CZ306888B6 - Světlovodicí modul - Google Patents

Abstract

Světlovodicí modul sestává z lineárního kolimátoru (1), zhotoveného z opticky transparentního materiálu, z toroidní čočky (2), zhotovené z opticky transparentního materiálu, a ze zdroje světla (3), přičemž toroidní čočka (2) je umístěna mezi lineárním kolimátorem (1) deskového tvaru, na jehož výstupu jsou rozptylné elementy (15), a zdrojem světla (3), přičemž světlovyzařující část (32) zdroje světla (3) je přivrácená k vstupní ploše (21) toroidní čočky (2) a výstupní plocha (22) toroidní čočky (2) je přivrácená k vstupním plochám (11, 12) lineárního kolimátoru (1). Zdroj světla (3) je výhodně světlo vyzařující dioda a toroidní čočka (2) je čočka Fresnelova typu.

Description

Vynález se týká konstrukce světlovodicího modulu určeného zejména pro zadní a přední signální svítilny a zpětný světlomet motorových vozidel provozovaných na pozemních komunikacích.

Dosavadní stav techniky

Signální svítilny obsahují různé druhy optických systémů, které kolimují světelný svazek vyzařovaný zdrojem světla a následně provádí distribuci světla do směrů požadovanými mezinárodními předpisy. Mezi široce používané kolimační způsoby patří kolimace pomocí parabolického reflektoru, kolimace pomocí spojné čočky a kolimace pomocí spojné čočky fresnelovského typu. V poslední době, spojené s používáním světlo vyzařujících diod (anglická zkratka LED), se využívá pro kolimaci světla i rotační kolimátor, v němž je světelný svazek kolimován střední vstupní plochou tvořenou spojnou čočkou a krajními vstupními plochami pracujícími na základě principu totálního odrazu světla. Rotační kolimátory jsou součástí optických modulů, které ještě mimo zmíněného kolimátoru obsahují i rozptylné elementy potřebné k distribuci kolimovaného světelného svazku do směrů požadovanými mezinárodními předpisy. Rotační kolimátory se využívají v kombinaci se světlovyzařujícími diodami, které mají širokou vyzařovací charakteristiku.

Aby bylo dosaženo požadované účinnosti, nezbytné k dosažení hodnot svítivosti požadované mezinárodními předpisy, je nutné, aby těleso rotačního kolimátoru mělo velkou tloušťku (mnohem větší než 2 až 3 mm, což jsou standardní tloušťky plastových výlisků používaných ve světelné technice pro automobily). Velká tloušťka kolimátoru následně vede k vysoké ceně výlisku, k vysoké ceně formy a také k výrobním problémům, které jsou spojené s lisováním tlustostěnných plastových výlisků. Pokud je nutné z výrobních důvodů zmenšit tloušťku výlisku, je toho dosaženo tím, že se odebere část kolimační plochy kolimátoru, což nutně vede ke snížení účinnosti optického modulu.

Pro použití v signálních svítilnách je výhodné z konstrukčních a výrobních důvodů, aby rozměr kolimátoru byl v jednom směru podstatně větší než ve druhém směru, na něj kolmém.

Podstata vynálezu

Cílem vynálezu světlovodicího moduluje:

a) dosažení hodnot svítivosti požadovanými mezinárodními předpisy pro signální funkce na předních a zadních signálních svítilnách,

b) použití světelných zdrojů se širokou vyzařovací charakteristikou,

c) použití plastových dílů, jejichž tloušťka bude podstatně menší, než je tloušťka plastových dílů obsahujících úplný rotační kolimátor a

d) dosažení celistvé a homogenní plochy výstupu světla.

Výše uvedených cílů je dosaženo světlovodicím modulem, sestávajícím z lineárního kolimátoru, zhotoveného z opticky transparentního materiálu, z toroidní čočky, zhotovené z opticky transparentního materiálu a zdroje světla, podle tohoto vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že toroidní čočka je umístěna mezi lineárním kolimátorem deskového tvaru, na jehož výstupu jsou rozptylné elementy, a zdrojem světla, přičemž světlovyzařující část zdroje světla je přivrácená

- 1 CZ 306888 B6 k vstupní ploše toroidní čočky a výstupní plocha toroidní čočky je přivrácená k vstupním plochám lineárního kolimátoru.

