МОДУЛЬ ФАРЫ Российский патент 2020 года по МПК F21S41/20 B60Q1/04 G02B19/00 

Изобретение относится к осветительным приборам головной автомобильной оптики и может быть использовано для освещения поверхности дороги в фарах автомобилей, как в качестве основного, так и дополнительного освещения.

Известна фара головного света многофункциональная универсальная по патенту РФ №2563922 М. кл. B60Q 1/04, F21S 8/10, содержащая корпус, минимум один световой модуль с хотя бы одним твердотельным полупроводниковым источником света, блок источника питания с возможностью дистанционного включения, защитный экран-рассеиватель, выполненный совместно с линзами модульной оптики фары; твердотельные полупроводниковые источники света или источник света, размещенные на световом или световых модулях с вертикальным относительно поверхности светового модуля ориентированием их оптических осей, причем для формирования дальнего света часть из них располагается на оптических осях линз модульной оптики в их фокусах или близко к ним, для формирования ближнего света другая часть размещена со смещением вверх или с размещением вверх и частично влево относительно оптических осей линз модульной оптики по ходу движения транспортного средства для левостороннего движения и вправо - для правостороннего движения, отличающаяся тем, что линзы модульной оптики располагаются в одной или разных плоскостях, источники света располагаются в одной или разных плоскостях, характеризуется возможностью включения, отключения, переключения отдельных источников света по сигналу от встроенного или выносного датчика изменения положения транспортного средства, тем самым выполняя функцию динамической коррекции световой диаграммы в вертикальном и горизонтальном направлениях в зависимости от условий эксплуатации.

К недостаткам известной конструкции фары можно отнести ее сложность, большие габариты и высокие энергетические затраты.

Известно еще одно устройство формирования светового потока, см. патент ЕР 2006604 (А1) «Оптический модуль для устройств автомобильного освещения». Модуль включает в себя рефлектор, источник света, расположенный между рефлектором и элементом диоптрий линзы и оснащен стационарным или подвижным щитом и снабжен, по крайней мере, частично отражающим покрытием.

К недостаткам можно отнести низкие технологические возможности устройства, заключающихся в слабой эффективности освещения поверхности, поскольку источник света расположен перед рефлектором и затеняет часть отраженного от рефлектора света, что негативно сказывается на КПД оптической системы. Так же к недостаткам можно отнести сложность конструкции и высокие затраты на изготовление связанные с наличием рефлектора, который требует сложной и дорогостоящей модификации его поверхностей, при этом из-за больших размеров и массы существенно уменьшает варианты его использования в фарах автомобиля.

Известно более совершенное устройство формирования светового потока по патенту РФ №2071579 - прототип - «Фара для автомобилей» - содержащая рефлектор вогнутой формы, источник света цилиндрической формы, расположенный внутри рефлектора, экран, экранирующий нижнюю часть рефлектора и источник света и линзу, отображающую рефлектор, источник света и экран, при этом ось источника света расположена под осью рефлектора, кромка экрана расположена перпендикулярно вертикальной плоскости сечения XY параметра, линза выполнена в виде тела симметричной формы, а верхняя часть рефлектора, образованная кривой, выполнена раскрытой более чем нижняя часть рефлектора, при этом высота Н_П верхней части рефлектора больше, чем высота Н_Д нижней части рефлектора.

К недостаткам прототипа можно отнести низкие технологические возможности, заключающиеся в недостаточной эффективности освещения поверхности, а сложность конструкции, большие размеры и масса существенно уменьшают варианты использования и увеличивают затраты на изготовление, так как для создания первичного светового луча рефлектора, требуется нанесение на его поверхность дорогого и недолговечного металлизированного слоя. Так, в известном устройстве источник света затеняет часть отраженного от рефлектора света, что негативно сказывается на КПД оптической системы.

Техническим результатом предполагаемого изобретения является устранение недостатков прототипа, в частности повышение технологических возможностей модуля фары связанных с обеспечением более высокого оптического КПД и повышением эффективности освещения поверхности, с одновременным уменьшением габаритов и массы при снижении затрат на его изготовление, что позволит расширить варианты его использования.

