Дифракционный модуль для подавления фантомного эффекта

Полезная модель относится к области светосигнальных устройств, управляющих движением транспорта, и может быть использована, например, в различном сигнальном оборудовании (автомобильных и железнодорожных светофорах (семафорах), береговых речных и морских световых сигналах, аэродромных огнях и т.п.) для обеспечения безопасности движения любых транспортных средств. Предназначена, в основном, для светодиодных сигнальных устройств.
Известен метод подавления фантомного эффекта за счет применения окрашенных линз в цвет соответствующего сигнала светофора (см., например: http://rosat.org/produktsiya/). Этот метод не исключает ложного показания при засветке сторонним источником света сигнала светофора, то есть полностью не подавляет фантомный эффект.
Другой метод исключения фантомного эффекта: на поверхность линзы устанавливается пластиковая решетка или экран (возможно с высокими бортами для подавления отраженного лункой светодиода света стороннего источника). Все решения, основанные на этом методе, относятся к линейной (геометрической) оптике (см., например: https://vunivere.ru/work36491, а также патенты RU78349U1, RU176829U1). Помогает частично, не снимая самого явления фантомного эффекта. Так в патенте RU176829U1 при толщине антифантомного экрана 3 мм и диаметре отверстий 6 мм устройство исключает только прямое попадание солнечных лучей (полностью исключить нельзя). О других источниках света, вызывающих фантомный эффект, не упоминается совсем.
Возможно также применение защитного стекла, наклоненного по отношению к продольной оси сигнала. На одной из поверхностей внутренней линзы сигнала сформированы оптические клинья. Данный метод основан на линейной (геометрической) оптике и эффектах прохождения светового луча через среды с отличающимися оптическими показателями (https://trans-signal.ru/catalog/sistemy-svetofornye-svetoopticheskie-svetodiodnye/sistema-svetodiodnaya-svetoopticheskaya-machtovogo-svetofora-nkmr-676636-030tu/). Это наиболее эффективный из указанных методов, но и он не убирает фантомный эффект полностью.
Наиболее близким известным решением по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является решение для световых устройств (в том числе светофоров), в котором непосредственно за источником света (светодиодом) установлен дифракционный диффузор (модуль), патент (US7182482B2). Эффект диффузора заключается в том, что он «обеспечивает однородность луча на выходе из источника света и предотвращает образование нового виртуального источника света для перефокусировки солнечного излучения, поступающего извне и падающего на линзы». В представленном патенте решетка двумерная, т.е. расположена в плоскости, перпендикулярной оси светового пучка, излучаемого источником света, при этом устройство дополнено выпуклой поверхностью, обеспечивающей дополнительный эффект рассеяния солнечных лучей (или света фар транспортного средства, то есть, в целом, характеризуется сложным конструктивным исполнением. Также описанный в патенте дифракционный модуль не предназначен для эксплуатации в полевых условиях, т.к. в реальности светофор подвержен действиям вибрации от проходящих поездных составов (других транспортных средств) и, поскольку светофорная головка обладает парусностью, - негармоническому вибрационному воздействию от природных воздействий (порывы ветра, град, сильный ливень и т.п.). При вибрации невозможно ее жестко фиксировать.
Технической проблемой является отсутствие простого и надёжного дифракционного модуля с высокой эффективностью против фантомного эффекта.
Технический результат – создание дифракционного модуля с эффективностью на уровне прототипа и выше.
Указанная проблема решается дифракционным модулем для подавления фантомного эффекта, выполненным в виде дифракционной решётки, устанавливаемой перед источником света, дифракционная решётка которого, согласно предложению, выполнена в виде выпуклости в центре токопроводящей проволочной сетки, верхние ячейки которой увеличены в размерах, а боковые проволоки имеют более плотное положение.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан общий вид дифракционного модуля.
На фиг. 2 показан комплект линзовый с предлагаемым дифракционным модулем.
