PL 219112 B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 219112 (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: 392659 (22) Data zgłoszenia: 15.10.2010 (51) Int.Cl. G09F 9/33 (2006.01) G08G 1/095 (2006.01) F21V 5/04 (2006.01) F21V 11/08 (2006.01) (54) Hybrydowy układ optyczny do rozsyłu światła z tablicy znaków drogowych o zmiennej treści (43) Zgłoszenie ogłoszono: 23.04.2012 BUP 09/12 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.03.2015 WUP 03/15 (73) Uprawniony z patentu: INSTYTUT OPTYKI STOSOWANEJ, Warszawa, PL INSTYTUT BADAWCZY DRÓG I MOSTÓW, Warszawa, PL (72) Twórca(y) wynalazku: DARIUSZ LITWIN, Warszawa, PL TADEUSZ KRYSZCZYŃSKI, Warszawa, PL JACEK GALAS, Łomianki, PL ADAM CZYŻEWSKI, Warszawa, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Jerzy Woźnicki
2 PL 219 112 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest hybrydowy układ optyczny do rozsyłu światła z tablicy znaków drogowych o zmiennej treści, w której źródłami światła są diody emitujące światło, ograniczający powstawanie zjawiska fantomowego. Znane są układy optyczne do rozsyłu światła z tablicy znaków drogowych, wyposażone w układ soczewek i przesłony do formowania wiązki światła emitowanej przez pojedynczą diodę emitującą światło (LED) o wąskim bryłowym kącie rozsyłu światła. Wiązka światła emitowana przez diodę jest koncentrowana przez soczewkę skupiającą w miejscu pomiędzy soczewkami, a następnie jest kierowana na soczewkę rozpraszającą, aby uzyskać rozsył światła w zadanym kącie bryłowym. Zadaniem układu jest także ograniczenie lub wyeliminowanie efektu fantomowego, który uwidacznia się jako światło pozorne wywołane odbiciem światła pochodzącego ze źródła zewnętrznego, na przykład światła słonecznego, od elementów układu optycznego. Z opisu patentowego EP 0930600 znany jest układ optyczny rozsyłu światła do tablic znaków drogowych o zmiennej treści wyposażony w diodę emitującą światło, przysłonę, oraz soczewkę skupiającą i soczewkę rozpraszającą umieszczone współosiowo we wspólnej obudowie. 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. Wadą tego rozwiązania jest występowanie wielu elementów optycznych o skomplikowanej geometrii zamontowanych trwale we wspólnej obudowie. Z opisu patentowego EP 1696171 znana jest tablica świetlna z diodami LED, w której wiązka światła wysyłana przez diodę jest formowana przez układ dwóch soczewek o odpowiednio dobranym kształcie i właściwościach. Pierwsza soczewka ma specjalnie ukształtowane powierzchnie umożliwiające całkowite wewnętrzne odbicie światła. Druga soczewka umieszczona na wyjściu układu ma kształt wklęsło-wypukły z asferyczną powierzchnią zewnętrzną. Między soczewkami jest umieszczona przesłona. Ograniczenie efektu fantomowego uzyskuje się dzięki asferycznemu kształtowi drugiej soczewki i przesłonie. Rozwiązanie to wymaga zastosowania dwóch soczewek o specjalnej geometrii a także odpowiednio usytuowanej przesłony, przesuniętej względem osi optycznych obu soczewek. Wpływa to na komplikację układu. W technice światłowodowej i w urządzeniach do projekcji optycznej są stosowane soczewki gradientowe, pozwalające na zastąpienie bardziej rozbudowanych układów optycznych. Soczewki gradientowe są wykonane z materiału optycznego o zmiennym wzdłuż promienia współczynniku załamania światła. Celem wynalazku jest opracowanie układu optycznego do rozsyłu światła z tablicy znaków drogowych o zmiennej treści, z wykorzystaniem właściwości soczewek gradientowych. Hybrydowy układ optyczny do rozsyłu światła z tablicy znaków drogowych o zmiennej