AT516296B1 - Ausfallsichere Symboldarstellungen mit LED-Lichtquelle und Lichtleiter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine LED-Symbolanzeige mit farbmischender Sammeloptik, insbesondere für sicherheitsrelevante Anwendungen. Die farbmischende Eigenschaft der Lichtquelle wird einerseits dazu verwendet, den Ausfall einer LED völlig zu kaschieren und die verbleibenden LEDs bei Bedarf mit entsprechend mehr Strom zu beaufschlagen, andererseits um Symbole in mehreren Normfarben in einer gemeinsamen Bauform umsetzen zu können. Als Lichtquelle werden High-Power-LEDs (R, G) mit ebenem Lichtaustritt und separater Verschaltung, sowie elektrischer und/oder optischer Überwachung in kompakter Anordnung eingesetzt, deren Licht im Lichtleiterstab (2) ausgemischt und nach der ebenen Austrittsfläche (4) in ein Lichtleiterbündel (6) oder ein lichtaufteilendes Element geleitet wird, dort in einzelne Lichtleiterarme aufgeteilt und über deren Austrittsflächen (8a, 8b ... ) auf einzelne, ein Symbol bildende Sammellinsen (5) gelenkt wird, deren Brennpunkte (F) in den jeweiligen Austrittsflächen liegen. Die Lichtverteilung kann durch Reflexionsflächen und/oder eine Struktur (S) auf der Sammellinse (5) weiter an das Anwendungsgebiet angepasst werden.

Description

Beschreibung

AUSFALLSICHERE SYMBOLDARSTELLUNGEN MIT LED-LICHTQUELLE UND LICHTLEITER

[0001] Die Anmeldung betrifft eine Optik mit LED-Lichtquelle und Lichtleiter, entsprechend der WO2012/068603A1 (Swarco).

[0002] Die in dieser Druckschrift geoffenbarte farbmischende Sammeloptik ist für eine ausfallsichere Symboldarstellung nicht gut geeignet. Symbole sind aus einzelnen Leuchtpunkten aufgebaut, welche gemäß ihrer Anordnung in bekannter Weise Ziffern, Buchstaben oder einfache grafische Darstellungen, etwa Pfeile, Kreuze, Balken oder Linien bilden.

[0003] In obiger Anmeldung wird bereits auf den Einsatz als redundante Lichtquelle mit mehreren LED-Kristallen für Sicherheitsaufgaben hingewiesen, wenn bei Ausfall eines LED-Kristalles auf einen anderen umgeschaltet werden kann, ohne erkennbare Veränderung in der Lichtab-strahlung. Ebenso kann auch zwischen verschiedenfarbigen LED-Kristallen ohne erkennbare Veränderung in der Lichtabstrahlung hin und her geschaltet werden. Diese Eigenschaften der obigen Anmeldung sollen nun für Symboldarstellungen in Sicherheitsausstattung, insbesonders im Eisenbahn-, Schifffahrts-, Flug- oder Straßenverkehr eingesetzt werden. Hierbei kann zusätzlich die Möglichkeit einer Farbumschaltung genutzt werden, indem Symbole in mehreren Farben durch die farbumschaltbare Lichtquelle verwirklicht werden können.

[0004] Weiters zeigt die WO 98/22845 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zum modifizieren des Lichtintensitätsprofils eines Lichtleiters, insbesondere zum Anpassen des Abstrahlwinkels des aus der Austrittsfläche eines faseroptischen Lichtleiters austretenden Lichtes, wobei das Licht von einer Lichtquelle in einen unmittelbar vor dieser Lichtquelle angeordneten ersten Lichtleiter gekoppelt wird, und ein dem ersten Lichtleiter nachgeordneter zweiter Lichtleiter vorhanden ist, wobei zwischen der Lichtaustrittsfläche des ersten Lichtleiters und der Lichteintrittsfläche des zweiten Lichtleiters ein lichtstreuendes Element angeordnet ist. Der erste Lichtleiter besteht vorzugsweise nur aus einer einzelnen Lichtleitfaser, wobei das aus dem ersten Lichtleiter austretende Licht ein erstes Lichtintensitätsprofil aufweist. Der zweite Lichtleiter weist die Form eines Faserbündels auf, wobei das aus dem zweiten Lichtleiter austretende Licht ein zweites Lichtintensitätsprofil aufweist. Durch das Auftreffen des aus dem ersten Lichtleiter austretenden Lichts auf das lichtstreuende Element wird zunächst das erste Lichtintensitätsprofil des ersten Lichtleiters modifiziert, wodurch über die Kopplung an den zweiten Lichtleiter auch das zweite Lichtintensitätsprofil des zweiten Lichtleiters entsprechend angepasst wird.