Podstatou světlovodicího modulu je dále to, že zdroj světla je světlo vyzařující dioda, a že toroidní čočka je čočka Fresnelova typu, která je součástí zdroje světla.

Ve výhodném provedení pak lineární kolimátor a toroidní čočka tvoří jeden díl.

Za podstatné je nutné dále považovat i to, že světlovodicí modul obsahuje alespoň jednu další toroidní čočku a alespoň jeden další lineární kolimátor, přičemž toroidní čočky spolu tvoří jeden díl a lineární kolimátory spolu tvoří další jeden díl (5).

Ve výhodném provedení pak dvě či více toroidních čoček a dva či více lineárních kolimátorů spolu tvoří jeden společný díl.

Konečně je třeba za podstatné pro světlovodicí modul podle tohoto vynálezu považovat i to, že rozptylné elementy lineárního kolimátoru jsou upraveny buď na výstupní ploše lineárního kolimátoru, nebo na přídavné optické desce a jsou vytvořeny jako optické elementy konvexního nebo konkávního tvaru.

Ve světlovodicím modulu, který je předmětem tohoto vynálezu, je světlo vycházející ze zdroje kolimováno nejprve toroidní čočkou a následně lineárním kolimátorem. Díky kombinaci těchto dvou dílů je možné podstatně snížit tloušťku kolimátoru na hodnotu z intervalu 5 až 6 mm. Lineární kolimátor je deskového tvaru zhotovený z opticky transparentního materiálu. Toroidní čočka je rovněž zhotovena z opticky transparentního materiálu. Současné koncepty signálních svítilen, které využívají ke kolimaci světla kolimátory, neobsahují kolimačni toroidní čočku.

Na výstupní ploše lineárního kolimátoru jsou rozptylné optické elementy, které rozptylují kolimované světlo, provádí distribuci světla do směrů požadovaných mezinárodními předpisy a zároveň slouží k dosažení celistvé a homogenní plochy výstupu světla. Tyto rozptylné elementy tvoří svíticí plochu. Optický modul je umístěn v signálních svítilnách či světlometech v prostoru vymezeném tělesem a krycím sklem.

Světlovodicí modul, který je předmětem vynálezu, lze široce využít pro jednotlivé signální funkce v signálních svítilnách a světlometech. Signální funkce může být tvořena jedním světlovodicím modulem nebo více těmito moduly v závislosti na požadovaném tvaru a velikosti výstupní plochy, na hodnotě světelného toku použitých zdrojů světla, nebo na počtu použitých zdrojů světla. Pomocí světlovodicích modulů lze dosahovat atraktivních tvarů signálních funkcí.

Jako zdroje světlaje v první řadě uvažována světlo vyzařující dioda, které mají krátkou reakční dobu, vysokou životnost a umožňují dosahovat různých tvarů výstupních svíticích ploch.

Objasnění výkresů

Na obr. 1 jsou znázorněny dva izometrické pohledy na známé rotační kolimátory.

Na obr. 2a, 2b, 2c jsou znázorněny izometrické pohledy na zdroj světla, seříznutý rotační kolimátor a kombinaci lineárního kolimátoru s toroidní čočkou.

Obr. 3 ukazuje vyzařovací charakteristiku světlovyzařující diody (konkrétně je zde ukázán graf pro světlovyzařující diodu LAE6SF vyráběnou firmou Osram).

Na obr. 4 je znázorněn izometrický pohled na světlovodicí modul, a na obr. 5 je znázorněn izometrický pohled na toroidní čočku a světelný svazek po průchodu toroidní čočkou.

-2CZ 306888 B6

Na obr. 6 je řez světlovodicím modulem se svíticí hranou rovinou XZ, na obr. 7 je řez světlovodicím modulem se svíticí hranou rovinou XY, a na obr. 8 je znázorněn izometrický pohled a řez světlovodicím modulem, kdy toroidní čoěka a zdroj světla jsou umístěny na desce plošného spoje.

Na obr. 9 je znázorněn izometrický pohled na možný optický systém tvořený více světlovodicími moduly, kdy šest lineárních kolimátoru tvoří jeden společný díl.

