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EP0930600B1 - Optikelement aus LED und zwei Linsen für die Erzeugung eines Lichtpunktes für Verkehrszeichen und Anzeigetafeln - Google Patents

Optikelement aus LED und zwei Linsen für die Erzeugung eines Lichtpunktes für Verkehrszeichen und Anzeigetafeln Download PDF

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Publication number
EP0930600B1
EP0930600B1 EP98890135A EP98890135A EP0930600B1 EP 0930600 B1 EP0930600 B1 EP 0930600B1 EP 98890135 A EP98890135 A EP 98890135A EP 98890135 A EP98890135 A EP 98890135A EP 0930600 B1 EP0930600 B1 EP 0930600B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
light
led
lens
housing
optical element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP98890135A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0930600A1 (de
Inventor
Franz Ing. Silhengst
Friedrich Peter Dipl.-Ing. Hofstadler
Alexander Dipl. Ing. Otto
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Swarco Futurit Verkehrssignalsysteme Ges mbH
Original Assignee
Swarco Futurit Verkehrssignalsysteme Ges mbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Swarco Futurit Verkehrssignalsysteme Ges mbH filed Critical Swarco Futurit Verkehrssignalsysteme Ges mbH
Priority to AT98890135T priority Critical patent/ATE311005T1/de
Publication of EP0930600A1 publication Critical patent/EP0930600A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0930600B1 publication Critical patent/EP0930600B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V5/00—Refractors for light sources
    • F21V5/008—Combination of two or more successive refractors along an optical axis
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L5/00—Local operating mechanisms for points or track-mounted scotch-blocks; Visible or audible signals; Local operating mechanisms for visible or audible signals
    • B61L5/12—Visible signals
    • B61L5/18—Light signals; Mechanisms associated therewith, e.g. blinders
    • B61L5/1809—Daylight signals
    • B61L5/1836—Daylight signals using light sources of different colours and separate optical systems
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L5/00—Local operating mechanisms for points or track-mounted scotch-blocks; Visible or audible signals; Local operating mechanisms for visible or audible signals
    • B61L5/12—Visible signals
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V5/00—Refractors for light sources
    • F21V5/04—Refractors for light sources of lens shape
    • F21V5/048—Refractors for light sources of lens shape the lens being a simple lens adapted to cooperate with a point-like source for emitting mainly in one direction and having an axis coincident with the main light transmission direction, e.g. convergent or divergent lenses, plano-concave or plano-convex lenses
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09F—DISPLAYING; ADVERTISING; SIGNS; LABELS OR NAME-PLATES; SEALS
    • G09F9/00—Indicating arrangements for variable information in which the information is built-up on a support by selection or combination of individual elements
    • G09F9/30—Indicating arrangements for variable information in which the information is built-up on a support by selection or combination of individual elements in which the desired character or characters are formed by combining individual elements
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L2207/00—Features of light signals
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F21W—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO USES OR APPLICATIONS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS
    • F21W2111/00—Use or application of lighting devices or systems for signalling, marking or indicating, not provided for in codes F21W2102/00 – F21W2107/00
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08G—TRAFFIC CONTROL SYSTEMS
    • G08G1/00—Traffic control systems for road vehicles
    • G08G1/09—Arrangements for giving variable traffic instructions
    • G08G1/095—Traffic lights
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09F—DISPLAYING; ADVERTISING; SIGNS; LABELS OR NAME-PLATES; SEALS
    • G09F13/00—Illuminated signs; Luminous advertising
    • G09F13/04—Signs, boards or panels, illuminated from behind the insignia
    • G09F13/0418—Constructional details
    • G09F13/0472—Traffic signs
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S362/00—Illumination
    • Y10S362/80—Light emitting diode
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S362/00—Illumination
    • Y10S362/812—Signs

Definitions

  • the invention relates to an optical element for traffic signs, in particular Variable message signs, scoreboards or the like, the at least one Condenser lens, one arranged in front of the convergent lens light source and one behind the Concentrating lens arranged dispersing lens, wherein convergent lens and diffuser lens the same have optical axis, on which the light source is arranged, and wherein Conveying lens, scattering lens and light source surrounded by a common housing are.
  • Such a display panel is disclosed in DE 42 25 139 A1.
  • the said Document deals with the problem, at one above the viewer mounted display panel to direct their light emission as possible downward without the To tilt the table itself.
  • the solution to this problem is provided by a corresponding optics, which consists of two elements, namely one of the light source close lying condenser lens and a scattering disc called element, close to the Lens is arranged and forms the front end of the optical element.
  • the latter element is used to the exiting light down radiate.
  • a lens arrangement is associated with a Laser diode disclosed.
  • the lens arrangements described herein are collectively and dispersing lens are not arranged at a distance from each other, but rather it is the collecting lens glued to a unit with a cover glass and the scattering lens.
  • the light of one or more lamps means Optical fibers on a variety of points of light, which symbols or Characters are arranged, split and the switching between the ads through Turning on and off the associated lamps causes.
