EP1107210A2 - LED-Signalgeber mit Zonenanordnung - Google Patents

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Publication number
EP1107210A2
EP1107210A2 EP00890368A EP00890368A EP1107210A2 EP 1107210 A2 EP1107210 A2 EP 1107210A2 EP 00890368 A EP00890368 A EP 00890368A EP 00890368 A EP00890368 A EP 00890368A EP 1107210 A2 EP1107210 A2 EP 1107210A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
led
light
scattering
angle
horizontal
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.)
Withdrawn
Application number
EP00890368A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1107210A3 (de
Inventor
Franz Ing. Silhengst
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
Publication of EP1107210A2 publication Critical patent/EP1107210A2/de
Publication of EP1107210A3 publication Critical patent/EP1107210A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • 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
    • F21W2111/02—Use or application of lighting devices or systems for signalling, marking or indicating, not provided for in codes F21W2102/00 – F21W2107/00 for roads, paths or the like

Definitions

  • LED light-emitting diodes
  • the advantage of the decentralized designs is a very small installation depth and a distributed one Loss of heat, which can then be dissipated without additional effort.
  • the visual appearance leaves something to be desired, because despite use Often several hundred LEDs can usually be recognized individually, which is particularly the case with an LED failure is noticeable, the electrical circuit and Failure monitoring with the large number of LEDs complicated and also relative prone to failure, which runs counter to the intention of a long, maintenance-free service life.
  • the invention relates to signal generators with a central LED arrangement.
  • the so far Common arrangement has been found to be defective in relation to the so-called Phantom light behavior (this is the pretense of an activated signal light by incident sunlight) as well as the occasionally insufficient brightness.
  • This design also results in particular from the unfocused, blurred image the LED arrangement a homogeneous light distribution and an excellent uniform Appearance of the light signal, even if one or more LEDs fail. she owns but also major disadvantages. It has been shown that this version is not too great can meet high brightness requirements because of the size of the LED array and the blurred image is a very large one despite the condenser lens Has basic divergence. The phantom light is also very high because of this all-round divergence a lot of sunlight can also fall on the LED arrangement. The LED reflect through their built-in reflectors as well as through their shiny Solder connections return the sunlight as phantom light.
  • the well-known phantom light-lowering devices are not in the absence of a parallel light path usable.
  • the housing is also used as a heat sink. Because it because of the better heat dissipation and because of the phantom light reduction black is colored, it is heated up accordingly in the sun, whereby the The light output of the LED drops.
  • Patent application A 488/99 shows one possibility for use of a lamella insert without a parallel beam.
  • the arrangement of the LED narrow limits especially a low height.
  • a sufficiently low phantom light arrangement can be achieved, but it is currently not possible to meet higher light values because of the space available too few LEDs can be strung together.
  • Another disadvantage is that Front lens design limitations regarding position and achievable Light distribution. therefore there is also the risk of a slightly strip-shaped Appearance. The overall depth is even greater than in the previous version because additional slats are to be accommodated.
  • here is also an inclined one Design of the optics presented, which the phantom light-generating reflections of the steps between the front lens elements.
  • the adjustment of the LED emission characteristics using small auxiliary lenses can affect brightness and Impact phantom light, because with it a focal length adjustment of the condenser lenses becomes possible.
  • the size of the phantom light is increased in Europe by the ratio of useful light Phantom light qualified and divided into classes, with a sun position of 10 degrees is assumed above the horizon, according to a German standard, the phantom light absolutely not fixed values at a sun position of 17.5 degrees above the horizon exceed. In both cases, however, the sum of light from signal and phantom light comply with the prescribed light colors for signal lights. At the same time, the However, signal transmitters have the light maximum in the horizontal direction, so that high ratio of useful light to phantom light is achieved.
  • the specifications regarding the light color of the total light can be colored
  • the windshield can be met, which also makes the phantom light in a lot higher than the useful light is reduced because the colored light of the LED is almost penetrates the front screen of the same color unhindered, can penetrate into the optics but only the amount of sunlight that is not affected by the filter effect of the windscreen.
  • the object of the invention is therefore an optical insert for signal generators with a central Arrangement of the LED to develop, which is a special LED arrangement, paired with has a specially adapted scattering optics, which in the horizontal direction maximum possible brightness, and where practically none at an angle of 10 Degree or higher incident sunbeam can hit the LED. Furthermore, the Light distribution as homogeneous as possible and precisely adapted to the distribution regulations be, in order to find cost with as few LEDs as possible and the to effectively use the available amount of light.
  • the LEDs are arranged in horizontal rows have mutually equal distances A, are arranged, of which lowest row starting from a low horizontal zone X with highest packing density and luminous intensity of the LED is present, the half height Z / 2 converted into one Angle value ZW / 2 is smaller than that by half the distance angle AW / 2 by which Impact overlaps of different scattering element groups arise Correction angle K of the reference axis R, around the light divergence DW of the LED itself the sunbeam divergence and around the manufacturing tolerances and Focusing deviations reduced angle value reduced Sun angle S, and that preferably at least one zone Y1 much lower packing density and / or light intensity of the LED mainly after connects above.
  • the main problem of the known systems is that so far from one uniform planar arrangement of the LED was assumed to be to get the most concentrated, compact LED arrangement possible.
  • Such The arrangement has a center of light, approximately in its center, whose position is essentially preserved by any optics. Because every LED does When the signal field is fully illuminated, every scatter element in front also directs that Light from all existing LEDs in the same way, so that optical Laws only an enlargement or displacement of the light beam or existing divergence, but no newly composed light distribution is possible.
  • FIG. 1 to 4 show, in vertical section, the basic illustration of a signal transmitter optics in different versions, Fig. 5 and Fig. 6 this signaling optics in Horizontal section, Fig. 7 several versions of the LED arrangement and Fig. 8 den Vertical section through a schematic diagram of an optical system according to the invention.
  • the demand for a pronounced fall in light is similar to one conventional reflector design with a single horizontal row of LED light to fulfill.
  • Their light can be directed very precisely in parallel using the condenser lens the scattering elements in the windscreen only direct the light in a known manner to the side and down. With a suitable determination of the scattering elements, the Maintain the direction of maximum brightness.
  • Fig. 1 shows this fact in a schematic diagram.
  • a circuit board (2) which with a horizontal row of High-performance LEDs (3) is equipped.
  • a condenser lens (4) in Fresnel construction, which the the LED (3) collects outgoing light and directs it in parallel.
  • a condenser lens (4) in Fresnel construction, which the the LED (3) collects outgoing light and directs it in parallel.
  • a condenser lens (4) in Fresnel construction, which the the LED (3) collects outgoing light and directs it in parallel.
  • the LEDs (3) have such a light emission characteristic that they illuminate the condenser lens (4) as completely and evenly as possible. This is the row length L small compared to the diameter of the optics.
  • the size of the LED arrangement is limited by the loss of light LED on the edge, which with increasing distance from the center at the Condenser lens (4) flashing more and more, increasing losses in the stages of Have Fresnel rings and are increasingly difficult to focus.
  • An LED is not a point light source, it contains optical components to increase the Efficiency that cause light divergence. So has approximately Light emission from the LED (3) has a radius D, which depends on the focal length F a general divergence angle DW of the light beam (8) is determined. This occurs every point of the lens (5) with the same orientation. In a very big one A virtual projection wall (9) with an angular degree scale is located in front of it. The light beam (8) then generates for each without taking into account the scattering elements (6) LED (3) a light spot with an intensity curve (10), the size of which by the Beam divergence angle DW and component tolerances are determined and its Maximum represents the reference axis R for the alignment of the optics.
  • Fig. La shows an intensity curve (11) on the virtual projection wall (9) with Consideration of the scattering elements (6). These scatter part of the Light to the side and downwards, without significantly increasing the position of the reference axis R. influence.
  • Sun rays (12) are also shown, which are at an angle S, usually 10 Degrees, meet the optics. You will be without the condenser lens (4) Taking into account the scattering elements (6) on a focal spot G below the LED row (3) bundled, taking into account the scattering elements (6) one (not here shown) additional side and downward scattering analogous to the useful light (8), so that the LED (3) can never be illuminated.
  • the brightness of the LED is far from being for such a solution sufficient so that a surface arrangement must be chosen.
