СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПОДСВЕТА ЦИФЕРБЛАТОВ И СТРЕЛОК

Изобретение относится к приборостроению, в частности к области создания индикаторных и контрольно-измерительных приборов с осецентрированными круговыми шкалами (циферблатами) и стрелочными механизмами различного назначения. Предназначено для повышения качества визуализации информации с циферблатов вне зависимости от внешнего освещения. Может быть применено для создания равномерной подсветки круговых шкал и стрелок как в классических механических часах от наручных и настенных до уличных и башенных, так и в индикаторных приборах на приборных панелях и досках в информационно-управляющих системах или системах отображения информации в наземных транспортных или авиационно-космических средствах.

Необходимой составляющей в индикаторных приборах является подсвет циферблата и стрелок, позволяющий независимо от внешнего освещения безошибочно (точно) считывать (визуализировать) информацию с циферблатов. Более того, без подсветки (светодиодной, хеми-, фото-, катодо-, электро- или радиолюминесцентной, с использованием трития и прочих радиоактивных изотопов) уже невозможно представить современные многофункциональные хронометры - наручные часы, в которых качество изготовления подсветки и прочая иллюминация играют решающую маркетинговую роль [http://www.specialopswatch.ru/taxonomy/term/107; http://baselshop.ru/pages/podsvetka.html; http://www.alltime.ru/blog/index.php?page=post&blog=watchblog&id=608].

Известны часы, циферблат и стрелки которых содержат слой фотолюминофора, поглощающего энергию электромагнитного излучения оптического диапазона, с последующим излучением света определенного (видимого) спектрального диапазона [http://www.buytime.ru/articles.php?p=14. Время во тьме. Т. Фролов. Журнал “Часовой бизнес” №7]. Ведущие мировые компании по производству часов, такие как Швейцарская ассоциация по развитию часового производства (ASRH) и ряд Японских производителей ориентированы с учетом экологической безопасности на создание и использование новых фотолюминесцентных материалов, например таких как LumiNova и LumiBright. Основными недостатками таких устройств с фотолюминесцентной подсветкой являются нестабильность свечения люминофора и, более того, необходимость постоянной «подзарядки» люминофора электромагнитным излучением оптического диапазона.

Шкалы и цифры на циферблатах и стрелках авиационных приборов также покрыты слоем люминофора, светящимся в темноте. Для его «подзарядки» приборные доски имеют дополнительное освещение [http://www.npmavia.ru. Освещение авиационных приборов]. Наибольшее распространение получил способ освещения отраженным светом от нескольких пространственно-распределенных точечных источников излучения, спрятанных за фальшпанелью, внутренняя сторона которой покрыта светоотражающей белой краской. Основным недостатком данного способа является то, что подсветка осуществляется одновременно для всей группы индикаторных приборов, объединенных в единое целое на приборной доске.

Известен локальный способ подсветки отраженным светом при помощи стеклянного световодного кольца, смонтированного по окружности шкалы. Свет от источника излучения, встроенного в сечение кольца, распространяясь по световодному кольцу, равномерно освещает периметр циферблата. Для обеспечения индивидуальной подсветки авиационных приборов промышленностью выпускаются устройства с люминесцентной круговой системой подсветки типа «Рамка-подсветка UMA» [http://www.aviasklad.ru]. При этом из курса физики, разделА «оптика» известно, что равномерность потока оптического излучения от точечного источника достигается только в нормальном сечении оптической оси [Ландсберг Г.С. Оптика. Учебное пособие: Для вузов. - 6-е изд., стереотип. - М.: Физматлит, 2003. - 848 с. - ISBN 5-9221-0314-8]. Поэтому ни один из выше приведенных способов не может обеспечить локальной равномерной подсветки циферблата и стрелок.

Если неоспоримым преимуществом дизайнерских часов с разнообразными источниками излучения и видами подсветки является их оригинальность с точки зрения экстравагантности, то с точки зрения офтальмоэргономики главным психофизиологическим фактором при считывании визуальной информации является равномерность освещения шкал и стрелок индикационных устройств [М. Хеландер. Разработка визуальных средств отображения информации / В книге «Человеческий фактор». Под ред. Г. Салвенди. Том 5, Эргономические основы проектирования рабочих мест. М., «МИР», 1992, с. 116-174]. Следовательно, при создании подсвета точечным источником излучения в шкальных индикаторных приборах, главным образом специального назначения (например, в кабине пилота транспортного средства), подсвет должен работать на отражение и формировать равномерное рассеиваемое диффузное излучение на циферблат и стрелки. Более того, для повышения точности считывания информации с циферблатов независимо от внешнего освещения и в зависимости от их функционального назначения интерфейс «индикатор - зрение» (изображение циферблата) формируют с максимальным контрастом в двух полярностях: позитивном - черные шкалы и стрелки на белом фоне и негативном - белые шкалы и стрелки на черном фоне.

