravidelný. U optického prvku je na RGB LED diodě (4) nasazeno středicí pouzdro (7) pro zajištění souososti RGB LED diody (4) a světlovodu (5) a kterým je současně RGB LED dioda (4) typu SMD zafixována do desky plošného spoje (3), přičemž optická čočka (8) je utěsněna v čelní desce – matrici (1), na které jsou pevně fixovány první rozpěrné sloupky (9) pro přesné vymezení vzdálenosti mezi čelní deskou – matricí (1) a opěrnou deskou (2), kterou jsou fixována pouzdra (6), vložená mezi opěrnou desku (2) a optickou čočku (8). Opěrná deska (2) je připevněna pomocí druhých rozpěrných sloupků (10) pro vymezení vzdálenosti mezi opěrnou deskou (2) a deskou plošného spoje (3), přičemž na vnitřní straně pouzdra (6) je vytvořeno 6 opěrných ploch pro světlovod (5) a připevňovacími prvky (11) je vymezena vůle světlovodu (5) mezi středicím pouzdrem (7) a pouzdrem (6) a světlovod (5) je tak pevně fixován a jeho vstupní plocha je uspořádána přímo na pouzdru čipů RGB LED diody (4).

Description

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.

Z CZ dokumentu 14556 (Ul) a CZ PV 298 725 je patrný jednobodový dioptrický element jako jednotlivý světelný bod pro proměnné dopravní značky, který sestává z LED diody, optické čočky a stínícího tubusu, v němž jsou LED dioda a optická čočka uloženy. Podstata tohoto technického řešení spočívá v tom, že před jednu polovodičovou luminiscenční LED diodu je vložena jedna fazetová čočka, opatřená nejméně dvěma rozptylovými fazetami na své vnější ploše, odvrácené od LED diody. Tedy obě rozptylové fazety jsou vytvořené na jedné straně čočky. Fazetová čočka tak optimálně upravuje úzkou vyzařovací charakteristiku LED diody a maximálně rozptyluje nežádoucí rušivé vnější světlo, vstupující do optiky jednodiodového dioptrického elementu. Z těchto důvodů je jednobodový dioptrický element vhodný jen pro proměnné dopravní značky se spojitým uspořádáním bodů, kdy body kopírují obrys dopravního symbolu. Počet symbolů je tak omezen cca na 10 vzhledem k počtu protínajících se obrysových čar.

Toto řešení je použitelné pouze pro LED diody s jedním čipem emitujícím monofrekvenční záření, případně čipem překrytým vrstvičkou luminoforu pro bílé světlo. Jednobodový dioptrický element podle tohoto řešení tedy může vyzařovat pouze jednu barvu světla.

Z US 2009/0052189 - je patrný světelný optický prvek pro inzertní tabule a proměnné dopravní značky, sestávající ze světelného zdroje RGB LED diody, světlovodu o průřezu polygonu, jehož průřez je buď konstantní, nebo se pozvolna rozšiřuje a dále optický prvek sestává ze spojné čočky uspořádané za světlovodem, případně sestává z dalších optických struktur uspořádaných za čočkou. Tyto prvky jsou skládané do matic, obsahujících více takových prvků.

Podstata vynálezu

Na základě vývoje a zkoušení a ověřování byl vyvinut optický prvek pro proměnné informační tabule, který doplňuje obor techniky těchto optických prvků, využívajících jako světelný zdroj RGB LED diody typu SMD (surface mount device) s čipy RGB uspořádanými do trojúhelníku, nebo ležícími na společné přímce, a využívající pro přenos monofrekvenčních záření z čipů RGB LED diody světlovod, přičemž podstata optického prvku pro proměnné informační tabule podle tohoto vynálezu spočívá v tom, že světlovod je 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 vytvořený jako rotační, je vytvořena na straně optické čočky přivrácené ke světlovodu a druhá zakřivená plocha, vytvořená na straně optické čočky odvrácené od světlovodu (5), 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. Sou osost 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. K tomu slouží v tomto optickém prvku světlovod.

Světlovod slouží k přenosu monofrekvenčních záření z čipů RGB LED diody na optickou čočku. Hlavním úkolem světlovou 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. Tvar světlovodu byl vypočten a experimentálně ověřen.

