Источник света для сигнального устройства

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ИСТОЧНИК СВЕТА ДЛЯ СИГНАЛЬНОГО УСТРОЙСТВА(71) Заявитель Институт прикладной оптики НАНБ(72) Авторы Ламекин Петр Иванович Войтенков Анатолий Иосифович Кузьмин Виктор Максимович Карпенко Валерий Александрович Романенко Алексей Андреевич Коваленко Олег Евгеньевич Гузовский Виталий Геннадьевич(73) Патентообладатель Институт прикладной оптики НАНБ(57) Источник света для сигнального устройства, содержащий матрицу равноудаленных светоизлучающих диодов и светорассеиватель, отличающийся тем, что светорассеиватель выполнен в виде одиночного линзового растра из плотно упакованных собирающих или рассеивающих линз, а геометрооптические параметры элементов источника удовлетворяют соотношениям где- расстояние между светодиодами в матрице- угол расходимости по уровню 0,5 осевой силы света светодиода, град- диаметр линз растра- фокусное расстояние линз растра а 1 - расстояние между светодиодами и растром знак - соответствует растру из собирающих линз знаксоответствует растру из рассеивающих линз.(56)02137978 С 1, 1999.0694894 2, 1996.02158025 1, 2000.02165400 , 1990. Изобретение относится к технике световой сигнализации и предназначено для использования, например, в светофорах для регулирования дорожного движения и других светосигнальных устройствах. Известны традиционные ламповые светофоры, источники света которых содержат лампу накаливания, отражатель и цветной рассеиватель (А.с.1494025, опубл. 15.07.1989, бюл.26). К недостаткам такой конструкции источника света относятся низкая надежность (возможность катастрофического отказа), большие эксплуатационные и энергетические расходы. Кроме того, светофоры на их основе обладают низкой помехозащищенностью по отношению к облучению солнечным светом, обуславливающей ложное восприятие сигнала светофора участником дорожного движения. Развитие полупроводниковой электроники привело к созданию сверхярких светодиодов, излучающих свет в заданном диапазоне длин волн. Энергопотребление таких излучателей в десятки раз меньше, а срок службы в сотни раз больше, чем ламп накаливания. Появление новой элементной базы с такими технико-экономическими характеристиками позволило создать новое поколение светосигнальных и осветительных устройств. Известен источник света для светофора на основе светоизлучающих диодов (патент РФ 2158025, 2000), содержащий монтажную плату со светоизлучающими диодами и бесцветное прозрачное защитное стекло. Недостатком источника является неравномерное по площади источника распределение яркости, обусловленное дискретностью излучателей. Зрительное восприятие такого источника, представляющего собой множество дискретно светящихся точек, некомфортно. Известно также сигнальное устройство (заявка Японии 3-6601, 1999), содержащее матрицу светодиодов и рассеиватель, выполненный в виде двух последовательно расположенных линзовых растров. Первый по ходу излучения растр состоит из длиннофокусных конденсорных линз-секций, причем их число равно количеству светодиодов в матрице. Число линз внешнего растра значительно превышает число линз-секций внутреннего растра. Линзысекции формируют параллельные световые пучки, падающие на второй растр, определяющий результирующую диаграмму направленности светового потока. Недостатки устройства заключаются в следующем. После прохождения конденсорных линз параллельные пучки света в пределах поперечного сечения будут иметь неодинаковые интенсивности, поскольку светодиоды имеют ограниченную диаграмму направленности излучения. Кроме того, в суммарном световом потоке после конденсорных линз первого растра имеются провалы в интенсивностях между световыми потоками от соседних линзсекций. Это приводит к неравномерной освещенности внутренней поверхности второго растра параллельными пучками света и, следовательно, к неравномерной яркости источника. Более того, использование рассеивателя из двух растров сопровождается существенным ослаблением светового потока вследствие френелевских потерь (не менее 16 ). Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является светодиодное осветительное устройство (Заявка РФ 98123986/09, 2000), у которого оба линзовых растра выполнены на оптических поверхностях одного рассеивателя. Однако это устройство имеет такие же недостатки, как и рассмотренное выше, как по обеспечению равномерной яркости, так и по световым потерям, поскольку двухсторонний линзовый растр должен быть снаружи дополнительно защищен прозрачным экраном. 