Na obr. 10 je znázorněn izometrický pohled na možné uspořádání části signální svítilny s využitím více světlovodicích modulů a na obr. 11 je znázorněn izometrický pohled na možné uspořádání světlovodicího modulu, kdy lineární kolimátor a toroidní čočka tvoří jeden společný díl.

Na obr. 12 je znázorněn izometrický pohled na možné uspořádání části signální svítilny tvořené více světlovodicími moduly, kdy šest lineárních kolimátorů a šest toroidních čoček tvoří jeden společný díl.

Na obr. 13 je pak znázorněn izometrický pohled na toroidní čočku, kdy profil toroidní čočky je fresnelovského typu.

Na obr. 14 je znázorněn izometrický pohled na možné uspořádání části signální svítilny tvořené více světlovodicími moduly, kdy šest lineárních kolimátorů tvoří jeden díl a šest toroidních čoček tvoří jeden další díl.

Na obr. 15 je pak znázorněn izometrický pohled na světlovodicí modul, kdy rozptylné elementy jsou upraveny na samostatném dílu.

Příklady uskutečnění vynálezu

Známé rotační kolimátory jsou pro názornost a lepší pochopení podstaty nově navrhované konstrukce znázorněny na obr. 1.

Rozdíl v účinnosti při použití rotačního kolimátoru a světlovodicího modulu, který je předmětem vynálezu, je znázorněn na obr. 2a, 2b, 2c. Světelný zdroj vyzařuje světlo do výseče tvaru kužele. Na obr. 2a je zobrazen zdroj světla 3 a kužel světla vycházející ze zdroje světla 3. Na obr. 2b je zobrazen zdroj světla 3, seříznutý rotační kolimátor 8 a část kužele světla vycházející ze zdroje světla 3, který nebyl kolimován rotačním kolimátorem 8 a je to tedy nevyužité světlo. Na obr. 2c je zobrazen zdroj světla 3, lineární kolimátor 1, toroidní čočka 2 a část kužele světla vycházející ze zdroje světla 3, který nebyl kolimován kombinací toroidní čočky 2 a lineárního kolimátoru 1 a je to tedy nevyužité světlo. Nevyužitá část světlaje na obr. 2c podstatně menší než na obr. 2b, kombinace lineárního kolimátoru 1 a toroidní čočky 2 má tedy větší účinnost v případě, že rotační kolimátor 8 je z velké části seříznut z obou stran a má po seříznutí stejnou tloušťku jako lineární kolimátor J. Přínosem vynálezu je zmenšení tloušťky kolimátoru při zachování účinnosti optického systému díky zařazení toroidní čočky 2.

Světelný zdroj vyzařuje světlo do určitého prostorového úhlu. Intenzita světla vyzářená zdrojem světla 3 je daná vyzařovací charakteristikou. Na obr. 3 je ukázán příklad široké vyzařovací charakteristiky světlovyzařující diody LAE6SF od firmy Osram. Tato vyzařovací charakteristika zdroje udává intenzitu světla v závislosti na úhlu, který svírá pomyslný světelný paprsek s osou světelného zdroje. Aby bylo dosaženo cíle vynálezu, je třeba světlo vyzářené světelným zdrojem nejdříve kolimovat, tj. světelné paprsky se budou šířit ve směru optické osy systému nebo ve

-3 CZ 306888 B6 směru blízkém směru optické osy, a následně ho rozptýlit do směrů požadovanými mezinárodními předpisy pro signální funkce.

Na obr. 4 je znázorněn světlovodicí modul, který se skládá z lineárního kolimátoru 1, toroidní čočky 2 a zdroje světla 3. Lineární kolimátor 1 je tvořen tažením profilu kolimátoru složeném z křivek 110, 120, 130 ve směru kolmém k rovině tvořené křivkami 110, 120, 130. Lineární kolimátor 1 je tedy deskového tvaru. Na konci lineárního kolimátoru 1 je výstupní plocha 14, která je tvořena rozptylnými elementy 15 konvexního nebo konkávního tvaru.

