светорассеивающая линза для светофора

Формула изобретения

1. Светорассеивающая линза, используемая в светофорах для преобразования падающего на нее параллельного светового пучка в световой пучок с заданным угловым распределением света, выполненная в виде изготовленного из прозрачного материала защитного колпака, наружная поверхность которого выпуклая, а на внутренней поверхности выполнены расположенные параллельными рядами элементарные линзовые ячейки, каждая из которых образована выемкой в материале защитного колпака, имеющей в плоскости вертикального сечения ячейки, проходящей через ее оптическую ось, форму кривой, углубляющейся в направлении снизу вверх, отличающаяся тем, что фронтальная поверхность каждой ячейки, расположенная перпендикулярно к ее оптической оси, имеет форму прямоугольника, а выемка образована вогнутой поверхностью, которая в вертикальной плоскости сечения ячейки, проходящей через ее оптическую ось, образует первую кривую, имеющую форму четверти первого эллипса, в горизонтальной плоскости сечения ячейки, расположенной в верхней ее части, образует вторую кривую, имеющую форму половины второго эллипса, и выходит на фронтальную поверхность ячейки, примыкая к ее боковым и нижней сторонам, длины малых полуосей первого и второго эллипсов, форму частей которых имеют соответственно первая и вторая кривые, равны и по величине соответствуют наибольшей глубине выемки, длина боковых сторон прямоугольной фронтальной поверхности ячейки составляет величину, не менее длины большой полуоси первого эллипса, а длина нижней и верхней сторон прямоугольной фронтальной поверхности ячейки соответствует длине большой оси второго эллипса.

2. Светорассеивающая линза по п.1, отличающаяся тем, что вогнутая поверхность выемки примыкает к боковым и к нижней сторонам фронтальной поверхности таким образом, что нормали к указанной вогнутой поверхности, проведенные из вершин нижних углов фронтальной поверхности, перпендикулярны к указанной фронтальной поверхности.

3. Светорассеивающая линза по п.1 или 2, отличающаяся тем, что длина боковых сторон фронтальной поверхности ячейки превышает длину полуоси первого эллипса на 8-10%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области световой сигнализации и может быть использовано для изготовления автодорожных светофоров.

Исходя из требований, предъявляемых к автодорожному светофору, необходимо, чтобы создаваемый им световой пучок имел неравномерное угловое распределение световой энергии, при этом основная часть светового пучка должна рассеиваться в горизонтальной плоскости в пределах угла 30 градусов симметрично относительно оси оптического блока светофора, а в вертикальной плоскости в пределах угла 20 градусов вниз относительно оси оптического блока светофора. Сила света должна быть максимальна в горизонтальном направлении, совпадающем с осью оптического блока светофора, а значения силы света в направлениях, отличных от осевого, определяются исходя из требований действующих стандартов. Достижение требуемого углового распределения светового пучка обеспечивается в светофорах за счет применения в составе их оптических блоков различного вида светорассеивающих линз.

Так, известна описанная в патенте RU 2137978 (см. фиг.8, 9, 10 к RU 2137978) конструкция светорассеивающей линзы, обеспечивающей требуемое для светофора распределение светового пучка. Указанная светорассеивающая линза имеет внутреннюю и внешнюю поверхности, на каждой из которых сформированы элементарные линзовые ячейки, образующие соответственно первый и второй по ходу оптического луча растры. Сформированные на внешней поверхности светорассеивающей линзы элементарные ячейки выполнены цилиндрическими с вертикальным направлением осей цилиндрических поверхностей, а каждая сформированная на внутренней поверхности светорассеивающей линзы элементарная ячейка представляет собой комбинацию из двух линз Френеля разной площади с несовпадающими оптическими осями, причем оптическая ось линзы Френеля с меньшей площадью расположена ниже оптической оси линзы Френеля с большей площадью.

В рассматриваемом устройстве достигается неравномерное угловое распределение светового пучка в горизонтальной и вертикальной плоскостях, при этом обеспечивается распространение основной части излучения под углом 8-10 градусов вниз относительно горизонтальной плоскости. Благодаря выбранной форме преломляющей поверхности расположенные параллельными рядами на внешней поверхности светорассеивающей линзы элементарные линзовые ячейки примыкают плотно друг к другу как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях, что обуславливает снижение в рассматриваемой линзе доли нерационально используемого оптического излучения. Однако данная светорассеивающая линза является сложной по конструкции и технологии изготовления из-за необходимости выполнения на обеих ее поверхностях элементарных линзовых ячеек, имеющих сложную форму.