[0005] Die US 7 364 335 B2 zeigt eine modulare faseroptische Leuchteinheit mit Lichtquellenmodulen, welche jeweils ein Gehäuse mit einem Hohlraum aufweisen, in dem eine High- Power LED angeordnet ist. Eine vor der High-Power LED angeordnete Sammeloptik ist dazu vorgesehen, das abgestrahlte Licht zu fokussieren und an das proximale Ende von Lichtleitfasern abzustrahlen, deren Austrittsflächen in einer Matrixplatte angeordnet sind.

[0006] Die US 5 408 572 A zeigt einen Lichtaustrittskörper für faseroptische Lichtleiter, insbesondere für Signalanzeigevorrichtungen zum Anzeigen von Verkehrszeichen, welcher zum Ausstrahlen des einem Rasterpunkt in der Anzeigefläche über Lichtleiter zugeführten Lichts ein Lichteintrittsende zum Verbinden mit dem zuführenden Ende des zugeordneten Lichtleiters und ein Lichtaustrittsende, welches in der Anzeigefläche die Lichtaustrittsfläche des Rasterpunktes bildet, aufweist sowie einen lichtleitenden Mittelbereich zwischen Lichteintritts- und Lichtaustrittsende, der sich zum Lichtaustrittsende hin im Wesentlichen konisch oder pyramidal ausweitet.

[0007] Die WO 2014/041081 A1 zeigt ein Optiksystem zur Verwendung in einer Ampelleuchte, wobei die den Lichtleiterstab verfehlenden Randlichtstrahlen der LEDs mittels lichtleitenden Elementen eingesammelt und auf einen optischen Sensor gelenkt werden.

[0008] Unter Sicherheitsausstattung versteht man ein redundantes System, welches so aufge- baut ist, dass das Versagen eines beliebigen Bauteils unter keinen Umständen zum Versagen des Systems führt. Fällt ein Bauteil aus, so muss ein Ersatzsystem die Funktion aufrechterhalten, wobei das Vorliegen eines Fehlers gemeldet wird, sodass das System rasch instand gesetzt werden kann. In einer einfacheren Variante muss das System bei jedem Fehler in einen stabilen vorherbestimmten Zustand gelangen bzw. abschalten, sodass Verhaltensvorschriften für ausgefallene Symbole in Kraft treten.

[0009] Bisher wurden Symbole in Sicherheitsanwendungen mittels Lichtleiterbündeln umgesetzt. Zwei Reflektor-Glühlampen beleuchten über Teiler- oder Umlenkspiegel dasselbe Lichtleiterbündel, dessen Arme zu den das Symbol bildenden Einzeloptiken in der als Matrixplatte bezeichneten Gerätefront fuhren und jede Optik einen Lichtpunkt bildet. Brennt die erste Lampe durch, führt das mangels Stromfluss im elektrischen Kontroller zum Umschalten auf die zweite Lampe. Dabei wird ein Warnsignal aktiviert. Ist nur eine Lampe vorgesehen, so ist das dargestellte Symbol nach dem Durchbrennen der Lampe sicher ausgeschaltet, im Kontroller erfolgt die Detektion über Fehlen eines Stromflusses. Für höchste Sicherheitsansprüche ist jedes Symbol nur mittels eines einzigen Lichtkreises zu betreiben, denn die Aufteilung auf mehrere Lichtkreise kann im Fehlerfall zu einer verstümmelten Symboldarstellung führen.