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 c komolého i pravidelného šestihranu. Úhel dopadu všech paprsků je vždy větší jak 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 3 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.

Indexy lomu obou materiálů jsou téměř stejné (1,4 a 1,49) tak nedochází ke ztrátě energie.

Teplotní diference při maximálním výkonu všech RGB čipů je pouze 17 °C oproti okolnímu prostředí. Přímý kontakt RGB LED se světlovodem tedy nemá vliv na změnu optických vlastností prvku.

Světelné paprsky vycházející ze světlovodu do opticky řidšího prostředí se lámou a dopadají na první lomnou plochu optické čočky. Vzdálenost mezi výstupní plochou světlovodu a první plochou čočky je nastavena opěrnými plochami pouzdra. Zde se paprsky opět lámou, procházejí čočkou a dopadají na její druhou lomnou plochu. Tato druhá lomná plocha je navržena jako astigmatická a směruje světelné paprsky vystupující z čočky do požadovaných vyzařovacích úhlů ve vertikální a horizontální rovině.

Současně je tvar druhé lomné plochy optické čočky navržen tak, aby sluneční paprsky na ní dopadající byly po průchodu čočkou na první lomné ploše odkloněny mimo světlovod.

Pro požadavek většího vyzařovacího úhlu v horizontální rovině se místo astigmatické čočky použije čočka fazetová s vertikálně orientovanými fazetami.

-2CZ 305340 B6

Objasnění výkresů

Vynález je blíže objasněn na přiložených obrázcích, kde na obr. la, lb, lc, ld, le je znázorněn průběh světelných paprsků optickým prvkem, který je vyobrazen v podélném a příčném řezu, na obr. 2 je v axonometrickém pohledu znázorněn celý optický prvek, na obr. 3 je tento optický prvek znázorněn v řezu a na obr. 4 je v axonometrickém pohledu zobrazeno rozložení optického prvku na jednotlivé komponenty.

Příklady uskutečnění vynálezu

Optický prvek pro proměnné informační tabule, znázorněný na obr. 1 až 4 je tvořen světelným zdrojem RGB LED diodou 4 typu SMD s čipy RGB uspořádanými do trojúhelníku, světlovodem 5 pro přenos monofrekvenčních záření z čipů RGB LED diody 4, který je vytvořen ve tvaru komolého šestihranu s vrcholovým úhlem 14°, přecházejícího na obou koncích do šestihranu pravidelného a optickou čočkou 8, která je uspořádána na druhém konci světlovodu 5, přičemž optická čočka 8 je vytvořena se dvěma zakřivenými plochami, přičemž první zakřivená plocha je vytvořená jako rotační a je vytvořena na straně optické čočky 8 přivrácené ke světlovodu 5 a druhá zakřivená plocha, vytvořená na straně optické čočky 8 odvrácené od světlovodu 5, je vytvořená jako astigmatická.

RGB LED dioda 4 vyzařuje monofrekvenční záření s vlnovou délkou 470 nm pro barvu modrou, 525 nm pro barvu zelenožlutou a 625 nm pro barvu červenou v poměrně širokém světelném svazku s vrcholovým úhlem 120 až 130°. Pro barvy používané v dopravě vyhovuje pouze chromatičnost barvy červené a modré, které leží na hranici trichromatického trojúhelníku. Chromatičnost dalších barev (bílá, jantarová, modrozelená) se nastaví intenzitou jasu jednotlivých RGB čipů pomocí šířkové pulzní modulace tak, aby výsledná chromatičnost ležela v oblasti definované trichromatickými souřadnicemi x, y, podle CIE 1931 požadované ČSN EN 12966-1.

Světlovod 5 slouží k přenosu monofrekvenčních záření z čipů RGB LED diody 4 na optickou Čočku 8. Hlavním úkolem světlovodu 5, ale je rozložit světelnou energii emitovanou čipy RGB rovnoměrně na výstupní plochu b světlovodu 5, a právě z těchto důvodů je světlovod 5 řešen jako komolý šestihran s vrcholovým úhlem 14° přecházející na začátku i konci na šestihran pravidelný. Tvar světlovodu byl vypočten a experimentálně ověřen.