Известна светорассеивающая линза для светофора [RU 2029323], которая выбрана авторами в качестве ближайшего аналога.

Рассматриваемая светорассеивающая линза используется для преобразования падающего на нее параллельного светового пучка в световой пучок с требуемым для светофора угловым распределением силы света. Линза выполнена в виде изготовленного из прозрачного материала защитного колпака, наружная поверхность которого выпуклая, а на внутренней поверхности выполнены расположенные параллельными рядами элементарные линзовые ячейки, каждая из которых образована выемкой в материале защитного колпака, имеющей в плоскости вертикального сечения ячейки, проходящей через ее оптическую ось, форму кривой, углубляющейся в направлении снизу вверх. Наружная (фронтальная) поверхность каждой элементарной ячейки имеет форму обращенного вниз колокола, при этом ячейка состоит по меньшей мере из двух поверхностных частей, а именно чашеобразной части поверхности, симметричной относительно оси, параллельной оптической оси светорассеивающей линзы, и части поверхности, которая образует ступенчатую или постепенно расходящуюся вбок и в материал линзы расширяющуюся колоколообразную полость.

Первая чашеобразная часть поверхности линзовой ячейки обеспечивает рассеяние большей части светового пучка в горизонтальной плоскости под углом 30 градусов в обоих направлениях относительно оптической оси и под углом 20 градусов вниз. Вторая часть поверхности линзовой ячейки производит рассеяние света в боковые стороны, благодаря чему свет рассеивается в сторону нижних углов между горизонтальной и вертикальной линиями на схеме изображения углов преломления и рассеяния светового пучка светофором (см. фиг.1 к RU 2029323).

Рассматриваемая светорассеивающая линза обеспечивает требуемое для светофора неравномерное рассеяние света в горизонтальной и вертикальной плоскостях. При этом образующие элементарные линзовые ячейки выемки выполнены только на ее внутренней поверхности, что упрощает конструкцию линзы и технологию ее изготовления. Однако форма преломляющей поверхности элементарных ячеек является сложной. Кроме того, расположенные параллельными рядами на внутренней поверхности светорассеивающей линзы элементарные линзовые ячейки не плотно примыкают друг к другу, а соприкасаются лишь в нескольких точках по периметру, что приводит к снижению доли полезно используемого оптического излучения.

Задачей заявляемого изобретения является повышение доли полезно используемого излучения при обеспечении требуемого для светофора углового распределения света в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Сущность изобретения заключается в том, что в светорассеивающей линзе, используемой в светофорах для преобразования падающего на нее параллельного светового пучка в световой пучок с заданным угловым распределением света, выполненной в виде изготовленного из прозрачного материала защитного колпака, наружная поверхность которого выпуклая, а на внутренней поверхности выполнены расположенные параллельными рядами элементарные линзовые ячейки, каждая из которых образована выемкой в материале защитного колпака, имеющей в плоскости вертикального сечения ячейки, проходящей через ее оптическую ось, форму кривой, углубляющейся в направлении снизу вверх, согласно изобретению фронтальная поверхность каждой ячейки имеет форму прямоугольника, а выемка образована вогнутой поверхностью, которая в вертикальной плоскости сечения ячейки, проходящей через ее оптическую ось, образует первую кривую, имеющую форму четверти эллипса, в горизонтальной плоскости сечения ячейки, расположенной в верхней ее части, образует вторую кривую, имеющую форму половины эллипса, и выходит на фронтальную поверхность ячейки, примыкая к ее боковым и нижней сторонам, длины малых полуосей первого и второго эллипсов, форму частей которых соответственно имеют первая и вторая кривые, равны и по величине соответствуют наибольшей глубине выемки, длина боковых сторон прямоугольной фронтальной поверхности ячейки составляет величину не менее длины большой полуоси первого эллипса, а длина нижней и верхней сторон прямоугольной фронтальной поверхности ячейки соответствует длине большой оси второго эллипса.

В частном случае выполнения изобретения вогнутая поверхность выемки примыкает к боковым и к нижней сторонам фронтальной поверхности таким образом, что нормали к указанной вогнутой поверхности, проведенные из вершин нижних углов фронтальной поверхности, перпендикулярны к указанной фронтальной поверхности.