[0010] Die technische Entwicklung der LEDs brachte es mit sich, dass die zuvor mit Lichtleiterbündeln ausgestatteten Wechselverkehrszeichen aus Kostengründen sehr rasch auf Einzeloptiken mit je einer LED pro Optik umgestellt wurden. Hierdurch konnten erstmals auch durch Rasteranordnung und modulare Bauweise grafikfähige Geräte hergestellt werden, deren Darstellungen frei programmiert werden können. Allerdings gelten dafür niedrige Sicherheitsauflagen, sodass diese Geräte nicht für sicherheitsrelevante Umgebungen taugen.

[0011] Heute werden Lichtleiter vor allem zur Signalübertragung eingesetzt. Es verbleiben nur mehr wenige lichttechnische Randgebiete, wo ein Einsatz von LED-Lichtquellen zusammen mit Lichtleiterbündeln sinnvoll ist, beispielsweise bei Endoskopen oder in der Medizintechnik wie in der US 2014/126233A1 (Sunoptic) beschrieben. Darin beleuchtet jedoch nur eine einzige High-Power-LED direkt ein (austauschbares) Lichtleiterbündel.

[0012] Die Hersteller von Symbolanzeigen für sicherheitsrelevante Anwendungen sind hier im Dilemma, wenn sie ihre Anzeigen mit der besonders langlebigen LED-Technologie ausstatten wollen. Werden hohe Ansprüche an die Sicherheit gestellt, sind alle LEDs einzeln zu überwachen, um eine unverstümmelte Symboldarstellung zu garantieren. Hierfür wären spezielle elektronische Kontroller notwendig, welche mit den Ansteuerungen zusammen in höchster Sicherheitsstufe funktionieren, was immense Kosten verursacht, weil die bestehenden älteren Systemsteuerungen dafür nicht kompatibel sind und ebenfalls geändert werden müssten. Die elektronische Imitation eines Glühlampenverhaltens in Sicherheitsausstattung ist allerdings auch sehr aufwändig und bietet nicht die technischen Möglichkeiten einer elektronischen Anbindung der Geräte, etwa über Busleitung, wie in den Steuerungsanlagen der neuesten Generationen bereits vorgesehen, etwa mit integrierter Ansteuerung, Helligkeitsregelung, Betriebsstundenzählung, Funktionsüberwachung und Protokollierung der Betriebsumstände und Störungen.

[0013] Selbst wenn solche Entwicklungen getätigt werden, ist die Störungsanfälligkeit solcher aufwändiger Systeme wegen der Verwendung einer Vielzahl von Einzelkomponenten auch relativ hoch und läuft dem Gedanken der Funktionssicherheit zuwider. Bisher vorgestellte Systeme sind nicht schlüssig als System der Zukunft erkennbar.

[0014] Die Anordnung einzelner LEDs in jeder Optik stößt verschiedentlich auf weitere Schwierigkeiten, da Wunschhelligkeit und Lichtverteilung manchmal nicht mit einzelnen LEDs erzielbar sind. Oft sind Low-Power-LEDs zu lichtschwach, alternativ müssten High- Power-LEDs außerhalb ihrer Spezifikationen mit zu wenig Strom betrieben werden.

[0015] Sogenannte Mid-Power-LEDs sind bisher nicht in allen Signalfarben erhältlich. Mit Lichtleiterbündeln ließe sich hingegen die Lichtpunkthelligkeit in weiten Grenzen gerade im interessierenden Helligkeitsbereich verwirklichen. Dazu kommt die systemimmanente Sicherheit einer vollständigen Symboldarstellung, denn eine oder mehrere ausgefallene Lichtpunkte sind nur bei LED-Lichtpunkten möglich.

