ЛАМПА
LIGHT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к лампе (например, устройству световой сигнализации), содержащей:
основной световод; и
источник света (например, светоизлучающий диод (LED)).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Лампа может быть использована, например, для уличных светофоров, которые размещаются на местах соединения дорог, перекрестках, пешеходных переходах, различных поверхностях транспортного средства (например, транспортных средств с резиновой шиной, гусеничных транспортных средств и рельсовых транспортных средств) и других местах, где требуется управление дорожным движением. Для регулирования дорожного движения лампа может выдавать сигналы посредством универсальных цветовых кодов.
До развития технологии LED, уличные светофоры изготавливали с использованием ламп накаливания и/или галогеновых ламп. В уличных светофорах с лампами накаливания и галогеновыми лампами используются яркие отражающие поверхности, которые направляют свет в соответствии с любыми требуемыми углами. Кроме того, для получения равномерной интенсивности на передней поверхности светофора, источник света должен быть расположен на некотором расстоянии от линзы. По этой причине светофоры изготавливались с большей глубиной и большими размерами. Кроме того, вследствие используемых отражающих поверхностей, солнечные лучи могут отражаться обратно и уменьшать коэффициент контрастности.
LED, которые были предложены для использования с развитием полупроводниковой технологии, начали выдавать такую же интенсивность света, как и обычные источники света, используя значительно меньше энергии. Кроме того, их малый размер, более длительный срок службы и низкая стоимость обеспечивают их более эффективное использование по сравнению с обычными лампами.
Более тонкую конструкцию можно получить посредством использования большого количества маломощных LED, размещенных прямо на передней поверхности светофора, чтобы отображать информацию в уличных светофорах. Однако для того чтобы LED стали менее подверженными влиянию внешних условий и достигли требуемых углов, цветов, интенсивности и контрастности, более целесообразно использовать LED совместно с линзами или группой линз с защитными и оптическими элементами.
При применении LED высокой мощности, уменьшенное количество LED размещали в фокальной плоскости линзы Френеля. Таким образом, становится возможным собирать интенсивность от фокальной плоскости в виде параллельных световых пучков от каждого отдельного LED, при этом общее количество света находится в пределах острого угла с осью линзы Френеля. С другой стороны, как и в случае галогеновых ламп и ламп накаливания, светофоры также получались с большей глубиной и большими размерами. Перед линзой Френеля может быть использована наружная линза, которая распределяет параллельные световые пучки по соответствующим углам. Лучи, проходя через поверхности двух разных линз, в результате отражения на каждой поверхности утрачивают в некоторой степени свою эффективность.
Используемая линза Френеля не способна собирать свет с достаточной эффективностью и не способна обеспечивать параллельные световые пучки требуемым способом. Поэтому, например, как в патенте US2005/0286145 А1, для каждого угла излучения образованы соответствующие геометрические элементы.
В уличных светофорах, которые работают непосредственно при солнечном свете, может потребоваться уменьшить обратное отражение солнечного света, чтобы увеличить величину контрастности.
Для увеличения контрастности может быть также полезно использовать цветные линзы. Линза может быть изготовлена с таким же цветом, как и цвет излучения, тем самым обеспечивая поглощение линзой других цветов солнечного цветового спектра. Источники излучения, которые не являются монохроматическими, имеют некоторый диапазон длин волн. Создать цветную линзу без оптического поглощения в диапазоне длин волн источника света достаточно трудно. Поэтому при применениях цветных линз значительная часть энергии источника света может теряться вследствие поглощения.
Кроме того, цветные линзы могут отсвечивать своими собственными цветами под действием сильного солнечного света и это может вводить водителей в заблуждение.
На поверхности линзы могут быть также использованы противоотражающие покрытия. Хотя в расчетном диапазоне длин волн таким способом получены удовлетворительные результаты, для солнечного света, имеющего широкий спектральный диапазон и широкий диапазон углов падения, эффективные результаты получить невозможно. Для более широкого диапазона длин волн нужно использовать многослойные покрытия, однако данный способ является довольно дорогим. Покрытия также подвергаются воздействию погодных условий и со временем могут начинать отслаиваться от поверхности линзы и утрачивать свою эффективность.
В патенте US 8152339 В2 применяется световодная структура на круглой поверхности, при этом источник излучения расположен в центре световода, и перед световодом используется вспомогательная линза. Кроме того, в упомянутом патенте круглая поверхность освещается одним источником излучения из боковой поверхности. При этом в данном способе, для обеспечения равномерности излучения требуется вспомогательная линза перед световодом, и обеспечить достаточно равномерное освещение поверхности светом, излучаемым из одного источника, невозможно.