Наиболее близким к способу по технической сущности и заявляемому результату является способ подсвета осецентрированных стрелочных приборов, содержащих круговую шкалу (циферблат) и стрелки, предложенный в устройстве [RU 2377516, прототип]. Способ (устройство) состоит в формировании излучения от точечного источника излучения, расположенного в торце защитного стекла на нерабочем сегменте периметра циферблата, распространения излучения по защитному стеклу посредством волноводно-оптического эффекта и его диффузного рассеивания на циферблат и стрелки матовой поверхностью канавки, выполненной по периметру защитного стекла. Основными недостатками этого способа являются: во-первых, неравномерность подсвета всего циферблата; во-вторых, одна четвертая часть циферблата (угол 90°) является нерабочей; в-третьих, источник излучения, расположенный в торце защитного стекла, не позволяет последнему вращаться вокруг оси. Поэтому такой способ подсвета, предложенный в устройстве-прототипе, имеет ограниченное применение.

Наиболее близкими к устройству по технической сущности и заявляемому результату являются любые индикационные устройства с осецентрированными циферблатом и стрелками (одной и более), например, классические механические часы [http://iznedr.ru/books/item/f00/s00/z0000030/st041.shtml. Устройство и принцип действия механических часов. Прототип по устройству] или тот же манометр [RU 2377516, прототип по способу]. Такие устройства содержат: циферблат, одну или более стрелки, защитное стекло и расположенные с подциферблатной стороны осецентрированный стрелочный механизм с одним центральным валом и(или) одним или более внешними валами, выполненными в виде тонкостенных цилиндров разного диаметра и нанизанными друг на друга, а также источник излучения, оптически связанный с циферблатом и расположенный либо за его пределами, либо встроенный в циферблат.

Наличие центрального вала (центральной оси), выполненного в виде сплошного цилиндра и(или) являющегося несущим всего осецентрированного стрелочного механизма (в случае классических механических часов), не позволяет совместить ось вращения вала с оптической осью подсвета. Поскольку равномерность потока оптического излучения точечного источника достигается только в нормальном сечении оптической оси [Ландсберг Г.С. Оптика. Учебное пособие: Для вузов. - 6-е изд., стереотип. - М: Физматлит, 2003. - 848 с. - ISBN 5-9221-0314-8], а центральный вал выполнен сплошным и оптически непрозрачным, то спроецировать равномерный подсвет на циферблат точечным источником излучения с подциферблатной стороны не представляется возможным (без существенного изменения и усложнения конструкции).

Заявленное изобретение предназначено для решения задачи повышения равномерности подсвета циферблата и стрелок осецентрированных индикаторных устройств одним точечным источником излучения. При ее осуществлении может быть получен следующий технический результат: точность считывания с циферблатов визуальной информации - изображения любой полярности вне зависимости от внешнего освещения.

Технический результат достигается тем, что способ подсвета в известном устройстве [RU 2377516] состоит в формировании излучения от точечного источника излучения и его распространении по защитному стеклу с рассеиванием на циферблат и стрелку. При этом устройство может содержать циферблат, одну или более стрелки, защитное стекло и расположенные с подциферблатной стороны осецентрированный стрелочный механизм с одним центральным валом и одним или более внешними валами, выполненными в виде тонкостенных цилиндров разного диаметра и нанизанными друг на друга и на выступающие концы которых со стороны циферблата в обратной последовательности насажены соответствующие стрелки, а также источник излучения, оптически связанный с циферблатом.

Существенные признаки (по способу), отличающие изобретение от прототипа следующие: сформированное излучение коллимируется в пучок с подциферблатной стороны и проецируется на рассеивающее зеркало, расположенное со стороны циферблата по центру на внутренней стороне защитного стекла, отразившись от которого формирует в плоскости циферблата апертуру сечением, равным площади циферблата, при этом оптическая ось, образованная коллиматором с источником излучения и рассеивающим зеркалом, соосна оси вращения осецентрированного стрелочного механизма. Для большего увеличения равномерности подсвета циферблата и стрелок структура светового потока коллимированного пучка преобразуется в диффузно-рассеиваемый свет по направлению к циферблату путем световой фильтрации пучка полупрозрачным матовым светофильтром.

Существенные признаки (по устройству), отличающие изобретение от прототипа следующие. Во-первых, введены по направлению распространения излучения коллиматор и рассеивающее зеркало, оптически связанные между собой и образующие оптическую ось соосно оси вращения циферблата и стрелок. При этом центральный вал выполнен полым в виде тонкостенного цилиндра, внутреннее сечение которого больше сечения коллимированного пучка, источник излучения и коллиматор расположены с подциферблатной стороны, а рассеивающее зеркало расположено со стороны циферблата на внутренней стороне по центру защитного стекла. Во-вторых, введение полупрозрачного матового светофильтра, выполненного в виде тонкой пленки на поверхности рассеивающего зеркала, в коллимированный пучок излучения изменяет структуру светового потока коллимированного пучка, преобразуя его в диффузно-рассеиваемый свет по направлению к циферблату, что существенно повышает равномерность подсвета и циферблата, и стрелок.

