СВЕТОВОЙ ИНДИКАТОР

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к световому индикатору, содержащему индикаторный элемент, подсвечиваемый источником света. Индикаторный элемент изготавливается из, по существу, прозрачного материала, на котором выполняется информативный индикаторный рисунок.

Уровень техники

Из уровня техники известно оснащение осветительных или индикаторных панелей, устанавливаемых для указания выхода из помещения, обычными лампами накаливания или флуоресцентными трубчатыми лампами. В качестве примера можно указать на финскую полезную модель №1533. Известное решение относится к световой панели, снабженной кожухом осветителя, причем свет от флуоресцентной лампы-осветителя, установленной внутри кожуха, выводится по периметру панельного элемента, установленного в положение, согласованное с положением источника света. В данном известном решении кожух осветителя снабжен удлиненным отверстием, выполненным на всю его длину. Через это отверстие, с доступом сверху, производится замена флуоресцентной лампы-осветителя. Однако традиционные индикаторные панели данного типа имеют тот недостаток, что используемые в них лампы накаливания и флуоресцентные лампы имеют малый срок службы в связи с тем, что указатели выхода должны быть постоянно включены.

В патенте Финляндии №98768 описана индикаторная панель, служащая для постоянного указания маршрута выхода из здания и содержащая тело в форме пластины и светодиоды, смонтированные в задней поверхности данного тела и проходящие сквозь него, а также светодиоды, проходящие через нижнюю кромку крышки в форме рамки, установленной на тело панели. В соответствии с известным решением светодиоды, проходящие через тело панели, предназначены для освещения этой части панели и особенно ее передней поверхности, на которую с помощью материала-люминофора наносится соответствующий рисунок. Кроме того, светодиоды, проходящие через нижнюю кромку крышки, сконфигурированы таким образом, чтобы сформировать источник белого света, направленного вниз. С этой целью среди светодиодов этой группы имеются излучатели зеленого и красного цветов, которые установлены с чередованием вдоль нижней кромки крышки и служат для подсветки выхода, расположенного под индикаторной панелью, или стрелки, указывающей на этот выход.

Достоинством данного решения является то, что в нем источник света содержит светодиоды (СД) малой мощности, которые способны обеспечить достаточно надежную выдачу указания при относительно привлекательном общем уровне затрат, даже при их постоянном включении. Однако примененный в известном решении рисунок, наносимый на переднюю поверхность индикаторной панели посредством люминофорного материала, а также применение цепочки СД соответствуют устаревшей технологии. По этой причине данный класс осветительных задач целесообразно решать с использованием только набора СД, направленных книзу. Следует отметить, что в упомянутом известном решении даже в этом аспекте осветительная схема использовалась неэффективно, поскольку СД, формирующие световой пучок, направленный книзу, устанавливались на нижней кромке крышки, откуда указанные СД излучали свет традиционным способом, т.е. непосредственно в воздушное пространство, окружающее крышку панели. Однако в подобной схеме свет, излучаемый светодиодами, может легко рассеиваться в окружающем пространстве, например, вследствие загрязнения СД или по причине задымленности. Поэтому описанное решение не позволяет достаточно надежно гарантировать того, что стрелка-указатель или аналогичное изображение, расположенное под индикаторной панелью данного типа, будет достаточно освещено в аварийной ситуации.

Сущность изобретения

Задача, на решение которой направлен световой индикатор согласно настоящему изобретению, заключается в существенно более эффективном решении вышеперечисленных проблем, т.е. в значительном совершенствовании уровня техники. Для того чтобы обеспечить решение указанной задачи, световой индикатор по настоящему изобретению характеризуется, прежде всего, тем, что в нем индикаторный элемент выполнен в виде световодной панели, внутри которой световые пучки распространяются, испытывая полное внутреннее отражение. Световые пучки выводятся из панели посредством выходной дифракционной системы, такой как структура типа дифракционной решетки, которая сконфигурирована в виде индикаторного рисунка для образования в индикаторном элементе индикаторного рисунка, активируемого под действием света. Для этой цели могут быть использованы, например, расширяющиеся углубления или канавки различных размеров и/или форм, образующие расходящиеся локальные решетки различных размеров и/или форм, таких как пикселы и/или элементы разнообразной формы или двоичные пикселы и/или элементы. При этом коэффициент заполнения, форма, профиль и размеры пикселов оптимизируются таким образом, чтобы дифракционная эффективность являлась функцией положения.