Na obr. 5 je toroidní čočka 2 tvořená profilem spojné čočky 23 rotovaným okolo osy Z, která prochází optickým středem 31 zdroje světla 3. Do toroidní čočky 2 vstupuje majoritní část světla emitovaná zdrojem světla 3. Toroidní čočka 2 usměrňuje světlo tak, že v jakékoli rovině XjZ, která vznikla rotací roviny XZ okolo osy Z, je výstupní světelný svazek po průchodu toroidní čočkou 2 rovnoběžný s rovinou XY nebo má malou úhlovou odchylku od roviny XY. Výslednou stopu světelného svazku znázorňuje plocha 24.

Na obr. 6 vchází světelný svazek kolimovaný toroidní čočkou 2 do vstupní plochy 11 lineárního kolimátoru L Vstupní plocha 11 je tvořena tažením křivky 110 ve směru kolmém k rovině tvořené křivkami 110, 120, 130. V řezu znázorněném na obr. 6 je vstupní plocha 11 zobrazena jako křivka. Po interakci se vstupní plochou 11 leží stále všechny paprsky v rovinách, které jsou rovnoběžné s rovinou XY nebo tyto roviny svírají s rovinou XY jen velmi malý úhel. Světlo zůstává uvnitř kolimátoru z důvodu splnění podmínky pro totální vnitřní odraz na plochách 16,17. Světlo opouští kolimátor 1 výstupní plochou 14, která obsahuje rozptylné elementy 15 rozptylující světlo do směrů požadovaných mezinárodními předpisy.

V řezu světlovodicím modulem znázorněném na obr. 7 světelný svazek vchází do vstupních ploch H, 12 lineárního kolimátoru 1. Plochy 12 a 13 jsou tvořeny tažením křivek 120 a 130 ve směru kolmém k rovině tvořené křivkami 110, 120, 130. Tvar křivek 12 a 13 v rovině XY je dán podmínkou totálního odrazu světelného paprsku. Pro plochy 12 a 13 musí platit, že jakýkoliv světelný paprsek, který je vyzářen zdrojem světla 3 a projde následně plochou 12, na které dochází k lomu paprsku podle Snellova zákona lomu, se musí odrazit od plochy 13, neboli musí být splněna podmínka pro totální odraz a úhel a, který svírá paprsek s normálou IN k ploše 13 musí být větší než limitní úhel pro totální odraz. Samozřejmě to lze splnit pouze v případě že lineární kolimátor Ije vyroben z materiálu o indexu lomu větším než je index lomu prostředí, v němž je lineární kolimátor 1 umístěn. Protože se jedná o signální svítilny, ve kterých je uvnitř vzduch a lineární kolimátor 1 je vyroben z opticky transparentního plastu o indexu lomu větším, než je vzduch, tak tato podmínka je splněna. Světlo opouští kolimátor 1 výstupní plochou 14, která obsahuje rozptylné elementy 15 rozptylující světlo do směrů požadovaných mezinárodními předpisy.

Na obr. 8 je ukázán příklad provedení světlovodicího modulu, kdy zdrojem světla 3 je světlovyzařující dioda. Zdroj světla 3 je umístěn na desce plošného spoje 3A. Světlovyzařující část 32 zdroje světla 3 je přivrácená k vstupní ploše 21 toroidní čočky 2. K desce plošného spoje 3A je rovněž přichycena toroidní čočka 2.

Pokud je nutné použít u funkce signální svítilny více světlovodicích modulů, tak je možné spojit jednotlivé prvky světlovodicích modulů do jednoho dílu. Obr. 9 ukazuje provedení funkce signální svítilny složené z šesti světlovodicích modulů, kdy šest lineárních kolimátorů 1 tvoří jeden díl 5, dále pak je funkce signální svítilny tvořena 6-ti toroidními čočkami 2 a 6-ti zdroji světla 3. Jako zdroj světla 3 jsou opět použity světlovyzařující diody umístěny na jedné desce plošného spoje 3A.

Na obr. 10 je pohled na provedení funkce signální svítilny složené z více světlovodicích modulů. Skupina lineárních kolimátorů 1 je spojena v jeden díl 5. Provedení dále obsahuje skupinu toroidních čoček 2 a zdrojů světla 3 tvořených světlovodicími diodami. Na rozdíl od provedení na

-4CZ 306888 B6 obr. 9 nejsou světlovodicí diody umístěny na jedné desce s plošnými spoji, ale na více deskách. Díl 5 je prostorového charakteru, což ukazuje, že vynález lze použít pro různé tvary signálních funkcí.