Světelné paprsky s vyzařovací úhlem 130° vystupují z čipů LED diody 4 a dopadají na vstupní plochu a světlovodu 5. Na optickém rozhraní se lámou a postupují světlovodem 5. Paprsky s vrcholovým úhlem do 18° světlovodem 5 projdou až na jeho výstupní plochu b, ostatní se uvnitř odrazí na rovinných plochách c komolého i pravidelného šestihranu. Úhel dopadu všech paprsků je vždy větší jak 42°, dochází k 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 b světlovodu 5.

Na světlovod 5 je dále nasazeno pouzdro 6, které zajišťuje souosost světlovodu 5 a optické čočky 8 a současně vymezuje jejich vzájemnou vzdálenost.

Optická čočka 8 má dvě zakřivené lomné plochy. První lomná plocha d je přivrácena ke světlovodu 5, a je vytvořena jako rotační. Jejím meridiánem je přímka a křivka třetího řádu (meridián rotační plochy je průsečnice této plochy s rovinou, procházející její osou rotace). Světelné paprsky, vycházející ze světlovodu 5 jsou plně zachycovány první zakřivenou plochou d optické čočky 8 a lomeny na ní tak, že vytvářejí divergentní svazek paprsků procházejících čočkou 8 a dopadajících na její druhou zakřivenou plochu e, která je vytvořena na straně optické čočky 8 odvrácené od světlovodu 5, tedy na opačné straně než první zakřivená plocha d. Tato zakřivená

-3 CZ 305340 B6 lomná plocha e je vytvořena jako astigmatická a světelné paprsky se na ní lámou do horizontálního i vertikálního směru podle požadovaných vyzařovacích úhlů.

Světelné paprsky, vycházející z čipů RGB LED diody 4, jsou po průchodu světlovodem 5 a optickou čočkou 8 vyzařovány pod rozptylovým úhlem a ve směru vertikálním a pod rozptylovým úhlem β ve směru horizontálním.

Při požadavku většího vyzařovacího úhlu v horizontální rovině se druhá lomná plocha optické čočky 8 řeší jako fazetová s vertikálně orientovanými fazetami.

Tvar druhé zakřivené plochy e optické čočky 8 a délka optické čočky 8 jsou navrženy tak, aby sluneční světlo, zvenčí dopadající na optický prvek pod zadaným mezním úhlem φ, bylo odkloněno mimo výstupní plochu světlovodu 5. Je tak zabráněno vzniku fantomů (falešné světlo), které by vznikly v optickém prvku odrazem světelných paprsků vycházejících z cizího zdroje, nejčastěji paprsků slunečních dopadajících pod určitým úhlem.

Optický prvek podle tohoto technického řešení není navržen jako samostatná komponenta a osazuje se v matici 8x8 nebo 8x16 světelných bodů podle velikosti desky plošného spoje 3 na které jsou osazeny středicí pouzdra 7 a RGB LED 4. Na této desce plošného spoje 3 jsou také osazeny součástky řídicí elektroniky nutné pro řízení jasu a barev RGB LED.

RGB LED dioda 4 je typu SMD a je osazena spolu s dalšími RGB LED téhož typu na desce plošného spoje 3 tak, že tvoří matici 8x8, nebo 8x16 bodů s roztečí 15, 18 nebo 20 mm.

Na každé RGB LED diodě 4 je nasazeno středicí pouzdro 7, které se zalepí, nebo lokálním ohřevem zafixuje do desky plošného spoje 3. Toto pouzdro slouží k zajištění souososti RGB LED diody 4 a světlovodu 5.

Optické čočky 8 jsou zalepeny a vodotěsně zatmeleny v čelní desce - matricí 1, na které jsou pevně fixovány rozpěmé sloupky 9. První rozpěmé sloupky 9 přesně vymezují vzdálenost mezi čelní deskou - matricí 1 a opěrnou deskou 2.

Opěrná deska 2 je vyrobena z hliníkového plechu a slouží k fixaci pouzder 6. Současně snižuje radiaci tepelného záření vystupujícího z čelní desky-matrice i za horkého slunečného počasí a chrání tak elektronické součástky osazené na desce plošného spoje 3 před přehřátím a vyřazením zařízení z provozu.