Под дифракционными структурами в оптике понимаются любые тонкие структуры на поверхности, воздействие которых на проходящее излучение определяется дифракционными эффектами. Таким образом, детали указанных тонких структур должны иметь размеры порядка длины волны светового излучения и даже более мелкие. Большинство известных микропризматических структур не может рассматриваться в качестве дифракционных, поскольку их воздействие на свет основано на эффекте преломления. С другой стороны, голограмма не является решеткой, поскольку решетка не формирует трехмерное изображение или световой поток. Локальной дифракционной решеткой, в свою очередь, называют локальный дифракционный элемент, такой, например, как пиксел. При этом дифракционная структура в целом может быть составлена из большого количества разнообразных дифракционных элементов.

Наиболее важные преимущества, которые обеспечивает световой индикатор по настоящему изобретению, включают в себя простоту индикатора, эффективность и надежность в работе, поскольку благодаря изобретению оказывается возможным применять в качестве источника света СД малой мощности. С другой стороны, благодаря использованию в устройстве по изобретению световодной панели, основанной на принципе полного внутреннего отражения, появляется возможность оптимизации источника света по всем аспектам, поскольку оказывается возможным минимизировать нежелательные потери на отражение и другие световые потери. С другой стороны, изобретение позволяет также обеспечить функционирование светового индикатора в так называемом активируемом режиме. Данный режим соответствует тому, что при отсоединении источника света от индикаторного элемента в целом или, например, от какой-то части индикаторного рисунка эта часть становится полностью невидимой. Это соответствует базовому принципу изобретения, согласно которому желательный индикаторный рисунок активируется и становится видимым только тогда, когда к нему по световоду подводится световое излучение. Благодаря этому оказывается возможным использовать один и тот же индикаторный элемент для формирования стрелок, указывающих в противоположные стороны. При использовании данного варианта индикатора активируется только стрелка, указывающая нужное в данный момент (т.е. в данной ситуации) направление, тогда как стрелка, обозначающая противоположное направление, остается невидимой.

Далее, за счет реализации принципа, использованного в настоящем изобретении, оказывается возможным сформировать предельно тонкие структуры, которые могут быть встроены в подложку, или же изготавливать гибкие или предварительно сформованные структуры, обеспечивающие условия для того, чтобы в панельном элементе не был превышен угол полного внутреннего отражения. Кроме того, изобретение позволяет сконструировать панельный элемент, имеющий, например, вид закрытой коробчатой структуры типа квадратной или трубчатой "ламповой колонки", внутри которой световые пучки распространяются, испытывая полное внутреннее отражение, покидая ее только через выходную систему с тем, чтобы не активировать ничего, кроме желаемого индикаторного рисунка или аналогичного компонента. Еще одно возможное применение настоящего изобретения состоит в создании светового индикатора, в котором один и тот же индикаторный рисунок включает в себя части, активируемые светом различных длин волн для формирования различных индикаторных изображений. Данное применение, естественно, может быть реализовано и путем модифицирования интенсивности, рабочего напряжения или других параметров источника света.

Перечень фигур

Далее изобретение будет описано более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи.

Фиг.1а и 1b иллюстрируют принцип действия одного из вариантов светового индикатора по настоящему изобретению.

Фиг.1с дополнительно иллюстрирует принцип активации индикаторного рисунка на световом индикаторе по изобретению.

Фиг.2а, 2b и 3 поясняют некоторые принципы, связанные с полным внутренним отражением.

Фиг.4, 5, 6а и 6b иллюстрируют некоторые общие принципы входной системы, связанной со световым индикатором по изобретению.