Кроме того, в патентах US 5303322 и US 5050946 световодная структура прикладывается к разным четырехгранным поверхностям.
Для обеспечения равномерной интенсивности уличные светофоры изготавливают с большей глубиной и большими размерами. Может быть предпочтительно создавать более тонкие комбинации линз и источников света для светофора при одновременном обеспечении равномерной интенсивности.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является создание усовершенствованной лампы.
Таким образом, создана лампа, содержащая:
основной световод (2); и
источник (1) света;
причем основной световод содержит:
входную сторону (3) световода, выполненную и приспособленную для приема света из источника света и пропускания его в основной световод;
заднюю сторону (6b), снабженную пилообразной структурой (5), содержащей отражающую поверхность (10) для отражения света из упомянутого источника света; и
переднюю сторону (6а), выполненную и приспособленную для внутреннего отражения света, принимаемого из источника света, на заднюю сторону основного световода и передачи света, принимаемого с отражающей поверхности.
Посредством создания пилообразной структуры на задней стороне световода можно изготовить очень компактную лампу.
В соответствии с вариантом осуществления, пилообразная структура может содержать первую и вторую поверхности, и первая поверхность снабжена отражающей поверхностью (10) для отражения света из источника света к передней стороне. Отражение является очень эффективным способом перенаправления света из источника света к упомянутой передней стороне.
В соответствии с другим вариантом осуществления, пилообразная структура может содержать первую и вторую поверхности, и вторая поверхность снабжена светопоглощающей поверхностью (11). Посредством создания светопоглощающей поверхности на пилообразной структуре, любой свет от солнца, который может падать на лампу, может быть поглощен светопоглощающей поверхностью.
В соответствии с вариантом осуществления, вторая поверхность может быть по существу перпендикулярна задней стороне (6b). Таким образом, первая поверхность будет закрывать больше задней стороны отражающими поверхностями, так что не остается участка задней стороны без светоотражающей поверхности.
В соответствии с другим вариантом осуществления, передняя и задняя стороны основного световода могут иметь по существу круглую форму. Источники света могут быть предусмотрены вдоль внешнего периметра круглой лампы.
В соответствии с другим вариантом осуществления, задняя сторона основного световода может иметь по существу коническую форму. Посредством размещения вершины конуса в середине лампы можно гарантировать, что интенсивность света от лампы может быть равномерно распределена по лампе.
В соответствии с другим вариантом осуществления, вокруг источника света может быть предусмотрена светопоглощающая поверхность (4). Таким образом можно уменьшить обратное отражение солнечного света.
В соответствии с вариантом осуществления, между источником света и входной стороной (3) световода может быть предусмотрен вспомогательный световод (12). Вспомогательный световод может быть использован для равномерного перераспределения света.
В соответствии с вариантом осуществления, направление распространения света во вспомогательном световоде по существу перпендикулярно направлению распространения света в основном световоде. Основной световод может распределять свет в первом направлении, а вспомогательный световод может распределять свет во втором направлении.
В соответствии с вариантом осуществления, между источником света и вспомогательным световодом расположена собирающая линза (13) для собирания света источника света. При помощи собирающей линзы может быть собран весь свет из источника света.
В соответствии с вариантом осуществления, между источником света и вспомогательным световодом расположен разделитель (15) для разделения светового пучка на два отдельных пучка. Таким образом, свет может быть распределен на два световода.
В соответствии с вариантом осуществления, во вспомогательном световоде может быть предусмотрен направляющий геометрический элемент (14) для направления света из вспомогательного световода в основной световод. Это может быть необходимо, поскольку направление распространения света во вспомогательном световоде может быть перпендикулярно направлению распространения света в основном световоде.
В соответствии с вариантом осуществления, между основным и вспомогательным световодами могут быть предусмотрены каналы (18) с отражающими стенками для отражения света из вспомогательного световода в основной световод. Отражающая стенка может быть закреплена на основании (19) стенки, которое может быть снабжено поглощающей поверхностью (20) рядом с входом в основной световод. Поглощающая поверхность может минимизировать обратные отражения от солнечного света, проникающего на переднюю сторону.