5941 1 Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание источника света на основе светодиодов, который позволяет снизить световые потери на отражение при прохождении света через рассеиватель и обеспечить равномерную яркость источника света. Решение поставленной задачи достигается тем, что источник света выполнен в виде конструкции, состоящей из монтажной платы (матрицы), на которой в тригональном порядке размещены светоизлучающие элементы, и светорассеивателя в виде одиночного оптического линзового растра, состоящего из собирающих или рассеивающих линз с плотной тригональной упаковкой, а геометрооптические параметры элементов источника выбираются на основе соотношений где- расстояние между светодиодами в матрице,(град) - угол расходимости по уровню 0,5 осевой силы света светоизлучающего элемента,и- диаметр и фокусное расстояние линзы растра соответственно, а 1 - расстояние между излучателями и растром,знак - соответствует растру из собирающих линз,- из рассеивающих. Сущность изобретения поясняют фиг. 1 и фиг. 2, на которых схематически изображены фрагменты осевого сечения источника света 1 - светодиод, 2 - линзовый растр, 3 плоскость изображений,- расстояние между светодиодами в матрице,- диаметр линзы растра, а 1 расстояние между светодиодами и растром, а 2 - расстояние между растром и плоскостью изображений,- угол, определяющий направление на точку в пространстве изображений, равноотстоящую от двух соседних светодиодов,- апертурный угол линзы растра в пространстве изображений. В случае, когда растр состоит из собирающих линз, плоскость изображений расположена за растром (фиг. 1), а в случае рассеивающих линз - до растра (фиг. 2). Из физических представлений ясно, что самосветящийся объект будет иметь равномерную яркость под некоторым углом наблюдения, если все точки этого объекта излучают свет в данном направлении с равной интенсивностью. Так как растр не излучает свет, а лишь перераспределяет, то необходимо создать условия, при которых из каждой точки плоскости изображений линзового растра будут исходить лучи света с одинаковыми интенсивностями в каждом направлении. Из фиг. 1 и фиг. 2 видно, что источник света будет восприниматься равноярким, если в точках плоскости изображений линзового растра, находящихся на одинаковых расстояниях от двух ближайших светодиодов, будут присутствовать лучи света от этих диодов, распространяющиеся по нормали к поверхности растра. Суммарная интенсивность этих лучей должна быть равна интенсивности лучей от этих же светодиодов, распространяющихся нормально растру. Математически это адекватно условию В явном виде система (2) через геометрооптические параметры элементов источника света записана в форме (1). Очевидно, что использование одиночного линзового растра сопровождается минимальными световыми потерями на отражение, а выполнение условия (1) обеспечивает равномерную яркость источника света. Система неравенств (1) содержит пять параметров. Это означает, что три параметра из пяти могут быть выбраны из других условий, например технических или технологических 3 5941 1 требований. Приведем пример такого выбора. Значение угладля светодиодов является паспортной характеристикой. Расстояние между светодиодами определяется их количеством в источнике света и размерами источника. Необходимое количество светодиодов можно установить, исходя из требуемого значения осевой силы света источника. Таким образом, два из пяти параметров можно считать заданными. Для выбора одного из оставшихся трех параметров а 1,ивозможны, например, такие варианты. С целью обеспечения минимальных габаритных размеров источника может быть выбран параметр а 1. Тогда значения параметровимогут быть рассчитаны из системы (1). Если исходить из требования неразличимости глазом отдельных линз растра с некоторого расстояния, то это позволяет определить диаметр линзы растра. Тогда значения а 1 иможно рассчитать на основании системы (1). Условия, обеспечивающие равномерную яркость источника, подтверждены экспериментально на макетных образцах растров и матриц светоизлучающих диодов. Примеры конкретного выполнения устройства. 1. Для 3 мм,15 мм,25 мм,10 из системы (1) следует, что а 1125 мм. Экспериментальные значения а 1, основанные на субъективном восприятии глазом степени равномерности яркости источника, ограничены условием а 1130 мм. 2. При 4 мм,15 мм,50 мм,10 из (1) следует, что а 1188 мм. Экспериментально получено а 1180 мм. 3. Для 4 мм,17,5 мм,9 мм,10 из (1) получаем для собирающих линза 140 мм, для рассеивающих - а 161 мм, что устанавливает минимальные габаритные размеры при равномерной яркости источника. При моделировании источника света с такими исходными параметрами конструкции получено а 141 мм и а 161 мм соответственно. Таким образом, условие (1) позволяет гибко варьировать геометрооптические параметры источника света в зависимости от габаритных, технических или технологических ограничений. Предлагаемый источник света на основе светоизлучающих диодов имеет существенно более простую конструкцию светорассеивателя по сравнению с известным, позволяет уменьшить потери световой энергии и обеспечивает равномерную яркость источника. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4