На фиг.7 представлен световой индикатор по изобретению, выполненный в виде световодной колонки.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Изобретение относится к световому индикатору, содержащему индикаторный элемент 2, подсвечиваемый с помощью источника 1 света. Индикаторный элемент изготавливается из, по существу, прозрачного материала, на котором выполняется информативный индикаторный рисунок. Индикаторному элементу придается форма световодной панели (см., например, фиг.1, на которой показаны две аналогичные световодные панели), причем световые пучки проходят внутри панели, испытывая полное внутреннее отражение, и выводятся из нее посредством выходной системы 2u, в качестве которой используется структура в форме дифракционной решетки или аналогичная ей. Данная структура согласована с формой индикаторного рисунка; благодаря этому индикаторный рисунок 2а на индикаторной панели 2 может быть активирован под действием света. При этом расширяющиеся углубления и/или канавки, имеющие различные размеры и/или формы, образуют расходящиеся локальные дифракционные решетки различных размеров и/или форм (например, типов А/В - см. фиг.1b). Эти решетки могут представлять собой пикселы и/или элементы разнообразной формы или двоичные пикселы и/или элементы. Коэффициент заполнения, форма, профиль и размеры пикселов оптимизируются таким образом, чтобы дифракционная эффективность являлась функцией положения.

Разумеется, можно варьировать размер, форму, коэффициент заполнения и/или профиль/структуру локальных элементов-решеток или сеток, расположенных в различных частях дифракционной структуры в продольном, поперечном или вертикальном направлениях.

Далее, как показано на фиг.1а, 1b, источник 1 света включает в себя один или более светодиодов (СД) 1а', взаимно смещенных по длине s панели. Светодиоды предназначены для подсветки индикаторного рисунка индикаторного элемента. Ввод светового потока внутрь индикаторного элемента 2 обеспечивается, как это показано, например, на фиг.6b, посредством входной дифракционной системы 2s, расположенной на граничной поверхности R индикаторного элемента 2 и выполненной, например, как двоичный распределитель потока, локальная дифракционная структура, рассеиватель и/или аналогичное устройство, и/или, как это показано, например, на фиг.6а, посредством соответствующих геометрических контуров, выполненных на граничной поверхности R.

В варианте, представленном на фиг.1с, выходная дифракционная система 2u для индикаторного элемента 2, действующего по типу световодной панели, например локальная дифракционная или аналогичная ей структура, выполняется на нижней поверхности 2р индикаторного элемента 2. Разумеется, эту систему можно выполнить и на верхней поверхности индикаторного элемента. Однако в последнем случае требуется наличие какого-либо защитного слоя или покрытия для обеспечения защиты системы от механических повреждений.

В другом варианте выполнения, представленном на фиг.6а и 6b, индикаторный элемент 2 изготавливается из тонкого прозрачного материала с толщиной, например, 0,1-4 мм и представляет собой, например, панель, лист или аналогичное изделие из полимерного, эластомерного или керамического материала. При этом входная система 2s предпочтительно располагается по его периметру Rr.

В следующем предпочтительном варианте световой индикатор 2 изготавливается из гибкого или предварительно сформованного материала, причем индикаторный рисунок 2а может быть активирован благодаря тому, что его локальная кривизна выбрана достаточно малой по всей его рабочей поверхности. Благодаря этому при распространении светового пучка внутри индикаторного элемента 2 пороговый угол полного внутреннего отражения не будет превышен.

Еще в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения выходная дифракционная система 2u, образующая активный индикаторный рисунок 2а, может быть выполнена таким образом, что индикаторный рисунок 2а может представлять собой набор дифракционных рисунков различных цветов. Прежде всего, можно получить одно или несколько индикаторных изображений, входящих в состав индикаторного рисунка 2а и имеющих при активации различные цвета, использованием нескольких независимо управляемых источников света 1, 1а, излучающих различные цвета, в частности нескольких СД 1а', излучающих в красной/зеленой/синей/белой областях, или аналогичных источников. С другой стороны, такой результат может быть получен изменением интенсивности, напряжения питания и/или других параметров источника света или его составных элементов.