Известны другие факты подсветки круговых шкал точечным источником излучения, расположенным по оси вращения стрелок, но с лицевой стороны циферблата на защитном стекле или под ним. Основным и существенным недостатком такого устройства подсветки является значительное перекрытие центральной части зоны обзора циферблата из-за конечных конструкторско-технологических габаритов источника излучения. Поэтому данный способ не находит практического применения.

Полученный при осуществлении изобретения технический результат, а именно точность считывания с циферблатов визуальной информации с изображением любой полярности вне зависимости от внешнего освещения, достигается за счет повышения равномерности подсвета циферблата и стрелок осецентрированных индикаторных устройств точечным источником излучения путем коллимирования излучения в пучок с заданной расходимостью и его проецирования на рассеивающее зеркало с заданным радиусом кривизны, отражение от которого формирует в плоскости циферблата заданную апертуру, сечение которой равно площади циферблата, при этом рассеивающее зеркало с заданным радиусом кривизны выполнено со стороны циферблата по центру на внутренней стороне защитного стекла и образует с коллиматором и точечным источником излучения, расположенными с подциферблатной стороны, оптическую ось соосно оси вращения циферблата, центрального и внешних валов и соответствующих стрелок. При этом центральный вал выполнен полым в виде тонкостенного цилиндра, внутреннее сечение которого больше сечения коллимированного пучка.

На фигуре изображено устройство, поясняющее принцип действия (в сечении), содержащее: 1 - циферблат; 2 - стрелку (указатель) одну или более; 3 - защитное стекло; 4 - рассеивающее зеркало с радиусом ρ кривизны, выполненное по центру с внутренней стороны защитного стекла; 5 - полупрозрачный матовый светофильтр, выполненный в виде тонкой пленки на поверхности рассеивающего зеркала; 6 - осецентрированный стрелочный механизм (показан штриховой линией, условно) с одним центральным 7 валом и одним или более внешними 8 валами, выполненными в виде тонкостенных цилиндров разного диаметра, последовательно нанизанными друг на друга (на фигуре изображен только один внешний вал); 9 - коллиматор с расходимостью β пучка; и 10 - источник излучения. При этом показано: толстой сплошной линией - корпус устройства (условно); тонкими и толстыми стрелками - направления коллимированного пучка и диффузно-рассеивающегося света соответственно. Осецентрированный стрелочный механизм 6 с центральным 7 и внешним 8 валами, коллиматор 9 и источник 10 излучения расположены с подциферблатной стороны устройства, а с лицевой стороны циферблата 1 на выступающие концы валов 7 и 8 насажены соответствующие 2 стрелки. Центральный вал 7 выполнен полым в виде тонкостенного цилиндра с внутренним сечением большим, чем сечение коллимированного пучка излучения источника. Оптические центры рассеивающего зеркала 4 и коллиматора 9 с источником 10 излучения образуют оптическую ось, соосную оси вращения валов 7 и 8 и соответственно стрелок 2 и циферблата 1.

Способ и устройство работают следующим образом. Излучение оптического диапазона, сформированное с подциферблатной стороны точечным источником 10 излучения и коллиматором 9 в пучок с расходимостью β, проецируется на рассеивающее зеркало 4 с заданным радиусом ρ кривизны, расположенным с лицевой стороны циферблата 1 по центру на внутренней стороне защитного стекла 3. Отражаясь от рассеивающего зеркала 4, коллимированный пучок, рассеиваясь по направлению к плоскости циферблата 1, формирует в его плоскости апертуру рассеиваемого излучения, равную площади циферблата. Поскольку оптические элементы коллиматора 9 и рассеивающее зеркало 4 осецентрированы на оптической оси, то интенсивность рассеивающего излучения равномерно распределяется по апертуре.

Расходимость β пучка коллиматора 9 и радиус ρ кривизны рассеивающего зеркала 4 задаются исходя из требуемой для подсвета площади круга циферблата 1. При этом для минимизации возможной сферической аберрации, имеющей место в осецентрированных оптических системах с точечным источником излучения, возможна дефокусировка хода лучей в оптической системе коллиматор - рассеивающее зеркало. Более того, введение полупрозрачного матового светофильтра 5, выполненного в виде тонкой пленки на поверхности рассеивающего зеркала 4, изменяет структуру светового потока коллимированного пучка, преобразуя его в диффузно-рассеиваемый свет по направлению к циферблату, что существенно повышает равномерность подсвета и циферблата и стрелок.