Na obr. 11 je pohled na provedení světlovodicího modulu. Lineární kolimátor 1 a toroidní čočka 2 jsou spojeny v jeden díl 4.

Na obr. 12 je pohled na provedení funkce signální svítilny složené z více světlovodicích modulů. Skupina lineárních kolimátorů 1 a toroidních čoček 2 je spojena v jeden díl 4A.

Obr. 13 ukazuje izometrický pohled na toroidní čočku 2A, pokud profil toroidní čočky 2A je fresnelovského typu 2A1.

Na obr. 14 je pohled na provedení funkce signální svítilny složené z více světlovodicích modulů. Skupina lineárních kolimátorů 1 je spojena v jeden díl 5. Skupina toroidních čoček 2 je spojena v jeden díl 6.

Na obr. 15 je znázorněn světlovodicí modul, který se skládá z lineárního kolimátorů 1, toroidní čočky 2 a zdroje světla 3. Výstupní plocha lineárního kolimátorů 14 je tvořena jednou plochou. Rozptylné elementy 15 jsou umístěny na samostatném dílu j_0.

Průmyslová využitelnost

Světlovodicí modul lze využít v dopravní technice pro konstrukci a výrobu signálních svítilen a skupinových signálních svítilen netradičního vzhledu. Optický systém, který je předmětem tohoto vynálezu, lze použít pro všechny signální funkce používané v zadních signálních svítilnách a světlometech, tj. pro ukazatele směru, brzdové světlo, koncové světlo, zpětný světlomet, zadní mlhové světlo, přední obrysové světlo, denní světlo. Světlovodicí modul umožňuje využití světlovyzařujících diod.

Claims (9)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Světlovodicí modul, sestávající z lineárního kolimátorů (1), zhotoveného z opticky transparentního materiálu, z toroidní čočky (2), zhotovené z opticky transparentního materiálu, a zdroje světla (3), vyznačující se tím, že toroidní čočka (2) je umístěna mezi lineárním kolimátorem (1) deskového tvaru, na jehož výstupu jsou rozptylné elementy (15), a zdrojem světla (3), přičemž světlovyzařující část (32) zdroje světla (3) je přivrácená k vstupní ploše (21) toroidní čočky (2) a výstupní plocha (22) toroidní čočky (2) je přivrácená k vstupním plochám (11), (12) lineárního kolimátorů (1).
2. 2. Světlovodicí modul podle nároku 1, vyznačující se tím, že zdroj světla (3) je světlo vyzařující dioda.
3. 3. Světlovodicí modul podle nároku 1, vyznačující se tím, že toroidní čočkou (2) je čočka Fresnelova typu.
4. 4. Světlovodicí modul podle alespoň jednoho z nároků laž3, vyznačující se tím, že toroidní čočka (2) je součástí zdroje světla (3).

   -5CZ 306888 B6
5. 5. Světlovodicí modul podle alespoň jednoho z nároků laž4, vyznačující se tím, že lineární kolimátor (1) a toroidní čočka (2) tvoří jeden díl (4).
6. 6. Světlovodicí modul podle alespoň jednoho z nároků laž4, vyznačující se tím, že obsahuje alespoň jednu další toroidní čočku (2) a alespoň jeden další lineární kolimátor (1), přičemž toroidní čočky (2) spolu tvoří jeden díl (6) a lineární kolimátory (1) spolu tvoří jeden díl (5)·
7. 7. Světlovodicí modul podle alespoň jednoho z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že dvě či více toroidních čoček (2) a dva či více lineárních kolimátorů (1) spolu tvoří jeden díl (4A).
8. 8. Světlovodicí modul podle alespoň jednoho z nároků laž7, vyznačující se tím, že rozptylné elementy (15) lineárního kolimátorů (1) jsou upraveny buď na výstupní ploše (14) lineárního kolimátorů (1), nebo na přídavné optické desce (10).
9. 9. Světlovodicí modul podle alespoň jednoho z nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že rozptylnými elementy (15) jsou optické elementy konvexního nebo konkávního tvaru.