В соответствии с другим вариантом осуществления, основной световод снабжен механической поглощающей поверхностью (22) для разделения поверхности световода на секции, причем каждая секция имеет отдельный цвет. Это может быть полезно в таких применениях, как задний фонарь автомобиля, в котором необходимо множество цветов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Варианты осуществления будут описаны, только в качестве примера, со ссылкой на прилагаемые схематические чертежи, в которых соответствующие ссылочные позиции обозначают соответствующие детали, и из которых:
Фиг. 1 показывает вид спереди круглой лампы, образованной со световодом, и расположение LED;
Фиг. 2 показывает горизонтальный разрез круглой лампы с плоской передней поверхностью;
Фиг. 3 показывает горизонтальный разрез круглой сигнальной лампы со сферической передней поверхностью;
Фиг. 4 показывает отражение света между направляющими поверхностями и поглощение солнечных лучей на поверхностях, расположенных на нижней поверхности линзы;
Фиг. 5 показывает поглощение солнечных лучей на поверхности, расположенной за LED;
Фиг. 6 показывает вид сзади лампы, снабженной вспомогательным световодом в соответствии с вариантом осуществления;
Фиг. 7 показывает деталь фиг. 6;
Фиг. 8 показывает деталь в соответствии с другим вариантом осуществления;
Фиг. 9 показывает как создать лампу посредством прикрепления линзы к передней панели в соответствии с вариантом осуществления;
Фиг. 10 показывает лампу с поверхностью, разделенной на секции в соответствии с вариантом осуществления; и
Фиг. 11 показывает четырехгранную лампу, разделенную на секции в соответствии с вариантом осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Лампа содержит источник света, например, LED (1) и основной световод (2), который позволяет свету из источника света достигать требуемой интенсивности. Геометрическая структура световода (2) специально приспособлена для сбора и направления света, излучаемого из источника света.
Основной световод содержит входную сторону (3) световода, выполненную и приспособленную для приема света из источника света и пропускания его в основной световод (2). Таким образом, свет входит в световод сбоку, а не с задней стороны световода (фиг. 1). Таким образом, может быть создана лампа с более тонкой и более легкой конструкцией.
Основной световод может содержать заднюю сторону (6b) (см. фиг. 2), снабженную пилообразной структурой (5), содержащей первую поверхность, которая представляет собой отражающую поверхность (10), для отражения света из источника света; и вторую поверхность, которая представляет собой светопоглощающую поверхность (11), для поглощения света, принимаемого спереди. Упомянутая светопоглощающая поверхность может быть перпендикулярна задней стороне 6b. Поскольку в световоде может быть использована пилообразная структура (5), задняя поверхность, если смотреть спереди, может выглядеть как будто бы она покрыта поглощающими поверхностями (11)(см. фиг. 4), тем самым значительно увеличивая величину контрастности. Между световодом (2) и пилообразной структурой (5) предусмотрено пространство, которое может быть клиновидным с узкой вершиной и более широкой нижней частью. Поверхность упомянутого пространства со световодом (2) образует внутреннюю отражающую поверхность (10).
Передняя сторона (6а) основного световода (2) может быть выполнена и приспособлена для внутреннего отражения света, принимаемого из источника света, на заднюю сторону основного световода и передачи света, принимаемого из отражающей поверхности (10) задней стороны (6b).
Основной световод (2) может быть выполнен круглым или другой формы для получения лампы требуемой формы. Задняя сторона основного световода может быть конусообразной.
Направление лучей света внутри световода осуществляется в соответствии с законом полного отражения. В соответствии с данным законом, когда лучи света переходят из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем преломления, они осуществляют полное отражение и остаются в среде с большим показателем преломления, если угол падения больше некоторой величины. Все геометрические элементы в световоде выполнены с углами так, что свет из источника света, например, LED (1), может осуществлять полное отражение в основном световоде (2). После того как свет достигает первой отражающей поверхности (10), он отражается почти перпендикулярно передней стороне (6а), так что свет пересекает переднюю сторону.
В идеале, предполагается, что весь свет отражается под углом, равным углу падения в случаях полного отражения (зеркального отражения); однако свет отражается не под одним углом, а также под другими углами в уменьшенной интенсивностью при отражении света от поверхности (диффузное отражение). В случаях, когда полное отражение отсутствует, часть света проходит на вторую поверхность, а часть его отражается обратно.
Как можно видеть на фиг. 2 и 4, лучи LED (1), проходящие через входную сторону (3), распределяются от передней стороны (6а) основного световода (2) под разными углами для каждого луча (7) света.