Поставленный технический результат достигается использованием сочетания известных, общих с прототипом, признаков включающих корпус со смонтированными в нем источником света, устройством преобразования луча и ограничителем светового потока и новых, заключающихся в том, что устройство преобразования луча выполнено, по меньшей мере, в виде двух линз - фокусирующей коллиматорной и собирающей, между которыми смонтирован ограничитель светового потока, источник света установлен в полости, выполненной на осевой линии в вершине наружной отражающей стороны фокусирующей коллиматорной линзы, наружные ее поверхности в сторону освещаемого объекта выполнены вогнутыми, а наружная поверхность собирающей линзы, направленная в сторону освещаемого объекта, выполнена выпуклой, сформированной в виде асферической поверхности или плавно стыкующихся друг с другом двух поверхностей с различными радиусами.

Ограничитель выполнен регулируемым по высоте, верхняя грань которого, формирующего геометрию светового потока, выполнена в виде ломаной линии, расположенной ниже осевой линии светового луча на регулируемую величину «X», обеспечивающую формирование светового пятна на освещаемой поверхности.

В качестве материала линз использован термопластичный прозрачный пластик - поликарбонат или полиметилметакрилат.

Наружная поверхность фокусирующей коллиматорной линзы в полости со стороны источника света может быть выполнена в виде усеченного конуса, полусферы или в виде цилиндра, при этом верхняя ее поверхность выполнена в виде части сферы выпуклой в сторону источника света.

Источник света, смонтированный в полости фокусирующей коллиматорной линзы смонтирован на радиаторе.

Источник света смонтирован на одной оптической оси с фокусирующей коллиматорной и собирающей линзами

Расстояние между фокусирующей линзой и ограничителем светового потока выполнено равным 1,0-2,0 фокусного расстояния линзы.

Собирающая линза выполнена по толщине от 1/4 до 1/3 диаметра линзы, при этом ее диаметр равен от 30 до 50 мм.

Новизной предложенного технического решения является то, устройство преобразования луча выполнено, по меньшей мере, в виде двух линз - фокусирующей коллиматорной и собирающей, между которыми смонтирован ограничитель светового потока, источник света установлен в полости, выполненной на осевой линии в вершине наружной отражающей стороны фокусирующей коллиматорной линзы, наружные ее поверхности в сторону освещаемого объекта выполнены вогнутыми, а наружная поверхность собирающей линзы, направленная в сторону освещаемого объекта, выполнена выпуклой, сформированной в виде асферической поверхности или плавно стыкующихся друг с другом двух поверхностей с различными радиусами.

Так, одновременное использование фокусирующей коллиматорной и собирающей линз, между которыми смонтирован ограничитель светового потока, установление источника света в полости, выполненной на осевой линии в вершине наружной стороны фокусирующей коллиматорной линзы, выполнение наружных ее поверхностей в сторону освещаемого объекта вогнутыми, позволяют сократить потери света и обеспечить более высокий оптический КПД, возможность изготовления более компактных, легких и долговечных конструкций, простоту и дешевизну изготовления компонентов и конструкции в целом. При этом мы получаем синергетический эффект, поскольку возрастает эффективность деятельности в результате соединения, интеграции отдельных частей в единую систему за счет, так называемого, системного эффекта.

В отличие от прототипа, где рефлектор работает только на отражение и при этом большая часть света теряется поскольку световой поток идеально круглый, фокусирующая коллиматорная линза сужает исходящий световой поток до светового купола с углом половинной яркости менее 30° выполняет, при этом, функции световода и, одновременно, создает световое пятно в центре ярче, чем остальная часть, а боковые части наружных ее поверхностей направляют отраженную часть света окончательно конфигурируя угол раскрытия луча и снижая потери формируемого светового потока (луча). При этом слишком узкий общий луч не даст необходимого распределения света, а более широкий и КПД резко упадет и фокусирующая линза тогда станет большого диаметра, что приведет к увеличению размера и усложнению конструкции и ее удорожанию.

В совокупности с собирающей линзой формируют световой луч, который, имеет в поперечном сечении форму фигуры требуемой геометрии (согласно правилу ЕЭК ООН 112) - приближенной к прямоугольнику или эллипса, что наилучшим образом отражается на количестве света, который проходит после ограничителя светового потока, светотеневой границе и качестве освещения.

При этом установка источника света в полости, выполненной на осевой линии в вершине наружной отражающей стороны фокусирующей коллиматорной линзы позволяет сократить потери света и повысить технологические возможности модуля фары связанных с обеспечением более высокого оптического КПД и повышением эффективности освещения поверхности, с одновременным уменьшением габаритов и массы при снижении затрат на его изготовление.

Выполнение наружной поверхности собирающей линзы, направленной в сторону освещаемого объекта, выпуклой, сформированной в виде асферической поверхности или плавно стыкующихся друг с другом двух поверхностей с различными радиусами увеличивает ее апертуру, при сохранении размеров, обеспечивает прохождение большего количества света через нее, позволяет направить и сконцентрировать поток света на освещаемую поверхность, что увеличивает КПД.