На фиг. 3 показаны, в качестве примера, параметры проволочной сетки, допустимой к использованию.
На фиг. 4 показана компьютерная модель заявленного дифракционного модуля.
На фиг. 5 показано, условно, прохождение световых волн от источника света через дифракционный модуль.
На фиг. 6 показан результат действия дифракционного модуля, в сравнении, с традиционным светофором.
Дифракционный модуль для подавления фантомного эффекта представляет собой выпуклость 1 на сетке 2. Дифракционный модуль устанавливается перед источником света (светодиодом) 3, которые входят в состав комплекта линзового, другой основной элемент которого – фокусирующая линза в корпусе 4.
В результате испытаний установлено, что стека 2 может представлять собой плетение из токопроводящей (металлической) проволоки 5 диаметром 0,25 мм. Размер стороны квадратной ячейки 0,5 мм (см. фиг. 3). Плетение существенно увеличивает прочность и стабильность дифракционной решетки. Рабочая поверхность сетки 2 подвергнута пассивации, имеет черный, матовый цвет.
Выпуклость 1 может выполняться разной формы, например в виде гиперболоида. Наиболее простым вариантом является выполнение выпуклости 1 в виде полусферы. Диаметр полусферы не превышает максимальный поперечный размер источника света более чем на 10% и принципиально зависит от выходной апертуры устройства – чем больше апертура, тем больше радиус полусферы выпуклости 1 сетки 2.
При больших размерах выпуклость 1 оказывала менее эффективное действие по рассеянию паразитной расцветки (фантомного эффекта).
Принцип работы дифракционного модуля хорошо демонстрирует компьютерная модель выпуклости 1 (фиг. 4).
При формовании выпуклости 1 размеры верхних её ячеек увеличиваются в размерах из-за низкой тягучести проволоки, из которой состоит сетка, тем самым пропускание лучей, направленных по оси, перпендикулярной оси установки светодиода 3, менее затруднено по сравнению с боковым излучением.
При падающем свете под любым углом более плотное положение боковых проволок сетки отражает большую часть входящего света в стороны, а не по оси.
Следует отметить, что выпуклость 1 выполняет не только функцию отклонения лучей, но и собирания части изучения от источника света именно за счет кривизны поверхности в разных плоскостях. Так как сетка 2 выполнена из токопроводящего материала, то основным механизмом отклонения лучей является скин-эффект (эффект вытеснения тока на поверхность проводника). На фиг. 5 видно, что волны, обозначенные на рисунке под номером I, отклоняются в стороны оси симметрии светодиода 3 в сторону наибольшего светового потока. Волны, обозначенные под номером II, отклоняются от оси симметрии светодиода 3, тем самым отсекая боковые сектора излучения светодиода. Под номером III обозначены волны, проходящие через ячейки сетки, не взаимодействуя с ней.
Таким образом, часть бокового свечения источника света, составляющего небольшую часть общего излучаемого потока, не попадает на выходную фокусирующую линзу.
Другая часть бокового свечения источника света, наоборот, за счет отклонения от ячейки (отталкивания), перенаправляется в сторону фокусирующей выходной линзы.
Все это и дает эффект как отсекания, так и фокусирования света в сторону фокусирующей выходной линзы. При этом величина диаметра полусферы меньше максимального поперечного размера источника света 3 (светодиода) приводит к усилению бокового «паразитного» рассеяния (отсекания). Образованный световой конус требует размещения выходной фокусирующей линзы на определенном расстоянии, которое может быть определено экспериментально.
Проведённые испытания показывают эффективность предлагаемого конструктивного решения. На фиг. 6 на примере жёлтого сигнала видно, что дифракционный узел подавляет паразитную подсветку (фантомный эффект). Красный сигнал не оснащен дифракционным модулем. Засветка осуществлялась прожектором с силой белого света 1.000.000 кд.
На фиг. 6А желтый сигнал без дифракционного модуля, на фиг. 6Б – с модулем.