  • Fig. 2 shows the changes caused by the addition of another row of LEDs (3a) arise immediately above the existing LED row (3) at a distance A. Without Consideration of scattering elements (6) in the front window (5) is created on the Projection screen (9) an additional row of light spots (10a) below the existing light spots (10). For a homogeneous photo, these two Rows of light spots are merged into a continuous intensity course, what according to optical laws by scattering in the vertical direction by +/- the half row spacing A, or converted into a vertical angle +/- AW / 2, altogether happens around the angle AW.
  • Fig. 2a shows the intensity curve (11) a vertical scattering with the angle AW through the scattering elements (6). The spot This has shifted the maximum intensity downwards.
  • the optics must be around Correction angle K, which is half the row spacing or Vertical spreading angle is AW / 2, can be turned upwards.
  • the top edge light rays (13) by the scattering effect already a larger angle than the sun position angle S.
  • the optical alignment can be corrected in several ways, for example by Tilting of the entire optics, by overlaying all scattering elements (6) with prism lenses or by moving the circuit board (2), as shown in Fig. 3.
  • 3a shows the conditions taking into account the Scattering elements (6).
  • a substantial part of the useful light (8) runs over the horizon.
  • the intensity curve (11) extends far beyond the sun angle S, the optics has significant phantom light.
  • 3 also shows the course of the sun's rays (12) shown. These are vertical on the scattering elements (6) by the same angle AW scattered.
  • the illustrated height Z of the luminous zone X is here for one Low phantom light solution too large.
  • the available height Z of the light zone X is determined by the selected one Sun angle S, reduced by the relatively low divergence of the sun's rays itself, which is set at 0.5 degrees in the laboratory, the divergence DW of the LED (3) emitted light, half of the vertical scattering angle AW, any Correction angle K of the reference axis R, and a correction discount for tolerances of the optical components and an inevitable image blur with off-center Arrangement of the LED (3), which is mainly due to the inexpensive use of a flat circuit board (2) is created.
  • the remaining angle value corresponds to an upper one Limit for half the height of light zone X.
  • Fig. 4 shows a possible solution. Above the central row of LEDs (3) are one or several LED rows (3a) arranged, their light intensities (10a) much lower are as the intensity (10) of the central LED row (3), they are in plan view through thinner lines can be seen.
  • the display is again without considering the Scattering elements (6).
  • 4a again shows the intensity curve (11) with consideration the scattering elements (6) can be seen. As before, they scatter by an angle +/- AW / 2 Achieving a homogeneous intensity curve. It can be seen that the position of the Reference axis R has been practically preserved. All light rays are also below of the sun angle S, there is only a slight loss of light above the horizon on, which compensates for the use of weaker LEDs.
  • the intensity curve (11) follows the usual form of a prescribed light distribution, as shown in Fig. 4b is shown as an example.
  • Fig. 4 is also the strong light zone X of the LED series (3) with The lowest possible height Z is drawn in, followed by the top the light zone Y1 formed from weaker LED rows (3a) with the light-active height Z1. It can also be seen that despite the vertical scattering angle AW, the sun's rays (12) the LEDs (3) and (3a) are practically not irradiated.
  • Fig. 5 shows the horizontal section through 1 with an LED row (3).
  • the intensity curves (10) result again without taking into account the scattering elements (6).
  • 5a shows the Intensity curve (11) when the scattering elements (6) cause this minimum scatter. It an area with constant brightness is achieved.
  • FIG. 5c shows an example of a distribution rule in the horizontal direction.
  • the Intensity curve (11) of FIG. 5b represents a good approximation here.
  • Fig. 6 shows the situation when the LED distances are increased within one Row, again without taking into account the scattering elements (6).
  • the light spots (10) move up accordingly far apart.
  • Fig. 6a shows that the light spots by using the previous minimal scatter angle HW do not merge.
  • a homogeneous Light distribution only arises when the minimum scatter in the largest LED distance corresponds to all LED rows Hmax and the converted angle HWmax.
  • the maximum scattering angle LW remains essentially unaffected.
  • 6b represents again represents the maximum scatter with the scatter angle HWmax.
  • the intensity curve (11) is very homogeneous, but in the reference axis R is a lower value than in FIG. 5b available. Moving the LED (3) of a row apart will make a smaller one Intensity achieved.
  • the described options leave several in the design of the light distribution Ways to. Remain after defining the zone with maximum packing density X and necessary scattering angle of the main group determining the reference axis R of Scattering elements (6) still areas of the desired light distribution too dark, so decide whether additional LEDs (3) are in a weaker light zone Y1 in suitable distances H on the circuit board (2), or whether another Group of scattering elements (6) with different or larger scattering angles can be defined but it can also be a combination of both.
  • the Scattering elements (6) only achieve the respective minimum scattering angle. To do this, either all LEDs in all rows have the same horizontal distance H from each other and Light zone Y1 can be equipped with weaker LEDs (3a), or the minimum Horizontal scattering becomes apparent in the presence of rows with partial populations the largest occurring LED distance Hmax.
  • FIG. 7a to 7f show several exemplary embodiments for LED arrangements.
  • Fig. 7a shows the circuit board of Fig. 4 with LEDs of different brightness. Some LED designs are delivered sorted according to brightness classes, which here can be used appropriately.
  • 7b shows the same design for LEDs uniform brightness with increased spacing in the rows of light zone Y1.
  • Fig. 7c shows the circuit board equipped with another LED type. The supposedly the same Arrangement like Fig. 7b differs significantly.
  • the zone with maximum Packing density X has a greater height Z, but the row spacing A is smaller. It a lower vertical minimum scattering angle AW is therefore required, a simple one Replacing the circuit board of Fig. 7b does not lead to success.
  • 7d shows one modified version of Fig.
  • FIG. 7e shows a printed circuit board constructed from several zones
  • FIG. 7f shows that also to the side of the zone of maximum packing density X a zone with weaker ones Can border assembly. This makes for example a particularly large one Visibility of the signal generator achieved.
  • the horizontal LED distances are Hmax Multiples of the grid value of the highest packing density in the light zone X. With these A particularly homogeneous light distribution can be achieved if the horizontal scattering angle are also multiples of these converted grid values. Arbitrarily selected scattering angles, but also irregular LED distances as in Fig. 7e Under certain circumstances, the light spots (10) can be superimposed by unsuitable ones Overlaps lead to a relatively step-like or wave-like intensity distribution (11).
  • the circuit board (2) is compared to the previous representations by the angle PW against the condenser lens (4) inclined. On the one hand, this results in the LEDs arranged above the light zone X. (3a, 3b) in a position with better focus, on the other hand their light is better from the condenser lens.
  • Below the circuit board (2) is through a bulge (14) sufficient space for the power supply (15) in the housing (1).
  • a panel (16) is installed, which has a light-absorbing, black matt surface (17) and most of the housing (1), the circuit board (2), and the Power supply (15) covers. Penetrating sun rays (12) all fall on the Surface (17) and are absorbed.
  • the aperture (16) has the smallest possible dimensions Openings (18) for the light exit of the LED (3, 3a, 3b) open, thereby all shiny surfaces of the printed circuit board (2) such as conductor tracks, components and solder connections covered.
  • the panel (16) provides a heat shield against direct Solar radiation, which by heating the circuit board (2) would cause a drop in brightness.
  • the aperture (16) can be low Phantom light requirements are omitted for cost reasons.
  • the housing (1) has a good heat-conducting back (19), which is the heat loss the circuit board (2) receives, distributes and radiates to the outside. But it can also be a commercially available heat sink must be attached at the rear.
  • the circuit board (2) here has three LED rows (3, 3a, 3b) on, with a combination of different Brightness and larger distances three brightness zones arise, which without Consideration of the scattering elements (6) intensities of different brightness (10, 10a, 10b) generate on the virtual projection screen (9).
  • Fig. 8a again provides the Taking into account the scattering elements (6), the vertical intensity curve (11) achieved
  • the reference axis R remains horizontal. All light rays are below that Sun angle S.
  • the scattering angle considerations assume a uniform scattering as they do approximately for smaller deflection angles of spherical lens surfaces with horizontal and vertical radii can be achieved.
  • scatter elements can also on the mainly smooth side of the condenser lens (4) facing the LED be attached, the scattering angle of the scattering elements (6) are then accordingly to reduce.