Известно, что у линзы с малым радиусом будет слишком маленькая апертура, чем больше радиус (меньше кривизна), тем больше апертура. Однако фокусное расстояние линзы прямопропорционально радиусу линзы, т.е. чем больше радиус линзы, тем больше фокусное расстояние. Маленькое фокусное расстояние позволяет сделать систему компактной при одинаковых оптических параметрах всей системы. Кроме того, меленький радиус (и соответственно диаметр) позволяют сделать линзу с малой толщиной, что увеличивает КПД, так как ведет к сокращению потерь света при его прохождении через линзу. В итоге, если мы центральной части с меньшим радиусом добавим сегмент с большим радиусом, то получим линзу с нужным фокусным расстоянием, малой толщиной и отсутствием потерь на искажения и дифракцию, так как крайние лучи тоже участвуют в формировании изображения светового пятна. При этом, именно маленький радиус в центре дает геометрию раскрытия луча и в совокупности с большим радиусом на периферии линзы позволяет сжать линзу повысить ее апертуру и как следствие ее КПД и достичь требуемого фокусного расстояния. В случае если был бы только один радиус в центральной части линзы, то из-за малой апертуры линзы, часть света на переферии луча потерялась бы вовсе.

Выполнение наружной поверхности фокусирующей коллиматорной линзы в полости со стороны источника света в виде усеченного конуса, полусферы или в виде цилиндра, с верхней ее поверхностью выполненной в виде части сферы выпуклой в сторону источника света позволяет больше «вбирать» и фокусировать света и при этом у светового пятна есть центральный более яркий круг, который позволяет уменьшить мощность источника света, что приводит к снижению потребления электроэнергии, уменьшению радиатора и снижению себестоимости изделия в целом.

Как известно, основные потери света приходятся на прохождении через среду, и каждая граница сред отрицательно сказывается на КПД (воздух-линза, линза-воздух). При этом свет от источника света должен первоначально попасть в линзу, а при наличии сферической части, выпуклой в сторону источника света, меньше потерь света при проникновении через среду (водух-линза).

Монтаж источника света, установленного в полости фокусирующей коллиматорной линзы на радиаторе обеспечивает постоянное охлаждение и соответственно продолжительный срок службы.

Выполнение расстояния между фокусирующей коллиматорной линзой и ограничителем светового потока равным 1,0-2,0 фокусного расстояния линзы позволяет сохранить оптимальные характеристики освещения, без искажения, при сохранении высокого КПД, поскольку если будет больше двух фокусных расстояний, то мы не получим картинки светового пятна - получим мнимое изображение, которое станет маленьким -уменьшенным. Необходимо именно сочетание фокусного расстояния линзы, расстояние на котором линза находится от ограничителя светового потока и расстояния от линзы до освещаемого места, тогда получаем оптимальное расстояние фокусирующей линзы от ограничителя светового потока: меньше 2 и больше одного фокусного расстояния линзы.

Выполнение собирающей линзы по толщине от 1/4 до 1/3 диаметра линзы, при этом ее диаметр равным от 30 до 50 мм. позволяет получить линзу без нарушения кристаллической решетки, что увеличивает КПД, так как в толстой среде пластик застывает неравномерно, со сгустками и в них теряется свет. Именно при указанных допустимых границах с заданной толщиной линзы достигается необходимое раскрытие луча без искажений, а если линза толстая, то ее изготовление без нарушения кристаллической решетки невозможно, что приводит к искажению светового пятна и уменьшению оптического КПД, таким образом толщина более 1/3 диаметра линзы, неоправданна, поскольку ведет к увеличению расхода материалов, усложнению технологии изготовления, удорожанию и не дает более чем было достигнуто положительных эффектов.

Если толщина линзы при заданном диаметре менее 1/ 4, то не удается достичь требуемой геометрии луча, так как не происходит раскрытие приходящего луча на минимально требуемые 20° и неправильно сформируется световое пятно.

Признаки выполнения ограничителя регулируемым по высоте, верхняя грань которого, формирующего геометрию светового потока, выполнена в виде ломаной линии, расположенной ниже осевой линии светового луча на регулируемую величину «X», обеспечивающую формирование светового пятна на освещаемой поверхности, использование в качестве материала линз термопластичного прозрачного пластика - поликарбоната или полиметилметакрилата, монтаж источника света на одной оптической оси с фокусирующей коллиматорной и собирающей линзами - являются признаками дополнительными направленными на раскрытие основных признаков и способствующие достижению поставленного технического результата, а так же возможность изготовления более компактных, легких и долговечных конструкций, простоту и дешевизну изготовления компонентов конструкции.