treści, wyposażony w układ dwóch soczewek kształtujących wiązkę światła emitowanego przez diodę LED usytuowaną w osi optycznej układu, według wynalazku charakteryzuje się tym, że składa się z soczewki wypukło-płaskiej z pierwszą powierzchnią wypukłą zwróconą w kierunku emitera diody LED, oraz soczewki płasko-wypukłej z drugą powierzchnią wypukłą zwróconą na zewnątrz układu, przy czym soczewka wypukło-płaska ma pobocznicę w kształcie walcowo-stożkowym, a jej część stożkowa jest zakończona pierwszą powierzchnią płaską usytuowaną od strony drugiej powierzchni płaskiej należącej do soczewki płasko-wypukłej, zaś powierzchnie wypukłe soczewek mają kształt sferyczny. Ponadto soczewki są wykonane ze szkła optycznego o radialnym parabolicznym rozkładzie współczynnika załamania, przy czym osiowy współczynnik załamania n 0 w obu soczewkach wynosi od 1,5 do 1,8, zaś radialny współczynnik gradientu parabolicznego szkła optycznego wynosi od -0,03 do -0,01. Korzystnym jest, jeżeli pomiędzy pierwszą powierzchnią płaską a drugą powierzchnią płaską jest umieszczona przesłona z otworem o średnicy w zakresie od 1,2 do 0,6 średnicy pierwszej powierzchni płaskiej. Korzystnym jest także, jeżeli część stożkowa soczewki wypukło-płaskiej ma matową powierzchnię boczną. W innym korzystnym wykonaniu część stożkowa soczewki wypukło-płaskiej ma powierzchnię boczną pokrytą warstwą nie przepuszczającą światła. Korzystnym jest, jeżeli soczewka płasko-wypukła ma na drugiej powierzchni płaskiej matowy pierścień otaczający część środkową tej powierzchni o średnicy w zakresie od 1,2 do 0,6 średnicy pierwszej powierzchni płaskiej.
PL 219 112 B1 3 Korzystnym jest także, jeżeli soczewka płasko-wypukła ma na drugiej powierzchni płaskiej pierścieniową warstwę nie przepuszczającą światło otaczającą część środkową tej powierzchni o średnicy w zakresie od 1,2 do 0,6 średnicy pierwszej powierzchni płaskiej. Korzystnym jest, jeżeli kąt pochylenia tworzącej powierzchni stożkowej w soczewce wypukłopłaskiej względem osi optycznej wynosi od 50 do 70. W korzystnym wykonaniu układu, stosunek grubości d 1 soczewki wypukło-płaskiej do promienia R 1 pierwszej powierzchni wypukłej wynosi od 0,46 do 0,86, stosunek grubości d 3 soczewki płaskowypukłej do promienia R 4 drugiej powierzchni wypukłej wynosi od 0,30 do 0,70, a stosunek promienia R 1 pierwszej powierzchni wypukłej do promienia R 4 drugiej powierzchni wypukłej wynosi od 0,7 do 1,3. Współczynnik załamania światła szkła optycznego o radialnym parabolicznym rozkładzie współczynnika załamania można wyrazić następującym wzorem: n(r) = n 0 + a r 2, gdzie: n 0 jest osiowym współczynnikiem załamania, mierzonym na osi optycznej, a jest radialnym współczynnikiem gradientu parabolicznego, r jest względną odległością radialną od osi optycznej. Dzięki dobranej geometrii sferycznych powierzchni wypukłych oraz odległości między tymi powierzchniami z uwzględnieniem zmiennego współczynnika załamania szkła optycznego o radialnym parabolicznym rozkładzie współczynnika załamania, uzyskano obraz powierzchni świecącej diody między soczewkami, nadanie wiązce wychodzącej równomiernego rozkładu o dużej koncentracji energii świetlnej, oraz ograniczenie zjawiska fantomowego. Od diody emitującej światło, wymaga się dużej koncentracji światła w stosunkowo wąskim bryłowym kącie rozsyłu, na przykład o połówkowym kącie płaskim ±15. W przekształcaniu wiązki światła emitowanego przez diodę biorą udział zarówno skrajne przeciwległe powierzchnie sferyczne układu optycznego jak i zmienny współczynnik załamania szkła. Światło