  • the vertical minimum scatter angle AW by a suitable scattering structure on the condenser lens (4) then there are at least Main group of scattering elements, or even all scattering elements (6) from simpler cylinder lenses to be manufactured.
  • the front screen (5) would be smooth.
  • leads such an overlay especially in the edge area due to the oblique incidence of light considerable compensation effort.
  • Aspherical scattering elements can of course also be provided, above all with larger scattering angles and when uniform brightness is required.
  • a pivoting of the reference axis R can, as in the description of FIG. 3 mentioned, by prism overlaying all scattering elements (6), as well as by Move the circuit board (2).
  • Vertically adjacent scattering elements (6) have in usually a height difference and form small steps on the inside of the Windscreen (5), which are a cause of light reflections from sunlight. Will everyone Scattering elements superimposed on a vertical prism, their surfaces are accordingly inclined. As a result, the levels can be minimized or with the same size horizontal scattering angles even disappear completely. The caused by this The reference axis must then be moved by moving the circuit board (2) be compensated.
  • Moving the circuit board (2) can also be applied to the inclination of the Adapt the reference axis R to the road conditions, because the optics are usually fixed in a signal generator is installed.

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Abstract

Es wird eine Signalgeberoptik mit zentraler LED-Anordnung und homogenem Erscheinungsbild vorgestellt, welche durch Kombination einer speziellen LED-Anordnung und einer speziellen Streuscheibe höchste Helligkeit, eine vorschriftsmäßige Lichtverteilung und ein äußerst geringes Phantomlicht aufweist. Hierzu weist die LED-Anordnung LED-Reihen mit gleichen Abständen A sowie eine niedrige Zone maximaler Packungsdichte und Helligkeit X und Zonen geringerer Helligkeit Y1, Y2 auf. Die Streuwinkel der Streuelemente 6 entsprechen in vertikaler Richtung dem Reihenabstand A, in horizontaler Richtung nach Möglichkeit der Länge der Zone X, jedoch zumindest dem größten doppelten Horizontalabstand zweier benachbarter LED. Die LED-Anordnung 2 befindet sich an der Rückseite eines Gehäuses 1, im Bennweitenabstand F zu einer Kondensorlinse 4 in Fresnelbauweise, mit vorgesetzter Streuscheibe 5, welche auf der Innenseite die Streuelemente 6 trägt. Einfallendes Sonnenlicht wird unter die LED-Anordnung 2 geleitet und an einer Blende 16 absorbiert. <IMAGE>

Description

Seit es gelungen ist, Leuchtdioden (LED) mit in der Signaltechnik vorgeschriebenen Lichtfarben herzustellen, werden damit Signalgeber wie Verkehrsampeln oder Eisenbahnsignale hergestellt. Mittlerweile haben sich einige Bauformen durchgesetzt, welche sich in zwei Gruppen einteilen lassen, einerseits dezentrale Bauformen mit relativ gleichmäßig über die ganze Signalfäche verteilten LED, andererseits zentrale Bauformen mit einer kompakten, mittig angeordneten LED-Gruppe. Es sind auch noch Mischausführungen bekannt, bei welchen mehrere LED-Gruppen über die Signalfläche verteilt sind.
Vorteil der dezentralen Bauformen ist eine sehr geringe Einbautiefe sowie ein verteilter Anfall der Verlustwärme, welche dann ohne Zusatzaufwand abgeführt werden kann. Andererseits läßt das visuelle Erscheinungsbild zu wünschen übrig, weil trotz Verwendung von oft mehreren Hundert LED diese zumeist einzeln erkennbar sind, was insbesonders bei einem LED-Ausfall störend auffällt, außerdem ist die elektrische Verschaltung und Ausfallüberwachung bei der großen Anzahl an LED kompliziert und auch relativ störungsanfällig, was der Absicht einer langen, wartungsfreien Lebensdauer zuwiderläuft.
Seit dem Aufkommen von Hochleistungs-LED, von denen nur mehr ein bis zwei Dutzend für die erforderliche Lichtmenge benötigt werden, wird eine zentrale Anordnung propagiert. Diese weist zwar eine größere Bautiefe auf, kann aber in vorhandenen Signalgebern zumeist untergebracht werden. Nachteilig ist auch die zentral anfallende Verlustwärme, welche nur durch zusätzliche Kühlbleche verteilt und abgeführt werden kann. Der Vorteil der kompakten Anordnung liegt jedoch darin, dass jede einzelne LED praktisch die gesamte Leuchtfläche des Signalgebers bestrahlt, wodurch ein hervorragend gleichmäßiges Erscheinungsbild entsteht. Ein LED-Ausfall äußert sich somit nur durch geringfügiges Abdunkeln der gesamten Leuchtscheibe, wobei dieser Effekt durch Kompensationsmaßnahmen weitgehend ausgeglichen werden kann. Die Verschaltung der wenigen LED kann einfach und störungssicher erfolgen. Und die kompakte Anordnung der LED auf einer kleinen Leiterplatte mit Aluminiumträger erlaubt die einfache und kostengünstige Auswechslung des Leuchtmittels ähnlich der bisherigen Glühlampe.
Die Erfindung bezieht sich auf Signalgeber mit zentraler LED-Anordnung. Die bisher gebräuchliche Anordnung hat sich als mangelhaft bezüglich des sogenannten Phantomlichtverhaltens (das ist die Vortäuschung eines eingeschalteten Signallichts durch einfallendes Sonnenlicht) wie auch der fallweise zu geringen Helligkeit gezeigt.
Zu diesem Thema sind mehrere Veröffentlichungen bekannt.
Das internationale Patent unter PCT, WO 98/16777, beschreibt die bereits ziemlich bekannte Anordnung von wenigen, besonders lichtstarken LED. Diese sitzen in einer bestimmten, kompakten Anordnung auf einer auswechselbaren Leiterplatte innerhalb der Brennweite einer vorgesetzten Kondensorlinse in Fresnell-Bauart, welche das Licht bündelt. Eine vorgesetzte Abschlußscheibe verteilt das Licht in der gewünschten Weise.
Diese Bauweise ergibt insbesonders auch durch die unfokussierte, unscharfe Abbildung der LED-Anordnung eine homogene Lichtverteilung und ein hervorragend gleichmäßiges Erscheinungsbild des Lichtsignales, selbst bei Ausfall einer oder mehrerer LED. Sie besitzt jedoch auch wesentliche Nachteile. Es hat sich gezeigt, daß diese Ausführung nicht allzu hohe Helligkeitsanforderungen erfüllen kann, weil das Licht durch die Größe der LED-Anordnung sowie die unscharfe Abbildung trotz Kondensorlinse bereits eine sehr große Basisdivergenz aufweist. Das Phantomlicht ist außerdem sehr hoch, weil durch diese allseitige Divergenz viel Sonnenlicht auch auf die LED-Anordnung fallen kann. Die LED reflektieren durch ihre eingebauten Reflektoren sowie durch ihre glänzenden Lötanschlüsse das Sonnenlicht als Phantomlicht zurück. Die bekannten phantomlichtsenkenden Einrichtungen sind mangels einer parallelen Lichtstrecke nicht verwendbar. Weiters wird in der Praxis das Gehäuse als Kühlkörper verwendet. Da es wegen der besseren Wärmeableitung sowie wegen der Phantomlichtreduzierung schwarz gefärbt ist, wird es bei Sonneneinstrahlung entsprechend aufgeheizt, wodurch die Lichtleistung der LED sinkt.
Die Patentanmeldung A 488/99 (Swarco-Futurit) zeigt eine Möglichkeit zur Verwendung eines Lamelleneinsatzes ohne paralleles Strahlenbündel. Hierbei ergeben sich jedoch für die Anordnung der LED enge Grenzen, insbesonders eine geringe Höhe. Mit einer solchen Anordnung ist zwar ein ausreichend niedriges Phantomlicht erzielbar, aber es ist derzeit nicht möglich, höhere Lichtwerte zu erfüllen, da auf dem zur Verfügung stehenden Platz zuwenig LED aneinandergereiht werden können. Ein weiterer Nachteil besteht in den Einschränkungen der Frontlinsengestaltung bezüglich der Position und der erzielbaren Lichtverteilung. daher besteht auch die Gefahr eines leicht streifenförmigen Erscheinungsbildes. Die Bautiefe ist noch größer als bei der vorigen Ausführung, weil zusätzlich Lamellen unterzubringen sind. Allerdings wird hier auch eine geneigte Gestaltung der Optik vorgestellt, welche die phantomlichterzeugenden Reflexe der Stufen zwischen den Frontlinsenelementen vermeidet. Auch die Anpassung der LED-Abstrahlcharakteristik mittels kleiner Vorsatzlinsen kann sich auf Helligkeit und Phantomlicht auswirken, weil damit eine Brennweitenanpassung der Kondensorlinsen möglich wird.