В частном случае выполнения изобретения длина боковых сторон фронтальной поверхности ячейки превышает длину полуоси первого эллипса на 8-10%.

Благодаря тому, что элементарная линзовая ячейка образована вогнутой поверхностью, которая примыкает к боковым и нижней сторонам прямоугольной фронтальной поверхности ячейки и при этом в вертикальной плоскости сечения, проходящей через ее оптическую ось, образует первую кривую, имеющую форму четверти эллипса (первого), а в горизонтальной плоскости сечения, расположенной в верхней части ячейки, образует вторую кривую, имеющую форму половины эллипса (второго), причем длины малых полуосей первого и второго эллипсов равны и по величине соответствуют наибольшей глубине выемки, длина боковых сторон прямоугольной фронтальной поверхности ячейки составляет величину не менее длины большой полуоси первого эллипса, а длина нижней и верхней сторон прямоугольной фронтальной поверхности ячейки соответствует длине большой оси второго эллипса, ячейка имеет рассеивающую поверхность, которая обеспечивает соответствующее требованиям, предъявляемым к светофорам, неравномерное угловое рассеивание падающего на нее параллельного светового пучка как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях.

Преломляющая рабочая поверхность элементарной ячейки, основу формообразования которой составляют четверть первого эллипса в вертикальной плоскости сечения и половина второго эллипса в горизонтальной плоскости сечения, является гладкой и неделимой на какие-либо поверхностные части, что способствует формированию однородного светораспределения. За счет выбранной формы преломляющей поверхности ячейка в горизонтальной плоскости сечения обеспечивает создание симметричного относительно оптической оси неравномерного углового распределения света, а в вертикальной плоскости обеспечивает направление основной части светового пучка под углом вниз относительно горизонтальной плоскости. При этом в указанных плоскостях происходит уменьшение величины силы света, коррелирующее с изменением кривизны профиля сечения ячейки в данных плоскостях. В результате формируемое ячейкой световое поле во фронтальной плоскости проекции имеет форму, подобную форме равнобедренного треугольника со сглаженными углами, ориентированного вершиной вниз, что в наибольшей степени соответствует требуемому для светофора характеру светораспределения.

Поскольку фронтальная поверхность каждой ячейки имеет прямоугольную форму, расположенные параллельными рядами на поверхности светорассеивающей линзы элементарные линзовые ячейки плотно прилегают друг к другу в вертикальном и в горизонтальном направлениях, за счет чего в рассматриваемой светорассеивающей линзе практически отсутствуют зоны, в которых световой пучок не претерпевает полезного рассеяния, а следовательно, практически весь падающий на светорассеивающую линзу свет полезно используется.

Наружная поверхность светорассеивающей линзы по конструктивным соображениям является выпуклой, а ее внутренняя поверхность, на которой сформированы элементарные линзовые ячейки, соответственно, является вогнутой, при этом кривизна обеих поверхностей столь мала, что различие светораспределения от двух ячеек, расположенных в разных точках поверхности линзы, невелико и им можно пренебречь. То есть светорассеивающая линза в целом формирует такое же пространственное распределение светового пучка, что и элементарная линзовая ячейка.

Таким образом, за счет выбранной формы ячеек светорассеивающая линза обеспечивает требуемое для светофора угловое распределение силы света в выходном световом пучке в горизонтальной и вертикальной плоскостях, при этом достигается высокая степень полезного использования падающего на линзу светового излучения.

Описанные выше формы первой и второй кривых, соответствующих формам профилей сечения ячейки в вертикальной и горизонтальной плоскостях, в которых нормируется светораспределение, были получены авторами расчетно-экспериментальным путем.

Форма профиля ячейки в рассматриваемых плоскостях сечения определялась путем нахождения совокупности его точек методом графического построения с использованием законов геометрической оптики. Указанный метод основан на том, что в каждом из сечений рассеивающая поверхность ячейки преобразует падающий на нее квазипараллельный входной световой пучок в выходной световой пучок с заданным для рассматриваемого сечения угловым распределением силы света. Метод нахождения точек профиля является итерационным и одинаков для каждого из сечений.