  • LED light emitting diodes
  • Light-emitting diodes differ from conventional light bulbs not only by the Light generation by means of semiconductor technology, which is a nearly monochromatic colored Generated light, but also by integrated optical measures for light guidance, which on the one hand improve the useful light component, on the other hand universal, cheap Generate light distribution characteristics in narrow and wide beam versions, so that the LED is used directly as a signal light without any further optical measures can be.
  • the required light distribution is often only by pre-circuit reachable with additional lenses, the main problem is that high phantom light.
  • the lentil of the usually crystal clear transparent LED body bundles incident sunlight directly on the highly reflective internals in the Inside the LED, such as reflector and reflector edge, Terminal lugs and contact points from where it is thrown back. Because of the crystal clear LED body is also the phantom light is relatively whitish and unfiltered and often appears brighter than the sun in unfavorable position actual signal light.
  • a known measure is to have a convergent lens in a suitable distance in front of a relatively wide-beam LED to set (Fig. 8).
  • the obliquely incident sunlight is at sufficient distance of the LED to the convergent lens for Completely outside the LED passed and on housing surfaces absorbed.
  • this arrangement has the disadvantage of large space requirement and is therefore not suitable for universal application.
  • Another disadvantage is the usually circularly symmetrical Light emission of the LEDs, which leads that a large amount of light is emitted unused into irrelevant areas, if not also optical measures are taken against it.
  • the object of the invention is to provide a universal LED optics for variable message signs develop, which can be used without windscreen and with a smooth outside and the benefits of the LED, such as low energy consumption, long life and Maintenance-free benefits, on the other hand, but has virtually no phantom light, which individually adaptable, in particular oval light distributions without substantial Loss of light allows to different LED designs, LED suppliers or Abstrahl characterizingen is adaptable and the smallest possible axial distance adjacent optics allowed.
  • FIGS. 2 to 7 show preferred embodiments in section, Fig. 8 and 9 previously common solutions compared.
  • Fig. 1 shows a vertical section through a non-inventive optics.
  • the light source 1 Shown in all examples as LED with a broad emission characteristic, you send Light 6 on the immediately before coaxially arranged converging lens 2. This is on the one hand a better light bundling possible than by the use of a narrow beam LED, on the other hand, the light bundling can be affected.
  • Within the LED 1 are installed 19 internals. They serve the power supply and the Positioning of the actual luminous semiconductor chip 20, but also form a Auxiliary reflector 21, the side-emitting light in the main emission reflect reflected and therefore have high-gloss surfaces.
  • the LED works therefore for optics located in the immediate vicinity not as spotlights, they emits a mixture of direct and reflected light rays. The light can Therefore, only very poorly focused, which is why for the lens geometries too no physically accurate information can be given, but only qualitative Descriptions of their properties.
  • the geometry of the Conveying lens is therefore preferably determined in iterative calculations.
  • the light beams 7 are deflected so that as many as possible Light rays fall through the scattering lens 3, which is coaxial at a certain distance is arranged to the converging lens. There, the light beams 7 are deflected so or scattered, that the desired light distribution 8 is achieved.
  • the angle ⁇ gives the light incidence limit for stray light, especially the light of the low sun 12, which still does not produce phantom light, before.
  • the regulations go from a sun's position of 10 degrees vertically above the Reference axis (mostly the direction of maximum useful light intensity) out. Because of unavoidable tolerances and the Size of the sun's diameter itself is recommended Fixing this inclination angle ⁇ to about 9 degrees, it But you can also choose any other angle become.
  • the size of the angle ⁇ certainly determines the entire geometry of optics.
  • the geometry of the scattering lens 3 is set so that the emerging light beams 8 with their inclinations ⁇ always remain below the inclination angle ⁇ . Hiedruch will ensured that in the opposite direction no Sunbeam 12, provided it is at an angle ⁇ greater than or equal to the optics, the same way back either over the reflector 21 or directly to the Chip 20 of the LED 1 finds and so a lighting of the LED simulated. Nevertheless, light rays 22 to the LED 1 penetrate. They meet others, not immediately involved in the light emission surfaces 23, or often reflected several times on the glass body of the LED and broken and generate in this way also one certain phantom light.
  • the length of the optics is therefore preferred set so that no sunbeam at all 12, the angle of incidence ⁇ greater than / equal the inclination angle ⁇ , to the convergent lens 2 or LED 1 can penetrate. This is the case inside with a mat as possible, light-absorbing Surface structure, such as Circumferential grooves and preferred executed in black, so that it hits all the rays of light 12 can absorb as well as possible.
  • the housing 4 is completely closed on the circumference, on the one hand, to be able to absorb light at every point, on the other hand, to allow light exchange within the device prevent, but also to the pollution of the lenses too prevent.
  • the optic is mounted in a matrix plate 24.
  • the Dimensions of the components are not significantly larger in Diameter than the LED itself, so is also one accordingly tight arrangement possible. At the purchase of certain Light losses, the diameter can be even further be reduced.