Проведенные патентно-информационные исследования по источникам патентной и научно-технической информации показали отсутствие предложенного в объекте сочетания известных и новых признаков предполагаемого изобретения, что позволяет отнести признаки к существенным и обладающим новизной.

В связи с тем, что предложенное сочетание признаков не известно из существующего уровня техники и не вытекает из него явным образом и позволяет получить более высокий и даже неожиданный технический результат, при этом неочевидность синергетического эффекта, поскольку только совокупность и взаимосвязь приведенных ранее признаков дает такой положительный эффект, то предлагаемые существенные признаки и их сочетание можно считать имеющими изобретательский уровень.

Описание осуществления предлагаемого модуля, в том числе на конкретном примере позволяет отнести его к промышленно выполнимым.

На фиг. 1 схематично изображен предлагаемый модуль фары.

На фиг. 2 схематично изображен источник света смонтированный в полости: а) выполненной в виде усеченного конуса, б) в виде цилиндра

На фиг. 3 схематично изображен ограничитель светового потока.

Модуль фары состоит из корпуса 1 смонтированном на радиаторе 2, на котором в корпусе 1 смонтирована фокусирующая коллиматорная линза 3 с установленным светодиодом 4 в полости 5 в виде полусферы (в виде усеченного конуса 6, в виде цилиндра 7) с верхней ее поверхностью выполненной в виде части сферы выпуклой в сторону источника света 8, выполненной на осевой линии в вершине наружной отражающей поверхности 9 фокусирующей коллиматорной линзы 3, ограничитель светового потока 10 и собирающая линза 11. Для охлаждения светодиод 4 смонтирован на радиаторе 2 в корпусе 1. Ограничитель светового потока 10 смонтирован ниже осевой линии устройства на величину «х» на расстоянии от фокусирующей коллиматорной линзой равным 1,0-2,0 фокусного расстояния собирающей линзы для сохранения оптимальных характеристик освещения, без искажения, при сохранении высокого КПД, обеспечивающего заданные параметры освещения поверхности, например, дороги. Наружная поверхность 12 собирающей линзы 11 обращенной в сторону освещаемой поверхности выполнена в виде двух плавно стыкующихся и различных по кривизне поверхностей. Отражающая наружная поверхность 9 фокусирующей коллиматорной линзы 3 как и наружная поверхность 13 этой же линзы, обращенной в сторону освещаемой поверхности, выполнены вогнутыми. Фокусирующая коллиматорная линза 3 и собирающая линза 11 выполнены из термопластичного прозрачного пластика - поликарбоната или полиметилметакрилата. Верхняя грань 14 ограничителя светового потока 10, смонтированного между фокусирующей коллиматорной линзой 3 и собирающей линзой 11 выполнена в виде ломаной линии отстоящей от осевой линии устройства на регулируемую величину «С» зависящую от требуемых условий освещения поверхности.

Применение фокусирующей коллиматорной линзы 3 со смонтированным источником света - светодиодом 4 в полости 5, выполненной на осевой линии в вершине фокусирующей коллиматорной линзы 3 и собирающей линзы 11 в конструкции обеспечивают простоту в изготовлении, компактный размер и легкость конструкции, а так же дешевизну изготовления компонентов конструкции, обеспечивая при этом более высокий оптический КПД.

Предлагаемое устройство работает следующим образом:

При подаче напряжения на светодиод 4 он начинает излучать свет в виде купола с углом половинной яркости 120°. Этот свет попадает в полость 5 выполненную в виде полусферы, на осевой линии с наружной отражающей стороны 9 фокусирующей коллиматорной линзы 3, при этом верхняя ее поверхность 8 выполненная в виде части сферы выпуклой в сторону источника света, благодаря своей форме, «вбирает» и фокусирует больше света, чем ровная поверхность, таким образом, выпуклая верхняя поверхность 8 полости - обратная сфера забирает больше света и формирует центральный более яркий круг, позволяет уменьшить мощность источника света, что приводит к снижению потребления электроэнергии, уменьшению радиатора и снижению себестоимости изделия в целом.