słoneczne, w przybliżeniu w postaci wiązki równoległej, jest zatrzymywane na powierzchni części stożkowej soczewki wypukło-płaskiej, zwłaszcza matowej, lub na przesłonie. Funkcję przesłony może także pełnić matowy pierścień lub pierścieniowa warstwa nie przepuszczająca światła na drugiej powierzchni płaskiej. Światło resztkowe, które przedostaje się do soczewki wypukło-płaskiej, w drodze powrotnej nie jest widoczne, a to oznacza, że tak wykonany układ optyczny zapobiega powstawaniu widocznego zjawiska fantomowego. Zastosowanie szkła optycznego o zmiennym współczynniku załamania pozwala na wykonanie prostego i zwartego układu zastępującego dotychczas stosowane bardziej skomplikowane układy optyczne, bez potrzeby wprowadzania asferyzacji drugiego stopnia. Radialny współczynnik gradientu parabolicznego jest uzyskiwany w procesie wytwarzania materiału na soczewki. Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia hybrydowy układ optyczny do rozsyłu światła z tablicy znaków drogowych o zmiennej treści w widoku z boku, fig. 2 przedstawia schematycznie przebieg wiązki światła w układzie z fig. 1, a fig. 3 przedstawia schematycznie przebieg wiązki światła w układzie bez oddzielnej przesłony. Jak przedstawiono na fig. 1, hybrydowy układ optyczny do rozsyłu światła z tablicy znaków drogowych o zmiennej treści jest wyposażony w układ dwóch soczewek kształtujących wiązkę światła emitowanego przez diodę LED, usytuowaną w osi optycznej hybrydowego układu optycznego. Układ zawiera soczewkę wypukło-płaska A z pierwszą powierzchnią wypukłą 1 o promieniu R 1 zwróconą w kierunku emitera 0 diody, oraz soczewkę płasko-wypukłą B z drugą powierzchnią wypukłą 4 o promieniu R 4 zwróconą na zewnątrz układu. Soczewka wypukło-płaska A ma powierzchnię boczną w kształcie walcowo-stożkowym, a jej część stożkowa jest zakończona pierwszą powierzchnią płaską 2 usytuowaną od strony drugiej powierzchni płaskiej 3 należącej do soczewki płasko-wypukłej B. Powierzchnie wypukłe 1, 4 soczewek mają kształt sferyczny. Ponadto soczewki A, B są wykonane ze szkła optycznego o radialnym parabolicznym rozkładzie współczynnika załamania, przy czym osiowy współczynnik załamania n 0 w obu soczewkach wynosi od 1,5 do 1,8, zaś radialny współczynnik gradientu parabolicznego szkła optycznego wynosi od -0.03 do -0.01. Radialny współczynnik gradientu parabolicznego jest uzyskiwany technologicznie w procesie wytwarzania materiału na soczewki. Rozkład tego współczynnika jest uwzględniany przy obróbce soczewek. Pomiędzy pierwszą powierzchnią płaską 2 a drugą powierzchnią płaską 3 jest umieszczona przesłona S z otworem o średnicy w zakresie od 1,2 do 0,6 średnicy pierwszej powierzchni płaskiej 2. Odległość d 0 emitera 0 od pierwszej powierzchni wypukłej 1 została dobrana odpowiednio do kąta bryłowego rozsyłu światła tak, że emitowana przez diodę wiązka światła pada równomiernie na pierwszą powierzchnię wypukłą 1. Odległość d 2 pomiędzy powierzchniami płaskimi soczewek została dobrana odpowiednio do kąta pochylenia
4 PL 219 112 B1 tworzącej powierzchni stożkowej w soczewce wypukło-płaskiej A. Średnica 1 części walcowej soczewki wypukło-płaskiej A jest równa średnicy 3 soczewki płasko-wypukłej B. Pozostałe parametry układu zostały dobrane zgodnie z następującymi założeniami: kąt pochylenia tworzącej powierzchni stożkowej w soczewce wypukło-płaskiej A względem osi optycznej wynosi od 50 do 70 ; stosunek grubości d 1 soczewki wypukło-płaskiej A do promienia R 1 pierwszej powierzchni wypukłej 1 wynosi od 0,46 do 0,86; stosunek grubości d3 soczewki