Координаты точек профиля определялись в прямоугольной системе координат, в которой ось ординат совпадает с направлением распространения начального светового луча, проходящего через ячейку без преломления. По оси абсцисс откладывается линейная координата, соответствующая расстоянию между начальным световым лучом и n-ым световым лучом. В качестве начальной точки профиля задавалась точка, расположенная на оси ординат и отстоящая от точки начала координат на расстоянии, равном заданной наибольшей глубине ячейки. Исходными данными для определения точек профиля являлись: известная для конкретной оптической системы светофора первая зависимость распределения силы света от линейной координаты для входного светового пучка, которая для квазипараллельного пучка имеет вид прямой, параллельной оси абсцисс; вторая зависимость распределения силы света от угла излучения для выходного светового пучка, соответствующая конкретным заданным требованиям, предъявляемым к светофору; а также третья и четвертая зависимости распределения светового потока для входного и выходного пучков, которые получали путем интегрирования первой и второй зависимостей по соответствующей координате. Координаты точек профиля находились исходя из условия, что для каждого проходящего через преломляющую поверхность ячейки n-го светового луча световой поток, заключенный между ним и начальным лучом во входном квазипараллельном пучке, и световой поток, заключенный между указанным n-ым лучом, излучаемым после прохождения через ячейку под некоторым углом _n, и начальным лучом, прошедшим через ячейку без преломления, в выходном пучке равны. Нахождение координат каждой n-ой точки профиля сводилось к определению угла наклона к оси абсцисс преломляющей поверхности ячейки в точке n (угла наклона к оси абсцисс касательной к указанной поверхности в данной точке), при котором обеспечивается поворот падающего на преломляющую поверхность в n-ой точке светового луча на угол _n. При этом учитывалось, что световой луч преломляется не только на внутренней поверхности защитного колпака, но и на его внешней поверхности, для чего вводилась поправка, определяемая с использованием закона Снеллиуса, связывающего значения угла падения, угла преломления светового луча и показателя преломления материала, из которого изготовлена светорассеивающая линза. Каждая последующая точка (n+1) профиля в выбранной координатной системе отстоит от предыдущей точки n по оси абсцисс на величину шага итерации, а по оси ординат - на величину, пропорциональную тангенсу угла наклона к оси абсцисс преломляющей поверхности в точке n.

Указанным выше образом определяли точки профилей сечения ячейки для ряда случаев, задавая конкретные зависимости распределения силы света от угла излучения для выходного светового пучка, различные показатели преломления материала защитного колпака, а также изменяя количество светодиодов, создающих входной световой пучок, и их мощность. При этом каждый раз совокупности найденных точек образовывали профили сечений ячейки в вертикальной и горизонтальной плоскостях, которые с большой степенью точности можно было аппроксимировать кривыми второго порядка, имеющими форму четверти первого эллипса и половину второго эллипса соответственно.

При этом в зависимости от заданного конкретного характера светораспределения выходного светового пучка получали различные значения соотношений длин осей первого и второго эллипсов.

Так, например, при задании отвечающей современным требованиям для оптических систем светофоров зависимости распределения силы света от угла излучения в выходном световом пучке, при которой в горизонтальной плоскости сечения ячейка обеспечивает симметричное относительно оптической оси рассеяние основной части светового пучка в угле 30 градусов, при этом сила света в указанной плоскости для направления 0 градусов имеет максимальную величину, для направления 10 градусов имеет величину, в два раза меньшую, для направления 30 градусов имеет величину, в 100 раз меньшую, а в вертикальной плоскости сечения ячейка обеспечивает рассеяние основной части светового пучка под углом до 20 градусов вниз, при этом сила света для направления 5 градусов имеет величину, в 1,7 раза меньшую, чем сила света для направления 0 градусов, а для направлений 10 и 20 градусов соответственно в 3,3 и 50 раз меньшую, соотношение длин осей первого эллипса лежит в пределах от 3,0 до 3,2, а соотношение длин осей второго эллипса лежит в пределах от 1,7 до 1,8.

Абсолютные значения размеров ячейки определяют исходя из заданной наибольшей глубины ячейки, выбранных в соответствии с заданным характером светораспределения выходного светового пучка соотношений длин осей первого и второго эллипсов, технологических возможностей изготовления на поверхности светорассеивающей линзы множества элементарных линзовых ячеек. При этом при увеличении количества линзовых ячеек возрастает равномерность рассеиваемого линзой светового пучка.