Problematisch ist, dass die zur Verfügung stehenden singulären Bauformen von Hochleistungs-LED einen relativ großen Mindestabstand voneinander erfordern, welcher schließlich die Grenze für die erzielbaren Helligkeitswerte bestimmt. Geringere Abstände sind durch geeignete LED-Gehäuseformen oder kombinierte Bauteile möglich. Beispielsweise zeigt das Patent US 4 733 335 (Serizawa) eine Bauweise eines LED-Boardes, bei welchem die internen LED-Bauteile auf einem gemeinsamen Träger sitzen und so wesentlich dichter angeordnet werden können, weil keine Einzelgehäuse mit Mindestabständen zur Bestückung und Lötung erforderlich sind. In der Praxis erweist sich eine solche Anordnung allerdings als problematisch, weil einzelne LED leichter geprüft und nach Spannung, Helligkeit und Farbabweichungen sortiert werden können.
Glücklicherweise werden die LED durch stetige Weiterentwicklung immer lichtstärker, sodass in absehbarer Zeit ausreichend Helligkeit vorhanden sein wird.
Als wesentlich problematischer hat sich die notwendige Absenkung des Phantomlichts herausgestellt.
Die Größe des Phantomlichtes wird in Europa durch das Verhältnis von Nutzlicht zu Phantomlicht qualifiziert und in Klassen eingeteilt, wobei ein Sonnenstand von 10 Grad über dem Horizont angenommen wird, nach einer deutschen Norm darf das Phantomlicht absolut festgelegte Werte bei einem Sonnenstand von 17,5 Grad über dem Horizont nicht überschreiten. In beiden Fällen muß jedoch das Summenlicht aus Signal- und Phantomlicht die vorgeschriebenen Lichtfarben für Signallichter einhalten. Gleichzeitig soll der Signalgeber jedoch in horizontaler Richtung das Lichtmaximum aufweisen, damit ein hohes Verhältnis von Nutzlicht zu Phantomlicht erzielt wird.
Die Vorgaben betreffend der Lichtfarbe des Summenlichtes können durch ein Einfärben der Frontscheibe erfüllt werden, wodurch auch das Phantomlicht in einem sehr viel höheren Maß als das Nutzlicht reduziert wird, weil das farbige Licht der LED nahezu ungehindert die Frontscheibe gleicher Farbe durchdringt, in die Optik vordringen kann aber nur der durch die Filterwirkung der Frontscheibe nicht betroffene Sonnenlichtanteil.
Weitere Maßnahmen zur Absenkung des Phantomlichtes, wie sie bisher bekannt sind, setzen einen nahezu homogenen, parallelen Strahlengang innerhalb der Optik voraus, wie er auch bisher durch einen Parabolreflektor mit einer möglichst punktförmigen Lichtquelle erzeugt wurde, in welchen Lamellen oder Lichtraster eingesetzt sind, oder sie fokussieren das Nutzlicht auf kleine Öffnungen, welche in einem definierten Raster in einer schwarzmatten Blende angebracht sind, welche das einfallende Sonnenlicht größtenteils absorbiert. Darüber hinaus existieren weitere Möglichkeiten für herkömmliche Signale mit einer einzelnen punktförmigen Lichtquelle, welche hier nicht von Relevanz sind. Alle diese Mittel versagen hier, weil der vorliegende Strahlengang viel zu divergent ist. Eine Möglichkeit besteht jedoch in der Festlegung einer geeigneten Frontscheibenstruktur, welche zu einem gewissen Anteil das Phantomlicht mitverursacht.
Versuche haben gezeigt, dass auf zusätzliche Phantomlichteinbauten verzichtet werden könnte, wenn es gelingt, eine Optik zu bauen, welche die maximale Helligkeit in horizontaler Richtung aufweist und gleichzeitig jegliches Sonnenlicht von der Lichtaustrittsfläche der LED fernhält.
Aufgabe der Erfindung ist es also, einen Optikeinsatz für Signalgeber mit zentraler Anordnung der LED zu entwickeln, welcher eine besondere LED-Anordnung, gepaart mit einer speziell angepaßten Streuoptik aufweist, welche in horizontaler Richtung die maximal mögliche Helligkeit aufweist, und wo praktisch kein unter einem Winkel von 10 Grad oder höher einfallender Sonnenstrahl auf die LED treffen kann. Weiters soll die Lichtverteilung möglichst homogen und genau an die Verteilungsvorschriften angepaßt sein, um aus Kostengründen mit möglichst wenig LED das Auslangen zu finden und die vorhandene Lichtmenge effektiv auszunützen.
Das wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die LED in horizontalen Reihen, welche untereinander gleich große Abstände A aufweisen, angeordnet sind, wobei von der untersten Reihe ausgehend eine niedrige horizontale Zone X mit höchster Packungsdichte und Lichtstärke der LED vorhanden ist, deren halbe Höhe Z/2 umgerechnet in einen Winkelwert ZW/2 kleiner ist als der um den halben Abstandswinkel AW/2, um den durch Wirkungsüberlagerungen verschiedener Streuelementgruppen entstehenden Korrekturwinkel K der Referenzachse R, um die Lichtdivergenz DW der LED selbst, um die Sonnenstrahlendivergenz und um einen die Herstellungstoleranzen und Fokussierungsabweichungen berücksichtigenden Winkelwert verringerte Sonnenstandswinkel S, und dass daran vorzugsweise mindestens eine Zone Y1 mit wesentlich geringerer Packungsdichte und/oder Lichtstärke der LED hauptsächlich nach oben anschließt.
Die Hauptproblematik der bekannten Systeme liegt darin, dass bisher von einer gleichmäßigen flächenförmigen Anordnung der LED ausgegangen wurde, um eine möglichst konzentrierte, kompakte LED-Anordnung zu bekommen. Eine solche Anordnung besitzt einen etwa in ihrer Mitte liegenden Lichtschwerpunkt, dessen Position durch eine beliebige vorgesetzte Optik im wesentlichen erhalten bleibt. Weil jede LED das Signalfeld vollständig beleuchtet, lenkt auch jedes vorgesetzte Streuelement prinzipiell das Licht aller vorhandenen LED in gleicher Weise ab, sodass nach optischen Gesetzmäßigkeiten nur eine Vergrößerung oder Verlagerung des Lichtbündels bzw. der vorhandenen Divergenz, aber keine neu zusammengesetzte Lichtverteilung möglich ist.
Liegt der Punkt maximaler Helligkeit in horizontaler Richtung, so erstreckt sich das ausgesandte Lichtbündel nicht nur im vorgeschriebenen Lichtverteilungsbereich vom Horizont bis über 20 Grad nach unten, sondern zu einem erheblichen Teil auch bis 15 oder mehr Grad weit nach oben. Es wird somit eine erhebliche Lichtmenge ungenutzt direkt in Richtung der bei 10 Grad oberhalb angenommenen Sonne gelenkt, das Sonnenlicht strahlt über die gleichen Lichtwege direkt in die LED ein, wird dort reflektiert und erzeugt so ein erhebliches Phantomlicht.
Entscheidend ist daher ein besonders ausgeprägter Abfall des vertikalen Lichtverlaufs vom Maximalwert in horizontaler Richtung bis zu Null bei 10 Grad oberhalb, während in den anderen Richtungen nur ein allmählicher Helligkeitsabfall gemäß den Verteilungsvorschriften benötigt wird. Diese gehen davon aus, dass der Signalgeber aus weiter Ferne gut erkennbar sein muß, im Nahbereich jedoch hauptsächlich von unten oder seitlich betrachtet wird, wofür wegen der quadratischen Abhängigkeit von der Entfernung bei gleich guter Erkennbarkeit eine wesentlich geringere Helligkeit ausreicht. Eine Lichtabstrahlung nach oben ist in keinem Fall erforderlich.