Как показано на фиг.6а, 6b, индикаторный элемент 2 снабжен поверхностью 3, взаимодействующей с излучением, например отражательной, рассеивающей и т.д., в целях подавления пучков, поступающих от дифракционной или аналогичной ей структуры выходной системы 2u, или предотвращения образования заметных световых пятен.

Еще в одном варианте выполнения, представленном на фиг.7, световой индикатор выполнен в виде закрытой коробчатой структуры, такой как индикаторная колонка, и снабжен входной системой 2s в виде распределителя пучка или аналогичного элемента, расположенного на передней или на задней поверхности Rt индикаторного элемента 2 и выполненного с возможностью фокусировки света, испускаемого источником 1 света, причем свет распространяется внутри индикаторного элемента 2, испытывая полное внутреннее отражение.

Целесообразно привести следующие теоретические пояснения общего характера относительно полного внутреннего отражения со ссылкой на фиг.2а, где представлена световодная панель 2, обладающая показателем преломления n, значение которого превышает значение этого показателя для воздуха (n=1). Световой поток, излучаемый точечным источником, будет испытывать полное внутреннее отражение при условии, что угол γ его падения на граничную поверхность отвечает условию sinγ>1/n. Если угол падения меньше указанного значения, т.е. α<arcsin(1/n), часть энергии, описываемой зонами Френеля, будет проникать через граничную поверхность. Если граничной является среда, отличная от воздуха, в приведенных выражениях показатель преломления, равный 1, должен быть заменен показателем преломления данной конкретной среды.

На фиг.1с представлено решение, согласно которому на нижней поверхности индикаторного элемента 2, действующего как световодная панель, выполнена, по меньшей мере, одна локальная периодическая структура, действующая в качестве выходной системы 2u. Дифракционная решетка разделяет падающую плоскую волну, угол падения которой равен γ, на набор различных порядков дифракции, присутствующих как внутри, так и снаружи световодной панели.

Направления распространения дифрагированных потоков определяются из уравнения дифракционной решетки, а эффективности дифракционной решетки (характеризуемые долей падающего потока, распределяемого в соответствующий порядок дифракции) рассчитываются с учетом периода и формы дифракционного профиля. Вариант, представленный на фиг.1с, соответствует условию появления на выходе световода множества световых пучков. На двумерном изображении, представленном на фиг.1с, для простоты показано, что дифракционная поверхность 2u освещена с одного дискретного направления. Однако на практике эта поверхность будет освещена в пределах широкого интервала направлений и углов, поскольку внутри световода распространяется множество плоских волн, падающих на поверхность в пределах континуума углов γ. Для выбора профилей поверхности, обеспечивающих большое количество порядков дифракции с желательным распределением эффективности дифракции, может быть использована также точная электромагнитная теория дифракции.

Таким образом, при правильном выборе параметров профиля поверхности становится возможным получить именно те условия дифракции, которые показаны на фиг.1с и которые соответствуют преобладанию порядков отраженного излучения. При этом при наблюдении дифракционной поверхности 2u сквозь световодную панель 2 она будет представляться освещенной. Данный вариант позволяет избежать механических повреждений дифракционной поверхности. Естественно, эта поверхность может быть также защищена с помощью соответствующего защитного слоя, который наносится на верхнюю поверхность индикаторного элемента 2. Кроме того, в соответствии с вариантом выполнения, представленным на фиг.1с, желательно снабдить заднюю поверхность индикаторного элемента 2, функционирующего как световодная панель, так называемым рассеивателем для расширения и выравнивания углового распределения дифрагированного излучения, а также для изменения распространения пучков, ориентированных в неправильном направлении, с возвращением их внутрь панели.

Еще один существенный признак изобретения заключается в том, что посредством полного внутреннего отражения световое излучение как можно дольше удерживается внутри индикаторного элемента 2, действующего как световод. Это оказывается возможным, когда световой пучок, который должен быть введен внутрь световода, распространяется внутри него под углом, близким к углу полного внутреннего отражения. В случае, когда угол падения δ достаточно велик, полное внутреннее отражение имеет место, как это показано на фиг.2b, также от торцевых поверхностей. В результате пучок пересекает структуру несколько раз прежде, чем он будет выведен за счет дифракции на выходных дифракционных решетках 2u. В тех зонах, где отсутствуют выходные решетки, в принципе отсутствуют и световые потери.