Свет отражается от наружной отражающей поверхности 9 и распространяется в полости фокусирующей коллиматорной линзы 3, как в световоде, и выходит из нее через наружной поверхности 13, имея при этом световой купол с заданными параметрами и потерями менее 7% светового потока. Часть прошедшего луча попадает на ограничитель светового потока 10, чья верхняя грань 14, выполненная в виде ломанной линии, задает форму светового пятна, испускаемого устройством. На данном этапе отсекается не более 20% светового потока. Далее полученный луч проходит через собирающую линзу 11 зеркально переворачивается в двух плоскостях, выходит через наружную поверхность 12 направленной в сторону освещаемого объекта, и получает на освещаемой поверхности четкую форму свето-теневой границы. Наружная поверхность 12 увеличивает апертуру линзы при сохранении размеров, обеспечивает прохождение большего количества света через нее, позволяет направить и сконцентрировать поток света на освещаемую поверхность, что увеличивает КПД. Именно за счет большой апертуры при относительно малом диаметре линзы и малой толщины собирающей линзы (менее 1/3 ее диаметра) оптические потери составляют менее 5%. В результате получается световой луч необходимой сложной формы, с четкой свето-теневой границей, и потерями на формирование луча не более 32%. Радиатор 2 обеспечивает охлаждение светодиода 4 и надежную продолжительную его работу.

Таким образом повышаются технологические возможности модуля фары связанные с обеспечением более высокого оптического КПД и повышением эффективности освещения поверхности, с одновременным уменьшением габаритов и массы при снижении затрат на его изготовление.

В настоящее время на предприятии изготовлен опытный образец устройства, который в настоящее время в лабораторных условиях проходит опытные испытания. Предварительные результаты испытаний положительные. После проведения комплексных испытаний будет принято решение о производстве предлагаемых устройств.

Изобретение может быть использовано в фарах автомобилей как в качестве основного, так и дополнительного освещения. Фара содержит корпус, источник света, устройство преобразования луча в виде двух линз - коллиматорной и собирающей, между которыми смонтирован ограничитель светового потока, расположенный ниже осевой линии светового луча с обеспечением формирования светового пятна на освещаемой поверхности. Источник света смонтирован на одной оптической оси с коллиматорной и собирающей линзами и установлен в полости, выполненной на осевой линии в вершине наружной отражающей стороны коллиматорной линзы, наружные поверхности которой выполнены вогнутыми в сторону освещаемого объекта. Наружная поверхность собирающей линзы, направленная в сторону освещаемого объекта, выполнена выпуклой, сформированной в виде асферической поверхности или плавно стыкующихся друг с другом двух поверхностей с различными радиусами. Расстояние между коллиматорной линзой и ограничителем светового потока выполнено равным 1,0-2,0 фокусного расстояния собирающей линзы. Технический результат – повышение оптического КПД и эффективности освещения поверхности с одновременным уменьшением габаритов и массы при снижении затрат на его изготовление. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Фара, содержащая корпус со смонтированными в нем источником света, устройством преобразования луча и ограничителем светового потока и отличающаяся тем, что источник света смонтирован на одной оптической оси с коллиматорной и собирающей линзами, устройство преобразования луча выполнено, по меньшей мере, в виде двух линз - коллиматорной и собирающей, между которыми смонтирован ограничитель светового потока, расположенный ниже осевой линии светового луча с обеспечением формирования светового пятна на освещаемой поверхности, источник света установлен в полости, выполненной на осевой линии в вершине наружной отражающей стороны коллиматорной линзы, наружные ее поверхности в сторону освещаемого объекта выполнены вогнутыми, а наружная поверхность собирающей линзы, направленная в сторону освещаемого объекта, выполнена выпуклой, сформированной в виде асферической поверхности или плавно стыкующихся друг с другом двух поверхностей с различными радиусами, а расстояние между коллиматорной линзой и ограничителем светового потока выполнено равным 1,0-2,0 фокусного расстояния собирающей линзы.

2. Фара по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве материала линз использован термопластичный прозрачный пластик - поликарбонат или полиметилметакрилат, при этом собирающая линза выполнена по толщине от 1/4 до 1/3 диаметра, при этом ее диаметр равен от 30 до 50 мм.

3. Фара по п. 1, отличающаяся тем, что полость на осевой линии с наружной стороны коллиматорной линзы для источника света может быть выполнена в виде усеченного конуса или в виде цилиндра, при этом верхняя ее поверхность выполнена в виде части сферы выпуклой в сторону источника света.

4. Фара по п. 1, отличающаяся тем, что источник света, установленный в полости коллиматорной линзы, смонтирован на радиаторе.