  • Fig. 2 shows a construction which is generally a lesser Length as shown in Fig. 1.
  • the divergent ones Beams of light 7 cross each other before striking on the scattering lens 3 and form there a focal spot. 9
  • the converging lens 2 requires a higher refraction of light as in the previous example.
  • the desired light distribution 8 and the resulting refractive power of the scattering lens 3 there is also the possibility that all the sun's rays 12, which has an angle of incidence ⁇ greater than or equal to Include angle of inclination ⁇ , absorbed on the housing wall become.
  • FIG. 3 shows an aperture 10 in the region of the focal spot 9, the opening 11 to the periphery of the light beam 7th is adapted. It holds sunbeams 12 from further penetration completely inside the housing.
  • the light absorption on a housing wall is done by an unavoidable surface gloss never completely, so that on the housing wall diffusely reflected light rays can reach the LED.
  • Another improvement of Phantom light effect is possible if all penetrating Light rays 12 are caught at the aperture 10 can.
  • Fig. 4 shows such optics in plan and plan.
  • the Spreading lens 3 has a focal point 14 in the region of Focal spot 9, where there is also a diaphragm 10.
  • the focal point of sun rays 12 which parallel to the inclination of the inclination angle ⁇ , within the aperture 10 or just behind it. So no sunbeam can penetrate further into the interior.
  • the formation of the scattering lens with focal point 14 has to Result that the light distribution 8 according to the optical imaging laws an upside down image of the aperture 11 and the prevailing light distribution there and intensity.
  • the definition of the light distribution must in this case by appropriate detailing of the Conveying lens 2 done by the light beams 7th be swiveled more or less. If necessary, join increased losses due to edge light rays 13 at the diaphragm 10, or no longer on the scattering lens 3 hitting Nutzlichtstrahlen on.
  • Fig. 4 further shows that the focal point 14 only in vertical Direction is required.
  • the focal point 14 only in vertical Direction is required.
  • Fig. 5 shows the deflection of the light distribution 8 by a Angle e, which by a horizontal lens structure 16 is effected. This will increase the visibility in those cases improved, in which the display device is not inclined can be tilted down. At the same angle ⁇ the phantom light sensitivity also improves because also the sunbeams 12 downwards by this amount be directed against the aperture 10.
  • Fig. 6 shows in addition to the round shape an oval design for optics with horizontal axis of symmetry, in particular Also oval radiating optics, as well as an egg-shaped design with only a single positioning possibility.
  • the housing 4 also run split, making the aperture light can be integrated.
  • the subdivision allows in particular the construction of a modular system with different Light distributions and manufacturer-specific LED designs.
  • Fig. 7 shows such a modular system optical, mechanical and electrical interfaces represents.
  • the rear housing contains the respective Condenser lens and the LED. While the front housing 4 together Aperture 10 is the same here, the rear housing varies depending according to LED type. Since each LED design has its own radiation characteristics has, must also the condenser lens be customized. If in the focal spot 9 each LED type has approximately the same light distribution can they are arbitrarily combined with different scattering lenses 3 become. These can have the same outer barrel, the different scattering structures are located on the Inside. Above a LED 1a is shown in SMD technology, which practically always soldered on a board is. So can all the LED 1a on a common board 17a, which also equal the interconnection and power supply includes, be attached.
  • the board 17a becomes after soldering on extensions 18a of the associated housing 4a caught, so that the optics all together be supported and aligned. Even the mix with other types of LED is possible, if necessary, their housing 4b are recessed in the board 17a.
  • LED 1b in standard design ⁇ 3 or ⁇ 5 mm. This can either also be soldered onto a board 17b, For this purpose extensions 18b are used for the exact positioning Housing 4 b attached. But you can also freely wired be, especially in small quantities and individually designed devices recommends.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Optikelement für Verkehrszeichen, insbesondere Wechselverkehrszeichen, Anzeigetafeln oder dergleichen, das zumindest eine Sammellinse, eine vor der Sammellinse angeordnete Lichtquelle und eine hinter der Sammellinse angeordnete Streulinse umfasst, wobei Sammellinse und Streulinse dieselbe optische Achse aufweisen, auf der auch die Lichtquelle angeordnet ist, und wobei Sammellinse, Streulinse und Lichtquelle von einem gemeinsamen Gehäuse umgeben sind.
Eine derartige Anzeigetafel ist in der DE 42 25 139 A1 geoffenbart. Das genannte Dokument beschäftigt sich mit dem Problem, bei einer oberhalb des Betrachters montierten Anzeigetafel deren Lichtabstrahlung möglichst nach unten zu richten, ohne die Tafel selbst schräg zu stellen. Die Lösung dieses Problems erfolgt durch eine entsprechende Optik, die aus zwei Elementen besteht, nämlich einer der Lichtquelle nahe liegenden Sammellinse und einem als Streuscheibe bezeichneten Element, das nahe der Sammellinse angeordnet ist und den vorderen Abschluss des Optikelementes bildet. Letztgenanntes Element dient allerdings dazu, das austretende Licht nach unten abzustrahlen.