Die Erfindung wird nun anhand der Abbildungen beschrieben.
Es zeigt Fig. 1 bis Fig. 4 im Vertikalschnitt die Prinzipdarstellung einer Signalgeberoptik in unterschiedlichen Ausführungen, Fig. 5 und Fig. 6 diese Signalgeberoptik im Horizontalschnitt, Fig. 7 mehrere Ausführungen der LED-Anordnung und Fig. 8 den Vertikalschnitt durch eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Optik.
Alle angeführten Winkel- und Maßangaben sind nur als erste Näherung zu verstehen, um die Erklärungen verständlich zu halten. Die korrekten Werte sind insbesonders von der Charakteristik des von den LED abgestrahlten Lichts und der daraus folgenden tatsächlichen Intensitätsverteilungen (10) abhängig und sollten mit Hilfe einer genauen Lichtsimulation ermittelt werden. Die oftmalige Erwähnung der Umrechnung von Längen- und Höhenangaben in Winkel erfolgt näherungsweise nach der Formel W=arctan L/F, mit W für einen Winkel im Bogenmaß, L für ein Längenmaß und F für die Brennweite der Kondensorlinse (4). Auch die Abbildungen sind zur Steigerung der Deutlichkeit nicht maßstäblich ausgeführt.
Die Forderung nach einem ausgeprägten Lichtabfall nach obenhin ist ähnlich einer herkömmlichen Reflektorausführung mit einer einzigen horizontalen Reihe von LED leicht zu erfüllen. Deren Licht kann mittels der Kondensorlinse sehr genau parallel gerichtet werden, die Streuelemente in der Frontscheibe lenken das Licht in bekannter Weise nur nach der Seite und abwärts. Bei geeigneter Festlegung der Streuelemente bleibt die Richtung maximaler Helligkeit im wesentlichen erhalten.
Fig. 1 zeigt diesen Sachverhalt in einer Prinzipdarstellung. An der Rückwand des Gehäuses (1) ist eine Leiterplatte (2) befestigt, welche mit einer horizontalen Reihe von Hochleistungsleuchtdioden (3) bestückt ist. Im Abstand der Brennweite F befindet sich zentrisch vor den LED (3) eine Kondensorlinse (4) in Fresnelbauweise, welche das von den LED (3) ausgehende Licht sammelt und parallel richtet. Davor befindet sich eine Streuscheibe (5) mit innenliegenden Streuelementen (6), welche das Gehäuse (1) am Flansch (7) abdichtet. Die LED (3) haben eine solche Lichtabstrahlcharakteristik, dass sie die Kondensorlinse (4) möglichst vollständig und gleichmäßig hell beleuchten. Hierzu ist die Reihenlänge L klein gegenüber dem Durchmesser der Optik.
Die Größe der LED-Anordnung begrenzt sich von selbst durch den Lichtverlust randseitiger LED, welche mit zunehmender Entfernung vom Zentrum an der Kondensorlinse (4) immer mehr vorbeileuchten, zunehmende Verluste in den Stufen der Fresnelringe aufweisen und immer schlechter fokussiert werden können.
Eine LED ist keine Punktlichtquelle, sie enthält optische Bauteile zur Steigerung des Wirkungsgrades, welche eine Lichtdivergenz verursachen. So hat näherungsweise der Lichtaustritt der LED (3) einen Radius D, welcher in Abhängigkeit von der Brennweite F einen allgemeinen Divergenzwinkel DW des Lichtbündels (8) bestimmt. Dieses tritt an jeder Stelle der Streuscheibe (5) mit der gleichen Orientierung aus. In einem sehr großen Abstand davor befindet sich eine virtuelle Projektionswand (9) mit einer Winkelgradskala. Das Lichtbündel (8) erzeugt darauf ohne Berücksichtigung der Streuelemente (6) für jede LED (3) einen Lichtfleck mit einem Intensitätsverlauf (10), dessen Größe durch den Strahlendivergenzwinkel DW sowie auch Bauteiltoleranzen bestimmt wird und dessen Maximum die Referenzachse R für die Ausrichtung der Optik darstellt.
Fig. la zeigt einen Intensitätsverlauf (11) auf der virtuellen Projektionswand (9) mit Berücksichtigung der Streuelemente (6). Diese streuen in bekannter Weise einen Teil des Lichtes seitlich und nach unten, ohne die Lage der Referenzachse R wesentlich zu beeinflussen.
Weiters sind Sonnenstrahlen (12) dargestellt, welche unter einem Winkel S, zumeist 10 Grad, auf die Optik treffen. Sie werden durch die Kondensorlinse (4) ohne Berücksichtigung der Streuelemente (6) auf einen Brennfleck G unterhalb der LED-Reihe (3) gebündelt, mit Berücksichtigung der Streuelemente (6) erfolgt eine (hier nicht dargestellte) zusätzliche Seiten- und Abwärtsstreuung analog dem Nutzlicht (8), sodass die LED (3) in keinem Fall angestrahlt werden.
Zur Zeit ist die Helligkeit der LED für eine solche Lösung noch bei weitem nicht ausreichend, sodass eine Flächenanordnung gewählt werden muß.
Fig. 2 zeigt die Veränderungen, die durch das Hinzufügen einer weiteren LED-Reihe (3a) unmittelbar oberhalb der vorhandenen LED-Reihe (3) im Abstand A entstehen. Ohne Berücksichtigung von Streuelementen (6) in der Frontscheibe (5) entsteht auf der Projektionswand (9) eine zusätzliche Reihe von Lichtflecken (10a) unterhalb der vorhandenen Lichtflecke (10). Für ein homogenes Lichtbild müssen diese beiden Lichtfleckreihen zu einem kontinuierlichen Intensitätsverlauf verschmolzen werden, was nach optischen Gesetzmäßigkeiten durch Streuung in vertikaler Richtung um +/- dem halben Reihenabstand A, oder umgerechnet in einen vertikalen Winkel +/-AW/2, insgesamt also um den Winkel AW geschieht. Fig. 2a zeigt den Intensitätsverlauf (11) bei einer Vertikalstreuung mit dem Winkel AW durch die Streuelemente (6). Die Stelle maximaler Intensität hat sich hierdurch nach unten verschoben. Die Optik muß um den Korrekturwinkel K, der hier aus Symmetriegründen den halben Reihenabstand bzw. Vertikalstreuwinkel AW/2 beträgt, nach oben gedreht werden. Außerdem weisen die obersten Randlichtstrahlen (13) durch die Streuwirkung bereits einen größeren Winkel als den Sonnenstandswinkel S auf.
Die Korrektur der optischen Ausrichtung kann auf mehrere Arten erfolgen, etwa durch Kippen der gesamten Optik, durch Überlagerung aller Streuelemente (6) mit Prismenlinsen oder durch Verschieben der Leiterplatte (2), wie in Fig. 3 dargestellt. Zur klareren Darstellung sind Randlichtstrahlen nun weggelassen. Ohne Berücksichtigung der Streuelemente (6) reichen die oberen Lichtflecke (10) nun bereits bis an den Sonnenstandswinkel S heran. Fig. 3a zeigt die Verhältnisse unter Berücksichtigung der Streuelemente (6). Ein wesentlicher Teil des Nutzlichtes (8) verläuft über dem Horizont. Die Intensitätskurve (11) reicht weit über den Sonnenstandswinkel S hinaus, die Optik weist erhebliches Phantomlicht auf. In Fig. 3 ist auch der Verlauf der Sonnenstrahlen (12) dargestellt. Diese werden an den Streuelementen (6) vertikal um den gleichen Winkel AW gestreut. Im Vergleich mit Fig. 2 sieht man, dass die LED (3) damit direkt angestrahlt werden. Die dargestellte Höhe Z der leuchtenden Zone X ist hier für eine phantomlichtarme Lösung zu groß.
Die zur Verfügung stehende Höhe Z der Lichtzone X wird bestimmt durch den gewählten Sonnenstandswinkel S, verringert um die relativ geringe Divergenz der Sonnenstrahlen selbst, welche im Labor mit 0.5 Grad festgelegt ist, der Divergenz DW des von den LED (3) ausgesandten Lichts, der Hälfte des vertikalen Streuwinkels AW, einem allfälligen Korrekturwinkel K der Referenzachse R, sowie einem Korrekturabschlag für Toleranzen der optischen Bauteile und einer unvermeidlichen Abbildungsunschärfe bei außermittiger Anordnung der LED (3), welche vor allem durch die kostengünstige Verwendung einer ebenen Leiterplatte (2) entsteht. Der verbleibende Winkelwert entspricht einem oberen Grenzmaß für die halbe Höhe der Lichtzone X.