Для конкретной светорассеивающей линзы форму ее элементарной ячейки формируют следующим образом. Задают наибольшую глубину ячейки, которая соответствует длине малых полуосей первого и второго эллипсов, определяют длину большой полуоси первого эллипса и длину большой оси второго эллипса через величины соотношения осей указанных эллипсов, тем самым определяют ширину фронтальной поверхности ячейки, равную длине большой оси второго эллипса, а длину боковых сторон фронтальной поверхности выбирают не менее длины большой полуоси первого эллипса (как правило, длину указанной стороны берут равную или чуть большую, чем длина указанной полуоси). Далее моделируют форму элементарной ячейки, соответствующую выбранным характеристикам, любым известным способом, например путем изготовления модели ячейки из пластичного материала или путем программного моделирования формы ячейки с помощью ЭВМ.

При этом в случае моделирования формы ячейки с помощью ЭВМ целесообразно ввести дополнительное условие, согласно которому вогнутая поверхность ячейки примыкает к боковым и к нижней сторонам ее фронтальной поверхности таким образом, что нормали к указанной вогнутой поверхности, проведенные из вершин нижних углов фронтальной поверхности, перпендикулярны к указанной фронтальной поверхности. В таком случае преломляющая поверхность ячейки имеет оптимальную, с точки зрения повышения доли полезно используемого излучения, форму, позволяющую в максимальной степени осуществить преобразование входного квазипараллельного светового пучка в выходной пучок с заданным угловым распределением силы света.

Для изготовления светорассеивающей линзы может быть использован различного вида светопрозрачный материал. Совокупность элементарных линзовых ячеек на внутренней поверхности изготовленного из указанного материала защитного колпака может быть сформирована различными способами, например путем фрезерования с помощью специального инструмента в материале защитного колпака выемок, имеющих форму элементарных линзовых ячеек, или путем отливки материала защитного колпака в отливочную форму, в которой выполнены полости, форма которых соответствует форме элементарных ячеек. При этом формирование таких полостей не представляет сложностей при использовании современного оборудования.

Как показали экспериментальные исследования, целесообразным является, чтобы длина боковых сторон фронтальной поверхности ячейки превышала длину большой полуоси первого эллипса на 8-10%, что обеспечивает припуск на обработку при формировании элементарных линзовых ячеек на поверхности защитного колпака.

Заявляемое изобретение поясняется чертежами, представленными на фиг.1-4, где на фиг.1 представлен общий вид заявляемой светорассеивающей линзы, на фиг.2 представлены фронтальное, вертикальное и горизонтальное сечения ячейки, на фиг.3 схематично показан ход лучей через линзу (сечение в вертикальной плоскости), на фиг.4 схематично показан ход лучей через линзу (сечение в горизонтальной плоскости).

Светорассеивающая линза (фиг.1) выполнена в виде изготовленного из светопрозрачного материала защитного колпака, наружная поверхность 1 которого выпуклая, а внутренняя поверхность 2 соответственно вогнутая. На внутренней поверхности 2 линзы сформирована совокупность элементарных линзовых ячеек 3, каждая из которых образована выемкой в материале защитного колпака.

Ячейка 3 (фиг.2) имеет прямоугольную фронтальную поверхность, образующую во фронтальном сечении ячейки прямоугольник 4, и примыкающую к боковым и нижней сторонам фронтальной поверхности вогнутую поверхность, которая в вертикальной плоскости сечения ячейки, проходящей через ее оптическую ось, образует кривую 5, имеющую форму четверти первого эллипса, а в горизонтальной плоскости сечения, расположенной в верхней части ячейки, образует кривую 6, имеющую форму половины второго эллипса. Длины малых полуосей 7 и 8 первого и второго эллипсов, форму которых имеют кривые 5 и 6 соответственно, равны наибольшей глубине ячейки 3. Длина боковых сторон прямоугольника 4 на 8-10% превышает длину большой полуоси 9 первого эллипса. Длина нижней и верхней сторон прямоугольника 4 равна длине большой оси 10 второго эллипса.

Устройство работает следующим образом.

Устанавливаемая в светофор светорассеивающая линза входит в состав оптической системы светофора (фиг.3, 4), которая также включает источник излучения, в частности светодиод 11, и преобразователь 12 (в частности, линзу Френеля), который формирует падающий на поверхность 2 светорассеивающей линзы входной квазипараллельный световой пучок. Указанный входной световой пучок с помощью совокупности сформированных на поверхности 2 линзы элементарных линзовых ячеек преобразуется в выходной световой пучок, который имеет заданное требованиями, предъявляемыми к светофору, угловое рассеяние света в вертикальной (фиг.3) и в горизонтальной (фиг.4) плоскостях сечения линзы.