In der US 5 504 350 A ist eine Linsenanordnung im Zusammenhang mit einer Laserdiode geoffenbart. Bei den hierin beschriebenen Linsenanordnungen sind Sammel- und Streulinse nicht in einem Abstand voneinander angeordnet, sondern es ist vielmehr die Sammellinse mit einem Abdeckglas und der Streulinse zu einer Einheit verklebt. Überdies ist im Zusammenhang mit diesen Linsenanordnungen ein topfförmiges Gehäuse geoffenbart, in dem lediglich die Sammellinse angeordnet ist; die Streulinse ist auf dem Abdeckglas außerhalb des Gehäuses angeklebt.
Bisher wurde in Wechselverkehrszeichen das Licht einer oder mehrerer Lampen mittels Lichtleiterfasern auf eine Vielzahl von Lichtpunkten, welche zu Symbolen oder Schriftzeichen angeordnet sind, aufgeteilt und der Wechsel zwischen den Anzeigen durch Ein- und Ausschalten der zugehörigen Lampen bewirkt.
Seitdem es gelungen ist, Leuchtdioden (LED) mit hoher Lichtbündelung, Lichtstärke und Lebensdauer in einer Vielzahl von Farben bzw. in nahezu allen festgelegten Signalfarben herzustellen, wurde versucht, die Vorteile der Leuchtdioden gegenüber den üblicherweise verwendeten Glühlampen, wie Abstrahlung eines gerichteten Lichtbündels, wesentlich höhere Lebensdauer und sehr günstiges Energieverhältnis bei farbigem Licht, in Werbe- und Informationsschildern und auch der Verkehrssignalisation einzusetzen. Insbesonders wird versucht, die technologisch aufwendige Faseroptik in Wechselverkehrszeichen zu ersetzen. Aber auch der Einsatz in grafikfähigen Anzeigen wird forciert, weil bei entsprechender Beschaltung jede LED einzeln angesteuert werden kann und daher individuell programmierbare Darstellungen und Informationen erlaubt.
Leuchtdioden unterscheiden sich von herkömmlichen Glühlampen nicht nur durch die Lichterzeugung mittels Halbleitertechnik, welche ein nahezu monochromatisches farbiges Licht erzeugt, sondern auch durch integrierte optische Maßnahmen zur Lichtlenkung, welche einerseits den Nutzlichtanteil verbessern, anderseits universelle, günstige Lichtverteilungscharakteristiken in eng- und breitabsrahlenden Ausführungen erzeugen, sodaß die LED ohne weitere optische Maßnahmen direkt als Signallicht eingesetzt werden kann.
Während für Werbe- und Informationsschilder keine übergeordneten Vorschriften bezüglich ihrer lichttechnischen Eigenschaften bestehen, existieren solche im Bereich der Verkehrstechnik schon lange, wobei insbesonders Lichtfarbe, Helligkeit, Lichtverteilung, Gleichmäßigkeit und vor allem ein geringes Phantomlicht (Vortäuschung eines eingeschalteten Signallichts durch einfallendes Sonnenlicht) vorgeschrieben sind. Die handelsüblichen Bauformen entsprechen diesen Anforderungen nur zum Teil, werden aber trotzdem eingesetzt, solange kundenspezifische Ausführungen der LED völlig unwirtschaftlich und seitens mancher Hersteller auch aus technologischen Gründen derzeit undurchführbar sind.
Werden in der Verkehrstechnik die LED direkt ohne zusätzliche optische Maßnahmen eingesetzt, so entsprechen Lichtfarbe, Helligkeit und Gleichmäßigkeit zumeist den Vorgaben, die geforderte Lichtverteilung ist oft nur durch Vorschaltung zusätzlicher Linsen erreichbar, Hauptproblem ist das hohe Phantomlicht. Die Linsenkuppe des in der Regel glasklar transparenten LED-Körpers bündelt einfallendes Sonnenlicht direkt auf die hochreflektierenden Einbauten im Inneren der LED, wie beispielsweise Reflektor und Reflektorrand, Anschlußfahnen und Kontaktstellen, von wo es zurückgeworfen wird. Wegen des glasklaren LED-Körpers ist auch das Phantomlicht relativ weißlich und ungefiltert und erscheint bei ungünstigem Sonnenstand oft heller als das eigentliche Signallicht.
In der Verkehrstechnik setzt sich die Vorgabe durch, daß zur Phantomlichtbeurteilung ein Sonnenstand von 10 Grad senkrecht über der optischen Achse des Signals (zumeist die Richtung der maximalen Lichtabstrahlung) angenommen wird. Bei solchen Winkeln müssen jedenfalls zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden, um den oben geschilderten Effekt zu begrenzen.