Fig. 4 zeigt eine Lösungsmöglichkeit auf. Über der zentralen LED-Reihe (3) sind eine oder mehrere LED-Reihen (3a) angeordnet, deren Lichtintensitäten (10a) wesentlich geringer sind als die Intensität (10) der zentralen LED-Reihe (3), sie sind in der Draufsicht durch dünnere Linien erkennbar. Die Darstellung erfolgt wieder ohne Berücksichtigung der Streuelemente (6). In Fig. 4a ist wieder der Intensitätsverlauf (11) mit Berücksichtigung der Streuelemente (6) ersichtlich. Diese streuen wie zuvor um einen Winkel +/-AW/2 zur Erzielung eines homogenen Intensitätsverlaufes. Man erkennt, dass die Position der Referenzachse R praktisch erhalten geblieben ist. Auch liegen alle Lichtstrahlen unterhalb des Sonnenstandswinkels S, es tritt nur ein geringer Lichtverlust oberhalb des Horizontes auf, wodurch die Verwendung schwächerer LED kompensiert wird. Die Intensitätskurve (11) folgt der üblichen Form einer vorgeschriebenen Lichtverteilung, wie sie in Fig. 4b beispielhaft dargestellt ist. In Fig. 4 ist auch die starke Lichtzone X der LED-Reihe (3) mit geringstmöglicher Bauhöhe Z eingezeichnet, daran nach oben anschließend befindet sich die aus schwächeren LED-Reihen (3a) gebildete Lichtzone Y1 mit der lichtaktiven Höhe Z1. Ebenfalls ist erkennbar, dass trotz des vertikalen Streuwinkels AW der Sonnenstrahlen (12) die LED (3) und (3a) praktisch nicht bestrahlt werden.
Durch Variation der Helligkeit der LED-Reihen (3a) kann so eine genaue Anpassung des Intensitätsverlaufes (11) an Vorschriften erfolgen. Wie später gezeigt wird, kann aber unter bestimmten Umständen auch der LED-Abstand innerhalb einer Reihe vergrößert werden, damit werden weniger LED gleicher Helligkeit benötigt. Es kann auch eine geringe Absenkung der Referenzachse R in Kauf genommen werden, wenn die Untersuchung der Optikgeometrie eine entsprechende Winkelreserve ergibt. Der Reihenabstand A darf jedoch nicht vergrößert werden, da sonst die vertikale Homogenisierung gestört wird.
Nun wird die horizontale Lichtstreuung betrachtet. Fig. 5 zeigt den Horizontalschnitt durch die Optik der Fig. 1 mit einer LED-Reihe (3). Die Intensitätskurven (10) ergeben sich wieder ohne Berücksichtigung der Streuelemente (6). Auch hier ist zur Erreichung eines homogenen Lichtfeldes eine horizontale Mindeststreuung in der Größe der LED-Abstände H bzw. des umgerechneten Winkelwerts HW erforderlich. Fig. 5a zeigt die Intensitätskurve (11), wenn die Streuelemente (6) diese Mindeststreuung bewirken. Es wird ein Bereich mit konstanter Helligkeit erzielt.
Mit zunehmender Streuwirkung verflacht dieser Bereich, allerdings ohne Reduzierung des Maximalwertes. Nach optischen Gesetzmäßigkeiten bleibt dieser Maximalwert unverändert, bis die Streuwirkung etwa die umgerechnete Größe der Reihenlänge L bzw. den Streuwinkel LW erreicht hat. Fig. 5b stellt den Intensitätsverlauf (11) bei dieser Maximalstreuung dar. Eine noch größere Streuung bewirkt ein Absinken der Helligkeit in der Referenzachse R.
Fig. 5c zeigt ein Beispiel einer Verteilungsvorschrift in horizontaler Richtung. Die Intensitätskurve (11) der Fig. 5b stellt hier eine gute Annäherung dar. Durch Ändern der LED-Anzahl und damit der Reihenlänge L und des zugehörigen maximalen Streuwinkels LW kann die Breite der Lichtverteilung und die Anpassungscharakteristik zwischen den prinzipiellen Intensitätsverläufen (11) nach Fig. 5a und Fig. 5b variiert werden.
Fig. 6 zeigt die Verhältnisse bei einer Vergrößerung der LED-Abstände innerhalb einer Reihe, wieder ohne Berücksichtigung der Streuelemente (6). Die Lichtflecke (10) rücken entsprechend weit auseinander. Fig. 6a zeigt, dass die Lichtflecke durch Anwendung des bisherigen minimalen Streuungswinkels HW nicht verschmelzen. Eine homogene Lichtverteilung entsteht erst, wenn die Minimalstreuung dem größten LED-Abstand in allen LED-Reihen Hmax sowie dem umgerechneten Winkel HWmax entspricht. Der maximale Streuwinkel LW bleibt hiervon im wesentlichen unberührt. Fig. 6b stellt wieder die maximale Streuung mit dem Streuwinkel HWmax dar. Die Intensitätskurve (11) ist sehr homogen, in der Referenzachse R ist jedoch gegenüber Fig. 5b ein geringerer Wert vorhanden. So wird durch Auseinanderrücken der LED (3) einer Reihe eine geringere Intensität erzielt.
Die geschilderten Möglichkeiten lassen bei der Gestaltung der Lichtverteilung mehrere Wege zu. Bleiben nach der Festlegung der Zone mit maximaler Packungsdichte X und der notwendigen Streuwinkel der die Referenzachse R bestimmenden Hauptgruppe von Streuelementen (6) noch Bereiche der gewünschten Lichtverteilung zu dunkel, so kann darüber entschieden werden, ob weitere LED (3) in eine schwächere Lichtzone Y1 in geeigneten Abständen H auf die Leiterplatte (2) gesetzt werden, oder ob eine weitere Gruppe von Streuelementen (6) mit anderen oder größeren Streuwinkeln festgelegt werden soll, es kann aber auch eine Kombination beider Möglichkeiten erfolgen. Die erste Möglichkeit ist bei knappen Lichtwerten zu wählen, während die zweite Möglichkeit nur bei ausreichenden Lichtreserven zum Tragen kommen kann, da ein Teil des vorhandenen Lichts für die neue Gruppe der Streuelemente abgezweigt wird. Hierbei muß vor allem bei der Wirkungsüberlagerung mehrerer Streuelementgruppen auf die Beibehaltung der Referenzachse R geachtet werden. Eine Überlagerung des bestehenden Intensitätsverlaufes etwa in Fig. 4 mit einer zusätzlichen Verlaufskurve mit anderer Vertikalstreuung und demnach anderer Charakteristik kann die Referenzachse R nach unten verschwenken. Eine Korrektur der Richtung ist dann zwangsläufig mit gesteigertem Phantomlicht verbunden. Ebenso sollen neu festgelegte Streuelementgruppen das Nutzlicht (8) nicht über die obersten Randlichtstrahlen (13) der Hauptgruppe hinaus lenken. Die Zahl der Variationsmöglichkeiten empfiehlt computerunterstützte Simulationsberechnungen.
Für ein homogenes Erscheinungsbild des Signalgebers ist es ausreichend, dass die Streuelemente (6) nur die jeweiligen Mindeststreuwinkel erzielen. Hierzu müssen entweder alle LED in allen Reihen den gleichen Horizontalabstand H voneinander aufweisen und die Lichtzone Y1 mit schwächeren LED (3a) bestückt sein, oder die minimale Horizontalstreuung wird bei Vorhandensein von Reihen mit teilweiser Bestückung nach dem größten vorkommenden LED-Abstand Hmax bestimmt.
Fällt jedoch eine LED aus, erscheint der ganze Signalgeber oder zumindest eine Streuelementgruppe aus einer bestimmten Beobachtungsrichtung dunkel. Dieses Problem kann gelöst werden, indem die horizontalen Mindeststreuwinkel wenigstens verdoppelt werden, da ein LED-Ausfall einer lokalen Verdoppelung des horizontalen LED-Abstandes entspricht. In diesem Fall ist daher wenigstens die halbe Helligkeit in der betroffenen Beobachtungsrichtung vorhanden. Eine Verdoppelung der Vertikalstreuwinkel ist zumindest bei der Hauptgruppe der Streuelemente wegen des Phantomlichts nicht möglich.