płasko-wypukłej B do promienia R 4 drugiej powierzchni wypukłej 4 wynosi od 0,30 do 0,70; stosunek promienia R 1 pierwszej powierzchni wypukłej 1 do promienia R 4 drugiej powierzchni wypukłej 4 wynosi od 0,7 do 1,3. Jak przedstawiono na fig. 2, dzięki dobranej geometrii sferycznych powierzchni wypukłych oraz odległości między tymi powierzchniami z uwzględnieniem zmiennego współczynnika załamania szkła optycznego o radialnym parabolicznym rozkładzie współczynnika załamania, między soczewkami A, B powstaje obraz pośredni emitera 0 widoczny jako obraz powierzchni świecącej diody, zaś wiązka wychodząca uzyskuje równomierny rozkład o dużej koncentracji energii świetlnej. W przekształcaniu wiązki światła emitowanego przez diodę biorą udział zarówno skrajne przeciwległe powierzchnie sferyczne soczewek A, B, jak i zmienny współczynnik załamania szkła. Tak wykonany układ zapobiega powstawaniu widocznego zjawiska fantomowego. Światło słoneczne, w przybliżeniu w postaci wiązki równoległej, jest zatrzymywane na przesłonie S. Światło resztkowe, które przechodzi przez otwór w przesłonie S, w drodze powrotnej nie jest widoczne, co oznacza w praktyce wyeliminowanie efektu fantomowego. Jak przedstawiono na fig. 3, w przypadku wykonania układu z fig. 1 bez oddzielnej przesłony, działanie układu jest analogiczne pod względem przebiegu emitowanej wiązki światła. Między soczewkami powstaje pośredni obraz emitera 0 oraz następuje podobne końcowe ukształtowanie wiązki wyjściowej. Natomiast zatrzymywanie światła słonecznego następuje na powierzchni części stożkowej soczewki wypukło-wklęsłej A, co w znacznym stopniu ogranicza powstawanie zjawiska fantomowego. Powierzchnia stożkowa soczewki wypukło-wklęsłej A może być także wykonana jako matowa lub pokryta warstwą nie przepuszczającą światła. W układzie przedstawionym na fig. 3, funkcję przesłony może pełnić druga powierzchnia płaska 3 z odpowiednio naniesioną pierścieniową warstwą nie przepuszczającą światła, otaczającą część środkową tej powierzchni o średnicy w zakresie od 1,2 do 0,6 średnicy pierwszej powierzchni płaskiej 2. Warstwa nie przepuszczająca światła może być wykonana przez naniesienie powłoki lakierniczej. Podobną funkcję może spełniać matowy pierścień o tych samych wymiarach, uzyskany przez odpowiednią obróbkę drugiej powierzchni płaskiej 3. W układzie bez oddzielnej przesłony obie soczewki mogą się stykać powierzchniami płaskimi. Wówczas odległość d2 miedzy soczewkami jest równa 0. Dane konstrukcyjne przykładowego hybrydowego układu optycznego pojedynczego elementu tablicy znaków drogowych o zmiennej treści, z diodą LED o wąskim bryłowym kącie rozsyłu światła, są następujące: R 1 = 14,0 mm R 4 = -14,0 mm d 0 = 14 mm d 1 = 9,3 mm d 2 = 0,7 mm d 3 = 7,0 mm n 0 = 1,635 w obu soczewkach a = -0,02 w obu soczewkach 1 = 3 = 10 mm Połówkowy kąt płaski rozsyłu światła diody jest równy 15, stosunek grubości d 1 soczewki wypukło-płaskiej A do promienia R 1 jej powierzchni wypukłej wynosi 0,66, stosunek grubości soczewki płasko-wypukłej B do promienia R 2 drugiej powierzchni wypukłej wynosi 0,50, kąt pochylenia powierzchni tworzącej stożka w soczewce wypukło-płaskiej (A) względem osi optycznej wynosi co najmniej 60, zaś połówkowy kąt płaski rozsyłu światła na wyjściu układu mierzony na drugiej powierzchni płaskiej 4 jest równy 10. Dioda LED wchodząca w skład układu powinna charakteryzować się dużą koncentracją światła w wąskim stosunkowo bryłowym kącie rozsyłu. Diody emitujące światło mogą występować w czterech wersjach kolorowych w zależności od potrzeb.