Während bei Signalgebern die mit einer Vielzahl von LED in einer festgelegten Anordnung bestückte Signaleinheit in ihrer Gesamtheit bezüglich des Phantomverhaltens untersucht und verbessert werden kann, werden bei Wechselverkehrszeichen vorzugsweise die einzelnen Lichtpunkt-Optiken betrachtet, damit diese in beliebiger Anzahl und Anordnung zu Symbolen oder Schriftzeichen kombiniert werden können.
Eine bekannte Maßnahme besteht darin, eine Sammellinse in einem passenden Abstand vor eine relativ breitstrahlende LED zu setzen (Fig. 8). Das schräg einfallende Sonnenlicht wird bei genügendem Abstand der LED zur Sammellinse zur Gänze außerhalb der LED vorbeigeführt und an Gehäuseflächen absorbiert. Diese Anordnung hat jedoch den Nachteil eines großen Platzbedarfs und eignet sich deshalb nicht für universelle Anwendung.
Eine andere Maßnahme besteht in der Vorschaltung von horizontalen Lamellen (Fig.9 oben) oder Rohrstücken (Fig.9 Mitte), um das Sonnenlicht abzuschirmen, auch werden kleine, lange Sonnenblenden bzw. Schuten (Fig.9 unten), insbesonders bei Mehrfach-LED-Lichtpunkten eingesetzt, wie das prinzipiell auch bei Signalgebern üblich ist. Hier ist insbesonders von Nachteil, daß diese Vorsatzelemente entweder durch eine Frontscheibe vor Witterung und Schmutz geschützt oder häufig gesäubert werden müssen. Sie werden vor allem für LED-Anordnungen im rechteckigen Raster verwendet.
Eine weitere Maßnahme besteht in der Verwendung von in der Signalfarbe eingefärbten Linsen oder LED-Körpern (tinting). Das Sonnenlicht muß den gefärbten Bauteil zweimal durchlaufen, wobei vor allem die fremden Farbanteile des Lichts ausgefiltert werden, das LED-Licht nur einmal, wobei die Einfärbung für die eigentliche Signalfarbe möglichst durchlässig ist. Hierdurch wird das Sonnenlicht wesentlich geschwächt, das Nutzlicht verringert sich in viel geringerem Maße. Nachteilig ist nicht nur die geringere Nutzlichtstärke, was durch eine höhere Anzahl von Lichtpunkten kompensiert werden muß, sondern auch das Phantomlicht in Signalfarbe, welches gegenüber weißem Phantomlicht in vielen Anwendungen als besonders kritisch angesehen wird.
Ein weiterer Nachteil ist die üblicherweise kreissymmetrische Lichtabstrahlung der Leuchtdioden, welche dazu führt, dass ein großer Lichtanteil ungenutzt in irrelevante Bereiche abgestrahlt wird, wenn nicht ebenfalls optische Maßnahmen dagegen ergriffen werden.
Weiters haben handelsübliche Leuchtdioden Abstrahlcharakteristiken, die in der Regel mit der benötigten Lichtverteilung der Lichtpunkte nicht gut übereinstimmen. Hierdurch müssen ohne Zusatzoptik oft unverhältnismäßig mehr LED verwendet werden, nur um in lichtschwachen Bereichen noch ausreichend Licht zu haben. In vielen Fällen kann die geforderte Lichtverteilung überhaupt nicht ohne Zusatzmaßnahmen erreicht werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine universelle LED-Optik für Wechselverkehrszeichen zu entwickeln, welche ohne Frontscheibe und mit glatter Außenseite eingesetzt werden kann und die Vorteile der LED, wie geringer Energieverbrauch, lange Lebensdauer und Wartungsfreiheit nützt, anderseits aber nahezu kein Phantomlicht aufweist, welche individuell anpassbare, insbesondere ovale Lichtverteilungen ohne wesentliche Lichtverluste ermöglicht, an unterschiedliche LED-Bauformen, LED-Lieferanten oder Abstrahlcharakteristiken adaptierbar ist und einen möglichst geringen Achsabstand benachbarter Optiken erlaubt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Fig. 1 zeigt in Schnitt ein nicht erfindungsgemässe Beispiel, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen Fig. 2 bis Fig. 7 bevorzugte Ausführungsformen im Schnitt, Fig. 8 und 9 bisher gebräuchliche Lösungen im Vergleich.
Fig. 1 zeigt einen Vertikalschnitt durch eine nicht erfindungsgemäße Optik. Die Lichtquelle 1, in allen Beispielen als LED mit breiter Abstrahlungscharakteristik dargestellt, sendet ihr Licht 6 auf die unmittelbar davor koaxial angeordnete Sammellinse 2. Hierdurch ist einerseits eine bessere Lichtbündelung möglich als durch die Verwendung einer engbündelnden LED, anderseits kann die Lichtbündelung beeinflußt werden. Innerhalb der LED 1 sind Einbauten 19 eingezeichnet. Sie dienen der Stromzuführung und der Positionierung des eigentlich leuchtenden Halbleiterchips 20, bilden aber auch einen Hilfsreflektor 21, der das seitlich abstrahlende Licht in die Hauptabstrahlrichtung reflektiert reflektiert und haben deswegen hochglänzende Oberflächen. Die LED wirkt deswegen für in unmittelbarer Nähe befindliche Optiken nicht als Punktstrahler, sie sendet ein Gemisch von direkten und reflektierten Lichtstrahlen aus. Das Licht kann daher nur sehr mangelhaft fokussiert werden, weshalb für die Linsengeometrien auch keine physikalisch exakten Angaben gemacht werden können, sondern nur qualitative Beschreibungen ihrer Eigenschaften.