Входная сторона (3), которая расположена рядом с источником (1) света, позволяет как можно большему количеству света проходить в основной световод (2) и направляться в световод. Верхняя сторона (6а) световода позволяет свету осуществлять полное отражение внутри световода и достигать всех точек внутри световода. Для получения равномерной интенсивности толщина световода обычно постепенно уменьшается от области около источника (1) света к области вдали от источника (1) света. Пилообразная структура (5) позволяет свету (7) отражаться под надлежащими углами за пределы световода (2). Для обеспечения требуемых оптических величин, упомянутые три стороны установлены в соответствии с надлежащим размером посредством оптимизации, осуществляемой по программе оптического проектирования. Положение источника (1) света относительно входной стороны (3) световода (2) определяет угол и величину, в которой лучи света входят в световод (2).
Чем больше количество отражающих поверхностей (10) и чем меньше размер отражающих поверхностей (10) на задней стороне световода, тем больше равномерность интенсивности.
Входная сторона (3) световода может иметь разные формы в соответствии с геометрией выполненной отражающей поверхности (10). Таким образом, свет может продвигаться вперед в виде параллельных, сфокусированных или распределенных пучков внутри световода (2). Все эти свойства будут изменяться в соответствии с длиной световода (2) и оптическими углами источника (1) излучения.
Оптические характеристики могут быть увеличены посредством применения разных геометрических элементов на передней стороне (6а) линзы, однако поскольку передняя сторона образует наружную поверхность лампы, она будет минимизировать скопление пыли и воды при использовании плоской или закругленной геометрической формы с гладкой поверхностью. Сферичность геометрической формы верхней стороны (фиг. 3) будет уменьшать величину обратного отражения по сравнению с плоской поверхностью.
2
Световод (2) может быть изготовлен из материалов с высокой оптической прозрачностью и стойкостью к ультрафиолетовому излучению, таких как кварцевое стекло (SiO) или пластмасса, такая как полиметилметакрилат (PMMA) или поликарбонаты (PC).
Разработан способ, который уменьшает обратное отражение солнечных лучей (8, 9) (см. фиг. 4 и 5), другими словами, увеличивает контрастность, посредством модификаций, выполненных на световоде без изменения требуемой интенсивности излучения и величин углов. Как показано на фиг. 4 и 5, пилообразная структура (5) может быть снабжена поглощающей поверхностью (11), где осуществляется направление солнечных лучей (8, 9), и задняя поверхность LED (1) может быть также снабжена поглощающей поверхностью (4), где осуществляется направление солнечного луча (9b). Использование геометрической структуры в виде пилообразной структуры (5) препятствует продвижению солнечных лучей внутри световода (2), как показано на фиг. 4 и 5, и значительно увеличивает коэффициент контрастности.
Благодаря отражающей поверхности (10) на задней стороне световода, лучи (7), приходящие из источника (1) света, направляются через переднюю сторону под надлежащими углами, а солнечные лучи (8, 9) достигают поглощающих поверхностей (4, 11) благодаря упомянутой геометрии. Таким образом, предотвращается достижение солнечными лучами отражающей поверхности и таким образом их обратное отражение в значительной степени уменьшается.
Как показано на фиг. 4, в случае если солнечные лучи (8а, 8b, 8с), падающие под разными углами на пилообразную структуру (5), падают под углом полного отражения, они будут осуществлять полное отражение, направляться на поглощающую поверхность (11) и подвергаться поглощению. Солнечные лучи (8d) падают прямо на поглощающую поверхность (11) и также подвергаются поглощению.
Как показано на фиг. 5, солнечные лучи (9а), которые осуществляют полное отражение в пиковых точках пилообразной структуры и продвигаются вперед к внутренним областям световода, поглощаются в значительной степени поглощающей поверхностью (4) позади LED. Кроме того, лучи (9b), которые не достигают поглощающей поверхности (4) позади LED от пиковых точек пилообразной структуры (5) и отражаются от передней стороны основного световода, подвергаются поглощению на поглощающей поверхности (11).
Пилообразная структура (5), которая создана на задней стороне световода, может иметь разные геометрические конфигурации. Пилообразная структура может быть выполнена из разных материалов темного цвета и может быть снабжена разными формами поверхности для увеличения поглощающего эффекта.
При образовании круглого основного световода (фиг.1), можно использовать большое количество маломощных LED, а также можно использовать решение с вспомогательным световодом (12), который равномерно распределяет свет вокруг круглого основного световода (2), как на фиг. 6, используя несколько LED высокой мощности.
Как можно видеть на фиг. 7, лучи света, излучаемые из источника света, могут быть разделены на два пучка и направлены во вспомогательный световод (12) при помощи собирающей линзы (13) и разделителя (15). За счет направляющих геометрических элементов (14) на внутренней стороне вспомогательного световода (12), лучи (16), приходящие из источника света, например, LED (1), равномерно направляются в круглый основной световод (2), имитируя структуру с множеством LED. Луч (17), приходящий из другого источника света, отражается от другой поверхности направляющего геометрического элемента (14) и направляется аналогичным образом в основной световод (2).