PL 219 112 B1 5 Zastrzeżenia patentowe 1. Hybrydowy układ optyczny do rozsyłu światła z tablicy znaków drogowych o zmiennej treści, wyposażony w układ dwóch soczewek kształtujących wiązkę światła emitowanego przez diodę LED usytuowaną w osi optycznej układu, znamienny tym, że składa się z soczewki wypukło-płaskiej (A) z pierwszą powierzchnią wypukłą (1) zwróconą w kierunku emitera (0) diody LED, oraz soczewki płasko-wypukłej (B) z drugą powierzchnią wypukłą (4) zwróconą na zewnątrz układu, przy czym soczewka wypukło-płaska (A) ma pobocznicę w kształcie walcowo-stożkowym, a jej część stożkowa jest zakończona pierwszą powierzchnią płaską (2) usytuowaną od strony drugiej powierzchni płaskiej (3) należącej do soczewki płasko-wypukłej (B), zaś powierzchnie wypukłe (1, 4) soczewek (A, B) mają kształt sferyczny, a ponadto soczewki (A, B) są wykonane ze szkła optycznego o radialnym parabolicznym rozkładzie współczynnika załamania, przy czym osiowy współczynnik załamania no w obu soczewkach wynosi od 1,5 do 1,8, zaś radialny współczynnik gradientu parabolicznego szkła optycznego wynosi od -0,03 do -0,01. 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiędzy pierwszą powierzchnią płaską (2) a drugą powierzchnią płaską (3) jest umieszczona przesłona (S) z otworem o średnicy w zakresie od 1,2 do 0,6 średnicy pierwszej powierzchni płaskiej (2). 3. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że część stożkowa soczewki wypukło-płaskiej (A) ma matową powierzchnię boczną. 4. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że część stożkowa soczewki wypukło-płaskiej (A) ma powierzchnię boczną pokrytą warstwą nie przepuszczającą światła. 5. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że soczewka płasko-wypukła (B) ma na drugiej powierzchni płaskiej (3) matowy pierścień otaczający część środkową tej powierzchni o średnicy w zakresie od 1,2 do 0,6 średnicy pierwszej powierzchni płaskiej (2). 6. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że soczewka płasko-wypukła (B) ma na drugiej powierzchni płaskiej (3) pierścieniową warstwę nie przepuszczającą światło, otaczającą część środkową tej powierzchni o średnicy w zakresie od 1,2 do 0,6 średnicy pierwszej powierzchni płaskiej (2). 7. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że kąt pochylenia tworzącej powierzchni stożkowej w soczewce wypukło-płaskiej (A) względem osi optycznej wynosi od 50 do 70. 8. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że stosunek grubości d 1 soczewki wypukło-płaskiej (A) do promienia R 1 pierwszej powierzchni wypukłej (1) wynosi od 0,46 do 0,86, stosunek grubości d 3 soczewki płasko-wypukłej (B) do promienia R 4 drugiej powierzchni wypukłej (4) wynosi od 0,30 do 0,70, stosunek promienia R 1 pierwszej powierzchni wypukłej (1) do promienia R 4 drugiej powierzchni wypukłej (4) wynosi od 0,7 do 1,3.
6 PL 219 112 B1 Rysunki Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)