An jeder Stelle der Oberfläche der Sammellinse 2 treten Lichtstrahlenbündel 7 aus, deren Divergenz δ durch die Art und Größe aller Einbauten 19, 20 und 21 bedingt ist und für jede Stelle der Sammellinse 2 eigens bestimmt werden muß. Die Geometrie der Sammellinse wird daher vorzugsweise in iterativen Berechnungen festgelegt. Günstigerweise werden die Lichtstrahlenbündel 7 so abgelenkt, daß möglichst alle ihrer Lichtstrahlen durch die Streulinse 3 fallen, welche in einem bestimmten Abstand koaxial zur Sammellinse angeordnet ist. Dort werden die Lichtstrahlenbündel 7 so abgelenkt oder gestreut, daß die gewünschte Lichtverteilung 8 erzielt wird.
Der Winkel α gibt die Lichteinfallsgrenze für Störlicht, insbesonders das Licht der tiefstehenden Sonne 12, welches noch kein Phantomlicht erzeugen soll, vor. Die Vorschriften gehen von einem Sonnenstand von 10 Grad senkrecht über der Referenzachse (zumeist die Richtung höchster Nutzlichtintensität) aus. Wegen unvermeidlicher Toleranzen und der Größe des Sonnendurchmessers selbst empfiehlt sich eine Festlegung dieses Inklinationswinkels α auf etwa 9 Grad, es kann aber auch ein beliebiger anderer Winkel gewählt werden. Die Größe des Winkels Á bestimmt jedenfalls die gesamte Geometrie der Optik.
Die Geometrie der Streulinse 3 ist so festgelegt, daß die austretenden Lichtstrahlen 8 mit ihren Neigungen β immer unterhalb des Inklinationswinkels α bleiben. Hiedruch wird sichergestellt, daß auch in umgekehrter Richtung kein Sonnenstrahl 12, sofern er unter einem Winkel γ größer/gleich α auf die Optik trifft, den gleichen Weg zurück entweder über den Reflektor 21 oder direkt bis zum Chip 20 der LED 1 findet und so ein Aufleuchten der LED simuliert. Trotzdem können Lichtstrahlen 22 bis zur LED 1 vordringen. Sie treffen dabei auf andere, nicht unmittelbar an der Lichtabstrahlung beteiligte Flächen 23, oder werden oft mehrfach am Glaskörper der LED reflektiert und gebrochen und erzeugen auch auf diese Weise ebenfalls ein gewisses Phantomlicht. Die Länge der Optik wird daher vorzugsweise so festgelegt, daß überhaupt kein Sonnenstrahl 12, der einen Einfallswinkel γ größer/gleich dem Inklinationswinkel α aufweist, bis zur Sammellinse 2 bzw. LED 1 vordringen kann. Dazu ist das Gehäuse innen mit einer möglichst matten, lichtabsorbierenden Oberflächenstruktur, wie z.B. Umfangsrillen und bevorzugt in Schwarz ausgeführt, sodaß es alle auftreffenden Lichtstrahlen 12 möglichst gut absorbieren kann.
Es ist unmittelbar einsichtig, daß Sonnenstrahlen 12 mit einem beliebig steileren Einfallswinkel γ im Gehäuse 4 weiter vorne absorbiert werden, sodaß für alle Sonnenstände oberhalb dem Inklinationswinkel α die Phantomfreiheit angenommen werden kann.
Das Gehäuse 4 ist am Umfang vollkommen geschlossen, einerseits, um an jeder Stelle Licht absorbieren zu können, anderseits, um Lichtaustausch innerhalb des Geräts zu verhindern, aber auch um die Verschmutzung der Linsen zu verhindern.
Die Optik ist in einer Matrixplatte 24 befestigt. Die Abmessungen der Bauteile sind nicht wesentlich größer im Durchmesser als die LED selbst, damit ist auch eine entsprechend dichte Anordnung möglich. Bei Inkaufnahme gewisser Lichtverluste kann der Durchmesser auch noch weiter verringert werden.
Es ist möglich, zur Erzielung einer glatten Außenseite die Streulinse 3 mit planer Frontfläche auszuführen und die Streuelemente vollständig auf der Innenseite anzubringen, es ist sogar denkbar, die Streulinse 3 vollkommen plan ohne Lichtbrechung auszuführen, wenn die von der Sammellinse 2 erzeugte Lichtverteilung bereits entspricht. In diesem Fall könnte auch anstelle der Streulinsen 3 eine gemeinsame Frontscheibe vor dem Gerät angeordnet werden.