Как показано на фиг. 8, эффективное направление света может быть осуществлено посредством открывающихся каналов (18) между вспомогательным световодом (12) и основным световодом (2). Посредством основания (19) стенки между упомянутыми каналами, лучи (16, 17), испускаемые из LED, осуществляют полное отражение на отражающих стенках основания (19) стенки и направляются в круглый основной световод (2). Для улучшения оптических характеристик каналы (18) могут быть выполнены с разными геометриями.
Кроме того, благодаря поглощающим поверхностям (20), которые образованы на поверхностях основания (19) стенки, обращенных к основному световоду (2), осуществляется поглощение солнечных лучей (9а) и их возвращение на переднюю сторону (обратное отражение) значительно уменьшается.
Основной световод (2) и пилообразная структура (5) и LED (1) закреплены на передней панели (21) лампы так, как показано на фиг. 9. Таким образом, получается решение, которое имеет конструкцию, которая является значительно тоньше чем конструкция ламп, используемых в настоящее время.
Лампа, образованная со световодом (фиг. 1), может быть выполнена в круглой форме, но можно также использовать данный способ при использовании других геометрических форм для других применений. Например, можно превратить лампу в сигнальную лампу или фару с разными геометриями и высокими величинами контрастности для внешнего освещения автомобилей. Пилообразная структура (5), используемая на задней стороне, может быть использована в разных исполнениях с целью достижения высоких величин контрастности.
Если лампа используется в качестве фонаря для автомобиля, то можно использовать LED разных цветов, например, оранжевый для сигнального фонаря, красный для тормозного или заднего габаритного фонаря и белый для заднего фонаря, которые расположены рядом, чтобы образовать многоцветный сигнальный фонарь с одной лампой.
Как можно видеть на фиг. 10 и 11, световодная структура, помимо круглой поверхности, может иметь другие четырехугольные формы или любую другую форму, в соответствии с необходимостью. Для автомобиля или сигналов дорожного движения, эти геометрии могут быть разделены на отдельные секции, и таким образом сигналы разных цветов можно получать из разных секций, при необходимости разделенных механическим поглотителем (22), помимо сигналов одного цвета из всех секций. Таким образом, при использовании одной структуры можно получать тонкие изделия с высокой величиной контрастности, которые включают в себя сигналы разных цветов.
Другая возможная область использования для данного решения основана на изменении пассивного видимого цвета уличного светофора при изменении цвета поглощающей поверхности. Хотя максимальный коэффициент контрастности получается во многих применениях посредством использования матового черного цвета в качестве цвета поглощающей поверхности, в случае изменения цвета поглощающей поверхности сигнальная лампа будет выглядеть в цвете нижней поглощающей поверхности, если смотреть снаружи при выключенных LED. Таким образом, становится возможным создавать лампы, которые выглядят в желаемом цвете нижней поглощающей поверхности, но выдают сигнал другого цвета. Благодаря данной особенности, можно создавать фары и сигнальные лампы, которые выглядят в цвете корпуса автомобиля, и выдавать требуемый цвет сигнала, когда упомянутые лампы активируются.
ССЫЛОЧНЫЕ ПОЗИЦИИ НА ЧЕРТЕЖАХ
Детали в чертежах обозначены ссылочными позициями, имеющими вышеуказанные значения:
1 - Источник света LED
2 - Основной световод
3 - Входная сторона световода
4 - Поглощающая поверхность, расположенная позади LED
5 - Пилообразная структура
6а - Передняя сторона основного световода
6b - Задняя сторона основного световода (пилообразная структура)
7 – Лучи LED
8, 9 – Солнечные лучи
10 – Отражающая поверхность
11 – Поглощающая поверхность пилообразной структуры
12 – Вспомогательный световод
13 – Собирающая линза
14 – Направляющие геометрические элементы
15 – Разделитель
16, 17 – Лучи
18 – Канал
19 – Основание стенки
20 – Поглощающая поверхность на основании стенки
21 – Передняя панель
22 – Механический поглотитель
Хотя выше были описаны конкретные варианты осуществления изобретения, необходимо понимать, что изобретение может быть реализовано иначе, чем описано. Описание является пояснительным, а не ограничивающим. Таким образом, для специалиста в данной области техники будет понятно, что в описанном изобретении могут быть выполнены модификации без отхода от объема приведенной ниже формулы изобретения.