Günstig wirken sich auch mehrere Gruppen von Streuelementen aus, weil bei geeigneter Auslegung nur jeweils eine Gruppe von Streuelementen dünkler erscheint. Deswegen empfiehlt es sich auch, keine allzu großen LED-Abstände Hmax vorzusehen oder besonders große Abstände H durch zusätzliche LED zu unterteilen, selbst wenn genügend Licht vorhanden ist.
Bei einer elektrischen Verschaltung mehrerer LED in Serie ist darauf zu achten, dass in jeder LED-Reihe höchstens eine LED pro Serienstrang eingesetzt wird. Keinesfalls dürfen LED eines Stranges an benachbarten Stellen sitzen, da sie im Störungsfall alle gleichzeitig ausfallen.
Werden größtmögliche Horizontalstreuwinkel vorgesehen, so werden auch Farb- und Helligkeitsunterschiede einzelner LED durch Überlappung vermischt und somit das beste visuelle Erscheinungsbild auch bei LED-Ausfall erzielt. Hierfür ist andererseits eine möglichst kompakte LED-Anordnung erforderlich.
In Fig. 7a bis 7f sind mehrere Ausführungsbeispiele für LED-Anordnungen dargestellt. Fig. 7a zeigt die Leiterplatte von Fig. 4 mit LED unterschiedlicher Helligkeit. Manche LED-Bauformen werden nach Helligkeitsklassen sortiert angeliefert, welche hier zweckmäßig verwendet werden können. Fig. 7b zeigt die gleiche Ausführung für LED einheitlicher Helligkeit mit vergrößerten Abständen in den Reihen der Lichtzone Y1. Fig. 7c zeigt die Leiterplatte bestückt mit einer anderen LED-Type. Die vermeintlich gleiche Anordnung wie Fig. 7b unterscheidet sich jedoch wesentlich. Die Zone mit maximaler Packungsdichte X weist eine größere Höhe Z auf, dafür ist der Reihenabstand A kleiner. Es wird somit auch ein geringerer vertikaler Mindeststreuwinkel AW benötigt, ein einfaches Auswechseln gegen die Leiterplatte der Fig. 7b führt nicht zum Erfolg. Fig. 7d zeigt eine modifizierte Version der Fig. 7c, welche einen geringeren LED-Abstand Hmax aufweist und deshalb im Erscheinungsbild insbesonders bei LED-Ausfällen der Fig. 7c vorzuziehen ist. Fig. 7e zeigt eine aus mehreren Zonen aufgebaute Leiterplatte, die Fig. 7f zeigt, dass auch seitlich der Zone maximaler Packungsdichte X eine Zone mit schwächerer Bestückung angrenzen kann. Hierdurch wird beispielsweise eine besonders große Seitensichtbarkeit des Signalgebers erzielt.
In Fig. 7a und 7b, sowie Fig. 7c, 7d und 7f sind die horizontalen LED-Abstände Hmax Vielfache des Rasterwertes der höchsten Packungsdichte in der Lichtzone X. Bei diesen Ausführungen ist eine besonders homogen verlaufende Lichtverteilung erzielbar, wenn die horizontalen Streuwinkel ebenfalls Vielfache dieser umgerechneten Rasterwerte sind. Willkürlich gewählte Streuwinkel, aber auch unregelmäßige LED-Abstände wie bei Fig. 7e können unter Umständen bei der Überlagerung der Lichtflecke (10) durch unpassende Überlappungen zu einer relativ stufen- oder wellenartigen Intensitätsverteilung (11) führen.
Fig. 8 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung. Die Leiterplatte (2) ist gegenüber den bisherigen Darstellungen um den Winkel PW gegen die Kondensorlinse (4) geneigt. Hierdurch gelangen einerseits die oberhalb der Lichtzone X angeordneten LED (3a, 3b) in eine Position mit besserer Fokussierung, andererseits wird ihr Licht besser von der Kondensorlinse erfasst. Unterhalb der Leiterplatte (2) ist durch eine Ausbuchtung (14) im Gehäuse (1) ausreichend Platz für die Spannungsversorgung (15). In das Gehäuse (1) eingebaut ist eine Blende (16), welche eine lichtabsorbierende, schwarzmatte Oberfläche (17) aufweist und den größten Teil des Gehäuses (1), der Leiterplatte (2), sowie die Spannungsversorgung (15) abdeckt. Eindringende Sonnenstrahlen (12) fallen alle auf die Oberfläche (17) und werden absorbiert. Die Blende (16) weist möglichst knapp bemessene Öffnungen (18) für den Lichtaustritt der LED (3, 3a,3b) auf, hierdurch werden alle glänzenden Oberflächen der Leiterplatte (2) wie Leiterbahnen, Bauteile und Lötanschlüsse abgedeckt. Zusätzlich stellt die Blende (16) ein Wärmeschild gegen direkte Sonneneinstrahlung dar, welche durch Aufheizung der Leiterplatte (2) einen Helligkeitsabfall verursachen würde. Die Blende (16) kann bei geringen Phantomlichtanforderungen aus Kostengründen weggelassen werden.
Das Gehäuse (1) besitzt eine gut wärmeleitende Rückseite (19), welche die Verlustwärme der Leiterplatte (2) aufnimmt, verteilt und nach außen abstrahlt. Es kann aber auch ein handelsüblicher Kühlkörper hinten angebracht sein. Die Leiterplatte (2) weist hier drei LED-Reihen (3, 3a, 3b) auf, wobei durch eine Kombination von unterschiedlicher Helligkeit und größeren Abständen drei Helligkeitszonen entstehen, welche ohne Berücksichtigung der Streuelemente (6) unterschiedlich helle Intensitäten (10, 10a, 10b) auf der virtuellen Projektionswand (9) erzeugen. Fig. 8a stellt wieder den mit Berücksichtigung der Streuelemente (6) erzielten vertikalen Intensitätsverlauf (11) dar. Die Referenzachse R liegt unverändert horizontal. Alle Lichtstrahlen liegen unter dem Sonnenstandswinkel S.
Die Streuwinkelbetrachtungen gehen von einer gleichmäßigen Streuung aus, wie sie näherungsweise für kleinere Ablenkwinkel von sphärischen Linsenflächen mit horizontalen und vertikalen Radien erzielt werden. Prinzipiell können Streuelemente aber auch auf der den LED zugewandten hauptsächlich glatten Seite der Kondensorlinse (4) angebracht sein, die Streuwinkel der Streuelemente (6) sind dann entsprechend zu reduzieren. Werden insbesonders die vertikalen Mindeststreuwinkel AW durch eine geeignete Streustruktur auf der Kondensorlinse (4) erzeugt, bestehen dann zumindest die Hauptgruppe der Streuelemente, oder sogar alle Streuelemente (6) aus einfacher herzustellenden Zylinderlinsen. Könnte die gesamte Streustruktur (6) auf die Kondensorlinse (4) übertragen werden, wäre die Frontscheibe (5) glatt. Allerdings führt eine solche Überlagerung vor allem im Randbereich wegen des schrägen Lichteinfalls zu erheblichem Kompensationsaufwand.
Über eine Struktur auf der den LED zugewandten Seite der Kondensorlinse (4) können aber auch unterschiedliche LED-Leiterplatten (2) verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen LED-Typen an eine gemeinsame Frontscheibe (5) angepaßt werden. Hierbei können insbesonders andere Reihenabstände A, welche unterschiedliche Streuwinkel AW erfordern, ausgeglichen werden.
Selbstverständlich können auch asphärische Streuelemente vorgesehen werden, vor allem bei größeren Streuwinkeln und wenn eine gleichförmige Helligkeit gefordert wird.