Fig. 2 zeigt eine Bauform, die im allgemeinen eine geringere Länge als in Fig. 1 aufweist. Die divergierenden Lichtstrahlenbündel 7 kreuzen einander vor dem Auftreffen auf die Streulinse 3 und bilden dort einen Brennfleck 9. Hierzu benötigt die Sammellinse 2 eine höhere Lichtbrechung als im vorigen Beispiel. Je nach der gewünschten Lichtverteilung 8 und der resultierenden Brechkraft der Streulinse 3 besteht auch hier die Möglichkeit, daß alle Sonnenstrahlen 12, die einen Einfallswinkel γ größer/ gleich dem Inklinationswinkel α aufweisen, an der Gehäusewand absorbiert werden.
Durch den Brennfleck 9 entsteht auch ein Freiraum zwischen Gehäusewand und Nutzlichtstrahlen, welcher entweder durch eine Einschnürung des Gehäuses 4 an dieser Stelle, besser aber durch den Einbau von mindestens einer Blende 10 das Phatomlichtverhalten deutlich verbessern kann.
Fig. 3 zeigt eine Blende 10 im Bereich des Brennflecks 9, deren Öffnung 11 an den Umfang des Lichtstrahlenbündels 7 angepaßt ist. Sie hält Sonnenstrahlen 12 vom weiteren Eindringen ins Gehäuseinnere vollständig ab.
Die Lichtabsorption an einer Gehäusewand erfolgt durch einen unvermeidbaren Oberflächenglanz nie vollständig, sodaß an der Gehäusewand diffus reflektierte Lichtstrahlen bis zur LED gelangen können. Eine weitere Verbesserung des Phantomlichteffektes ist dann möglich, wenn alle eindringenden Lichtstrahlen 12 an der Blende 10 abgefangen werden können.
Fig. 4 zeigt eine solche Optik in Auf- und Grundriß. Die Streulinse 3 besitzt einen Brennpunkt 14 im Bereich des Brennflecks 9, wo sich auch eine Blende 10 befindet. Der Abstand zur Streulinse 3 und die Blendengröße ist dabei so gewählt, daß der BrennpunKt von Sonnenstrahlen 12, welche parallel mit der Neigung des Inklinationswinkels α einfallen, innerhalb der Blende 10 oder knapp dahinter liegt. Damit kann kein Sonnenstrahl weiter ins Innere vordringen.
Unter Umständen müssen dabei auch geringe Lichtverluste, dargestellt durch den abgeschnittenen Nutzlichtstrahl 13, inkaufgenommen werden. Ebenfalls ist dargestellt, daß die Blende 10 hier im oberen Bereich der Optik nicht erforderlich ist, da keinerlei Sonnenlicht dorthin gelangen kann.
Die Ausbildung der Streulinse mit Brennpunkt 14 hat zur Folge, daß die Lichtverteilung 8 nach den optischen Abbildungsgesetzen ein auf den Kopf gestelltes Abbild der Blendenöffnung 11 sowie der dort herrschenden Lichtverteilung und -intensität ergibt. Die Festlegung der Lichtverteilung muß in diesem Fall durch geeignete Detailgestaltung der Sammellinse 2 erfolgen, indem die Lichtstrahlenbündel 7 mehr oder weniger verschwenkt werden. Allenfalls treten erhöhte Verluste durch Randlichtstrahlen 13 an der Blende 10, oder nicht mehr auf die Streulinse 3 treffende Nutzlichtstrahlen auf.
Fig. 4 zeigt weiters, daß der Brennpunkt 14 nur in vertikaler Richtung erforderlich ist. Im Grundriß erkennt man, daß mit Hilfe der vertikalen Streuoptik 15 an der Innenseite der Streulinse 3 eine horizontale Breitenstreuung des abgestrahlten Lichtes 8 erfolgt, sodaß insgesamt eine beliebige ovale Lichtverteilung erzielt werden kann.
Fig. 5 zeigt die Ablenkung der Lichtverteilung 8 um einen Winkel e, welche durch eine horizontale Linsenstruktur 16 bewirkt wird. Hierdurch wird die Sichtbarkeit in jenen Fällen verbessert, in welchen das Anzeigegerät nicht schräg nach unten verkippt werden kann. Um den gleichen Winkel ε verbessert sich auch die Phantomlichtempfindlichkeit, weil auch die Sonnenstrahlen 12 um diesen Betrag nach unten gegen die Blende 10 gelenkt werden.
Bei allen Ausführungen mit nicht kreissymmetrischen Lichtverteilungen, Blenden und Optiken empfiehlt sich eine unrunde Bauform der Optiken, sodaß die korrekte Montage durch Formschluß sichergestellt ist.