Mezi opěrnou desku 2 a optickou čočku 8 je vloženo pouzdro 6, které zajišťuje optickou čočku 8 proti vypadnutí z čelní desky - matrice 1 při nárazu cizího tělesa na čelní desku - matrici i a současně zajišťuje její souosost se světlovodem 5.

Opěrná deska 2 je připevněna pomocí druhých rozpěmých sloupků 10. které vymezují vzdálenost mezi opěrnou deskou 2 a deskou plošného spoje 3. Na vnitřní straně pouzdra 6 je vytvořeno 6 opěrných ploch pro světlovod 5.

Po připevnění desky plošného spoje 3 šrouby 11 se vymezí vůle světlovodu 5 mezi středícím pouzdrem 7 a pouzdrem 6. Světlovod 5 je tak pevně fixován a jeho vstupní plocha a leží přímo na pouzdru čipů RGB LED diody 4. Tak jsou kompenzovány nepřesnosti vznikající při výrobě jednotlivých komponent, nepřesnosti při montáži a posuvy vznikající při dilataci čelní desky - matrice I vlivem změny okolní teploty.

Optické komponenty, světlovod 5 a optická čočka 8 jsou standardně vyrobeny z optického materiálu s indexem lomu N=l,5 s UV stabilizátorem, technologií vstřikováním do negativní formy. Pro aplikace v silničních tunelech se optická čočka vyrobí lisováním z borosilikátového skla se stejným indexem lomu.

-4CZ 305340 B6

Středící pouzdro 7 a pouzdro 6 jsou vyrobeny z černého polyetylénu opět technologií vstřikováním do negativní formy.

Ostatní komponenty, čelní deska i, opěrná deska 2, první rozpěmé sloupky 9 a druhé rozpěmé sloupky JO jsou vyrobeny z nekorodujících materiálů opatřených povrchovou ochranou proti oxidaci.

Spojovací materiál, šrouby 11 jsou z nerezové oceli A2.

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.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (4)

1. Optický prvek pro proměnné informační tabule, sestávající z RGB LED diody (4) typu SMD jako zdroje tří monofrekvenčních záření, za touto diodou (4) souose uspořádaného světlovodu (5), a za světlovod (5) navazující souose uspořádané optické čočky (8), kdy optická čočka (8) je vytvořena se dvěma zakřivenými plochami, přičemž první zakřivená plocha (d) je přivrácena ke světlovodu (5), zatímco druhá zakřivená plocha (e) vytvořená na straně optické čočky (8) odvrácené od světlovodu (5), je vytvořená jako astigmatická, vyznačující se tím, že světlovod (5), je tvořený komolým šestihranem s vrcholovým úhlem 14° přecházejícím na začátku i konci na šestihran pravidelný.

2. Optický prvek podle nároku 1, vyznačující se tím, že světelný zdroj RGB LED dioda (4) typu SMD je vytvořena s čipy RGB uspořádanými do trojúhelníku, nebo ležícími na společné přímce.

3. Optický prvek podle nároků 1,2, vyznačující se tím, že světlovod (5) leží přímo na zapouzdření RGB LED (4) typu SMD.

4. Optický prvek podle nároků 1,2, 3, vyznačující se tím, že na RGB LED diodě (4) je nasazeno středicí pouzdro (7) pro zajištění souososti RGB LED diody (4) a světlovodu (5) a kterým je současně RGB LED dioda (4) zafixována do desky plošného spoje (3), přičemž optická čočka (8) je utěsněna v čelní desce - matrici (1), na které jsou pevně fixovány první rozpěrné sloupky (9) pro přesné vymezení vzdálenosti mezi čelní deskou - matricí (1) a opěrnou deskou (2), kterou jsou fixována pouzdra (6), vložená mezi opěrnou desku (2) a optickou čočku (8), přičemž opěrná deska (2) je připevněna pomocí druhých rozpěmých sloupků (10) pro vymezení vzdálenosti mezi opěrnou deskou (2) a deskou plošného spoje (3), přičemž na vnitřní straně pouzdra (6) je vytvořeno 6 opěrných ploch pro světlovod (5) a připevňovacími prvky (11) je vymezena vůle světlovodu (5) mezi středícím pouzdrem (7) a pouzdrem (6) a světlovod (5) je tak pevně fixován a jeho vstupní plocha je uspořádána přímo na zapouzdření čipů RGB LED diody (4) typu SMD.