Eine Verschwenkung der Referenzachse R kann, wie bei der Beschreibung der Fig. 3 erwähnt, durch Prismenüberlagerung sämtlicher Streuelemente (6), wie auch durch Verschieben der Leiterplatte (2) erfolgen. Hierdurch ergibt sich eine weitere Möglichkeit, das Phantomlicht zu reduzieren. Vertikal aneinandergrenzende Streuelemente (6) haben in der Regel einen Höhenunterschied und bilden kleine Stufen an der Innenseite der Frontscheibe (5), welche eine Ursache für Lichtreflexe des Sonnenlichts sind. Wird allen Streuelementen ein vertikales Prisma überlagert, so werden ihre Oberflächen entsprechend geneigt. Hierdurch können die Stufen minimiert werden, oder bei gleich großen horizontalen Streuwinkeln sogar völlig verschwinden. Die hierdurch verursachte Verlagerung der Referenzachse muß dann durch Verschieben der Leiterplatte (2) kompensiert werden.
Das Verschieben der Leiterplatte (2) kann auch angewandt werden, um die Neigung der Referenzachse R auf die Straßenverhältnisse anzupassen, weil in der Regel die Optik fix in einen Signalgeber eingebaut ist.

Claims (16)

  1. Leuchtdioden-Signalgeberoptik zur Erfüllung vor allem europäischer Vorschriften bezüglich Lichtverteilung und Phantomlicht, mit homogenem Erscheinungsbild, zum Einbau in handelsübliche Verkehrsampeln, bestehend aus einer zentralen Anordnung von Leuchtdioden (LED) auf einer austauschbaren, gut wärmeleitenden Leiterplatte 2, deren Licht möglichst vollständig von einer im Brennpunktabstand F davor angebrachten Kondensorlinse 4 in Fresnelbauweise erfasst und auf eine davor befindliche Frontscheibe 5 gebündelt wird, auf welcher in bekannter Weise eine oder zumeist mehrere unterschiedliche Gruppen von Streuelementen 6 alternierend rasterartig und gleichmäßig verteilt sind, sowie einem topfartigen Gehäuse 1, welches die Bauteile umgibt und zueinander positioniert und durch Kondensorlinse 4 und Frontscheibe 5 abgeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die LED 3 in horizontalen Reihen, welche untereinander gleich große Abstände A aufweisen, angeordnet sind, wobei von der untersten Reihe ausgehend eine niedrige horizontale Zone X mit höchster Packungsdichte und Lichtstärke der LED 3 vorhanden ist, deren halbe Höhe Z/2 umgerechnet in einen Winkelwert ZW/2 kleiner ist als der um den halben Abstandswinkel AW/2, um den durch Wirkungsüberlagerungen verschiedener Streuelementgruppen entstehenden Korrekturwinkel K der Referenzachse R, um die Lichtdivergenz DW der LED 3 selbst, um die Sonnenstrahlendivergenz und um einen die Herstellungstoleranzen und Fokussierungsabweichungen berücksichtigenden Winkelwert verringerte Sonnenstandswinkel S, und dass daran vorzugsweise mindestens eine Zone Y1 mit wesentlich geringerer Packungsdichte und/oder Lichtstärke der LED 3 hauptsächlich nach oben anschließt.
  2. Signalgeberoptik nach Anspruch 1), dadurch gekennzeichnet, dass jene Gruppe von Streuelementen 6 der Frontscheibe 5, welche die Lage der Lichtachse R dominierend festlegt, in vertikaler Richtung denselben Streuwinkel AW entsprechend dem Zeilenabstand A und in horizontaler Richtung einen Streuwinkel aufweist, der umgerechnet mindestens dem geringsten horizontalen LED-Abstand H und höchstens der Zeilenlänge L der Zone X mit höchster Packungsdichte entspricht, und dass alle anderen Streuelementgruppen der Frontscheibe 5 in vertikaler Richtung mindestens einen dem Zeilenwinkel AW entsprechenden Streuwinkel, dessen obere Winkelgrenze nicht über der oberen Streuwinkelgrenze 13 der zuerst erwähnten Streuelemente 6 liegt, sowie in horizontaler Richtung zumindest einen dem größten vorkommenden LED-Horizontalabstand Hmax entsprechenden Streuwinkel HWmax aufweisen.
  3. Signalgeberoptik nach Anspruch 1) und 2), dadurch gekennzeichnet, dass alle horizontalen Streuwinkel der Streuelemente 6 zumindest den umgerechneten Winkelwert HWmax des größten LED-Abstandes Hmax betragen.
  4. Signalgeberoptik nach Anspruch 1) und 2), dadurch gekennzeichnet, dass alle horizontalen Streuwinkel der Streuelemente 6 zumindest den doppelten umgerechneten Winkelwert HWmax des größten LED-Abstandes Hmax betragen.
  5. Signalgeberoptik nach einem oder mehreren Ansprüchen 1) bis 4), dadurch gekennzeichnet, dass die Streuwinkel eines Streuelementes 6 durch sphärische Krümmung der Oberflächen, charakterisiert durch je einen vertikalen und horizontalen Krümmungsradius, erzielt werden.
  6. Signalgeberoptik nach einem oder mehreren Ansprüchen 1) bis 5), dadurch gekennzeichnet, dass allen Streuelementen 6 der Frontscheibe 5 mittels Prismen ein solcher vertikaler Ablenkwinkel überlagert ist, dass die Stufen an der Grenze zweier beliebiger direkt übereinanderliegender Streuelemente 6 eine minimale Größe haben oder bei gleichem horizontalem Streuwinkel ganz verschwinden.
  7. Signalgeberoptik nach einem oder mehreren Ansprüchen 1) bis 6), dadurch gekennzeichnet, dass zur vertikalen Einrichtung der Referenzachse R die Leiterplatte 2 in vertikaler Richtung verschiebbar ist.
  8. Signalgeberoptik nach einem oder mehreren Ansprüchen 1) bis 7), dadurch gekennzeichnet, dass die horizontalen und/oder vertikalen Mindeststreuwinkel HW und/oder AW durch eine Linsenstruktur auf der den LED zugewandten Seite der Kondensorscheibe 4 erzeugt werden und alle Streuelemente 6 um diese Beträge verringerte Streuwinkel aufweisen.
  9. Signalgeberoptik nach einem oder mehreren Ansprüchen 1) bis 8), dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der LED-Anordnung klein gegenüber dem Durchmesser der Optik ist und alle LED 3 die Kondensorlinse 4 möglichst vollständig und gleichmäßig hell beleuchten.
  10. Signalgeberoptik nach einem oder mehreren Ansprüchen 1) bis 9), dadurch gekennzeichnet, dass der Zeilenabstand A nach der höchstmöglichen Packungsdichte der LED 3 in vertikaler Richtung bemessen ist.
  11. Signalgeberoptik nach einem oder mehreren Ansprüchen 1) bis 10), dadurch gekennzeichnet, dass die LED 3 innerhalb einer Reihe unterschiedliche Abstände H und/oder Lichtstärke haben können.
  12. Signalgeberoptik nach einem oder mehreren Ansprüchen 1) bis 11), dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Abstände H in jeder Reihe gleich sind oder ein ganzzahliges Vielfaches des kleinsten horizontalen Abstandes betragen und die horizontalen Streuwinkel ein ganzzahliges Vielfaches des Streuwinkels HW, die vertikalen Streuwinkel AW oder ein ganzzahliges Vielfaches davon betragen.
  13. Signalgeberoptik nach einem oder mehreren Ansprüchen 1) bis 12), dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse 1 innen eine schwarzmatte, lichtabsorbierende Oberfläche aufweist und eine gut wärmeleitfähige Rückwand 19 besitzt.
  14. Signalgeberoptik nach einem oder mehreren Ansprüchen 1) bis 13), dadurch gekennzeichnet, dass sich die LED 3 im wesentlichen in der oberen Gehäusehälfte befinden und die Leiterplatte 2 um einen geringen Winkel PW gegen die Kondensorscheibe 4 geneigt ist.
  15. Signalgeberoptik nach einem oder mehreren Ansprüchen 1) bis 14), dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der LED-Leiterplatte 2 durch eine Ausbuchtung 14 im Gehäuse 1 Platz für die Spannungsversorgung 15 vorgesehen ist.
  16. Signalgeberoptik nach einem oder mehreren Ansprüchen 1) bis 15), dadurch gekennzeichnet, dass LED-Leiterplatte 2, Spannungsversorgung 15 und Gehäuse 1 durch eine Blende 16 mit mattschwarzer, lichtabsorbierender Oberfläche 17 abgedeckt sind, welche möglichst knapp bemessene Öffnungen 18 für die Lichtaustrittsflächen der LED 3 aufweist.
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