Fig. 6 zeigt neben der runden Form eine ovale Ausführung für Optiken mit horizontaler Symmetrieachse, insbesonders auch oval abstrahlende Optiken, sowie eine eiförmige Bauform mit nur einer einzigen Positionierungsmöglichkeit.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann das Gehäuse 4 auch geteilt ausgeführt werden, wodurch die Blende leicht integriert werden kann. Die Unterteilung erlaubt insbesonders den Aufbau eines Baukastensystems mit unterschiedlichen Lichtverteilungen und herstellerspezifischen LED-Bauformen. Fig. 7 stellt ein solches Baukastensystem mit optischen, mechanischen und elektrischen Schnittstellen dar.
Im vorderen Gehäuse 4 sind die Streulinse 3 und die Blende 10 untergebracht, das hintere Gehäuse enthält jeweils die Sammellinse und die LED. Während das vordere Gehäuse 4 samt Blende 10 hier gleich ist, variiert das hintere Gehäuse je nach LED-Typ. Da jede LED-Bauform eine eigene Abstrahlungscharakteristik hat, muß auch die Sammellinse individuell angepaßt sein. Wenn im Brennfleck 9 jede LED-Type annähernd die gleiche Lichtverteilung aufweist, kann sie beliebig mit unterschiedlichen Streulinsen 3 kombiniert werden. Diese können dabei die gleiche Außenfasson haben, die unterschiedlichen Streustrukturen befinden sich auf der Innenseite. Oben ist eine LED 1a in SMD-Technik dargestellt, welche praktisch immer auf eine Platine aufgelötet ist. So können alle LED 1a auf einer gemeinsamen Platine 17a, welche auch gleich die Verschaltung und Spannungsversorgung beinhaltet, befestigt sein. Die Platine 17a wird nach dem Löten auf Fortsätze 18a des zugehörigen Gehäuses 4a geschnappt, sodaß die Optiken alle untereinander gestützt und ausgerichtet werden. Selbst die Mischung mit anderen LED-Typen ist möglich, allenfalls muß deren Gehäuse 4b in der Platine 17a ausgespart werden. Unten ist eine LED 1b in Standardbauform ø3 oder ø5 mm dargestellt. Diese kann entweder ebenfalls auf eine Platine 17b aufgelötet werden, hierzu sind für die exakte Positionierung Fortsätze 18b am Gehäuse 4b angebracht. Sie kann aber auch frei verdrahtet werden, was sich vor allem bei geringen Stückzahlen und individuell aufgebauten Geräten empfiehlt.
Insbesonders bei Freiverdrahtung ist es möglich, die Gehäuseteile gegeneinander zu verschieben und so die Optik zu justieren. Hierzu können an den Berührungsstellen 25 Gewinde, Schnapprillen oder ähnliches angebracht sein. Alle Optiken sind in einer gemeinsamen Matrixplatte 24 befestigt und haben für den Betrachter das gleiche Aussehen. Selbstverständlich können auch verschiedene vordere Gehäuse 4 mit unterschiedlichen Blenden 10 vorhanden sein. Weiters können alle Darstellungen auch mit gefärbten Linsen oder Lichtquellen ausgeführt sein, was das durch die Linsen selbst erzeugte Reflex-Phantomlicht reduziert. Sowohl Sammellinse 2 als auch Streulinse 3 können auch als Fresnellinse ausgeführt sein.
Die Darstellungen der LED bzw. Lichtquellen sind nur beispielhaft. Die rasante Entwicklung auf diesem Gebiet bringt ständig neue Bauformen und Funktionsprinzipien hervor, welche laufende Adaptionen von Gehäuse 4 und Sammellinse 2 erfordern. Selbstverständlich können auch beliebige andere Lichtquellen eingesetzt werden.

Claims (4)

  1. Optikelement für Verkehrszeichen, insbesondere Wechselverkehrszeichen, Anzeigetafeln oder dergleichen, das zumindest eine Sammellinse (2), eine vor der Sammellinse (2) angeordnete Lichtquelle (1) und eine hinter der Sammellinse (2) angeordnete Streulinse (3) umfasst, wobei Sammellinse (2) und Streulinse (3) dieselbe optische Achse aufweisen, auf der auch die Lichtquelle angeordnet ist, und wobei Sammellinse (2), Streulinse (3) und Lichtquelle (1) von einem gemeinsamen Gehäuse (4) umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein sich aus der Anordnung der Lichtquelle (1) zur Sammellinse (2) ergebender, von dem aus der Sammellinse (2) austretenden, divergierenden Lichtstrahlenbündel (7) gebildeter Brennfleck (9) vor der Streulinse (3) liegt.
  2. Optikelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (4) eine Einschnürung, insbesondere eine Blende (10), vorgesehen ist, die im Bereich des Brennflecks (9) angeordnet ist.
  3. Optikelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennpunkt (14) der Streulinse (3) im Bereich des Brennflecks (9) liegt.
  4. Optikelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) innen mit schwarzer Farbe und/oder einer matten Oberflächenstruktur, z.B. Umfangsrillen, versehen ist.
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