В результате все световое излучение, которое было введено, испускается из требуемых освещенных зон, если не учитывать поглощения в материале элемента.

Как показано далее на фиг.3, имеется возможность, в случае необходимости, изгибать или формовать световодную поверхность при условии, что локальная кривизна выбирается в каждой точке достаточно малой с тем, чтобы угол падения не стал меньше предельного угла полного внутреннего отражения. Как видно из той же фиг.3, плоский световод может также, без нарушения принципа полного внутреннего отражения, предусматривать излом, соответствующий углу 90°.

На фиг.4 проиллюстрирован способ функционирования дифракционного элемента, действующего в плоскости пучка, распространяющегося под произвольным углом θ. Поскольку желательно, чтобы все пучки распространялись в условиях полного внутреннего отражения, весьма желательно использовать вблизи оптической оси двоичный распределитель пучка, период которого зависит от положения (т.е. от координаты).

Тем же способом можно получить разумное количество слегка расходящихся пучков, распространяющихся внутри световодного элемента. На большем удалении от оптической оси становится невозможным сформировать посредством распределителя пучка два пучка (порядки дифракции +1 и -1), испытывающих полное внутреннее отражение. Поэтому предпочтительно применить локально линейную структуру решетки с тем, чтобы обеспечить желаемое отклонение, как это показано на фиг.5. В этом случае все световые пучки являются квази-коллимированными и распространяются в одном направлении, выбранном таким образом, что условие полного внутреннего отражения выполняется для всех пучков. Для этого требуется модификация периода локальной решетки на входной дифракционной поверхности как функции положения и применение протяженных поверхностных профилей для обеспечения высокой дифракционной эффективности.

Световой индикатор, представленный на фиг.7, выполнен в виде закрытой структуры коробчатого типа. Более конкретно, он имеет форму трубчатой "световой индикаторной колонки". В данном случае предпочтительно, чтобы ввод излучения в световод 2 был осуществлен, например, посредством распределителя 2s пучка на основе решеток при установке одного или нескольких светодиодов 1а' либо внутри, либо снаружи трубчатой колонки. В такой схеме рисунки, выполняемые на различных колонках, могут быть подсвечены весьма простым и эффективным образом.

Очевидно, что изобретение не ограничивается описанными и проиллюстрированными вариантами его осуществления, а может модифицироваться различным образом без выхода за пределы базовой концепции изобретения. Прежде всего, коэффициент заполнения дифракционной выходной системы, представляющей собой, в частности, локальную решетку, может быть использован для обеспечения равномерного выведения света, поскольку дифракционная эффективность зависит от профиля решетки и ее формы. Кроме того, эффективность зависит от углов, под которыми производится вывод излучения, т.к. направления распространения и угловые характеристики светового пучка определяются уравнением дифракционной решетки. Оптимальный коэффициент заполнения в каждой ситуации может быть точно рассчитан с помощью компьютера. Входная или выходная дифракционные системы, такие как дифракционные структуры или решетки, могут быть построены с использованием не только расходящихся углублений и канавок, образующих структуры пикселов, но также двоичных пикселов. В последнем случае имеется отчетливо наблюдаемый перегиб (верхний угол), дно, а также углубление/канавка с длиной, модифицируемой от точечной до бесконечности.

Подобные структуры могут иметь плавные профили (контуры), которые могут варьироваться в широких пределах в отношении формы и размеров. Кроме того, источник света может представлять собой не только дискретное средство освещения, но и являться раствором, полностью интегрированным в элемент световой панели, служащий в качестве световода.

Естественно, подразумевается, что материал для индикаторного элемента, используемого как световод, может включать в себя целый ряд прозрачных материалов, в том числе стекло, Световодная система в соответствии с настоящим изобретением позволяет производить, в частности, индикаторные панели с семью или более сегментами.