[0016] Deswegen wurde auch daran gedacht, die Lichtleiter-Bauweise beizubehalten und mit besonders langlebigen LED-Glühlampen auszustatten. Die Herstellung lampenkompatibler LED-Lichtquellen stößt aber nach wie vor auf Schwierigkeiten, insbesonders bezüglich der thermischen Probleme, aber auch hinsichtlich der erforderlichen Lichtbündelung auf Lichtleiterbündel. Dazu kommt, dass sowohl Einzel-, als auch Multi-LED-Lichtquellen weder ein Glühlam-pen-kompatibles elektrisches Verhalten noch einen sicheren Ausfallmodus haben. In jedem Fall wären dafür neue Ansteuerungen zu entwickeln.

[0017] Ein optisches Signalisierungssystem benötigt für ausreichende Helligkeit nur relativ wenige High-Power-LEDs, welche mit viel weniger Aufwand betrieben und elektrisch überwacht werden können, als etwa die vielen Lichtpunkte eines Symbols. Es wäre daher eine gemeinsame LED-Lichtquelle in Symbolanzeigen von erheblichem Vorteil. Fällt eine LED aus, könnte der LED-Strom für die funktionstüchtigen LEDs angehoben werden, um die Helligkeit der Signalisierung konstant zu halten, ohne jede Beeinträchtigung einzelner Lichtpunkte.

[0018] Leider kommt es in bekannten optischen Systemen durch Ausfall einer LED aber zur Ausbildung von dunklen Stellen und Veränderungen in der Lichtverteilung, sodass oft die lichttechnischen Spezifikationen nicht mehr erfüllt werden. Diese Phänomene werden umso auffälliger, je enger das Licht gebündelt sein muss, da hierbei die Methode der Lichtstreuung zur Vergleichmäßigung nicht infrage kommt. Eine räumlich gekrümmte Anordnung von LEDs mit Einzeloptiken, welche ihr Licht überlappend auf ein Lichtleiterbündel fokussieren, ist herstellungstechnisch sehr aufwändig und auch lichttechnisch nicht besonders effizient, abgesehen davon ergeben sich unterschiedlich helle Bereiche auf dem Lichtleitereintritt, deren Ausgleich teure Lichtleiterbündel mit vermischten Lichtfasern erfordert.

[0019] Bisher waren keine optischen Systeme bekannt, die eine ausgleichende Vermischung des Lichts einzelner LEDs ohne Licht- und Bündelungsverlust und ohne erheblichen technischen Aufwand bewerkstelligen konnten. Die eingangs genannte W02012/068603A1 zeigt nun eine Lösung dafür auf. Sie behandelt allerdings nur kleine Optiken für einzelne Pixel von Wechselverkehrszeichen mit ebenfalls sehr kleinen und lichtschwachen Multicolor-LEDs, welche nur in der zugehörigen Optik wirken, aber wegen der hohen optischen Effizienz des Systems völlig ausreichen.

[0020] Aufgabe der Erfindung ist daher, eine ausmischende Lichtquelle mit High-Power-LEDs und Lichtpunktoptiken zu entwickeln, mit welcher sich LED-Symbolanzeigen in Lichtleiter-Technologie umsetzen lassen. Das wird erfindungsgemäß so gelöst, dass unmittelbar vor der aus mehreren High-Power-LEDs mit ebenem Verguss in dichter Packung angeordneten Lichtquellenplatine ein Lichtleiterstab mit ebener, knapp bemessener, rechteckiger, dreieckiger oder hexagonaler Licht-Eintrittsfläche und ebensolchem Querschnitt angeordnet ist, der sich allmählich konisch erweitert und eine ebene Licht-Austrittsfläche senkrecht zu seiner Achse aufweist, an welche die Lichteintrittsfläche eines lichtaufteilenden Elementes unmittelbar anschließt, welches das eintretende Licht über eine Mehrzahl von Lichtbündeln aufteilt und jedes Lichtbündel separat zu je einer Austrittsfläche weiterleitet, welche sich im Fokus einer davor in einer Matrixplatte befestigten Sammellinse befindet.

[0021] Weil durch dieses optische System jede einzelne LED dieselbe Lichtverteilung erzeugt, können einerseits bei einem Ausfall einer oder mehrerer LEDs die verbliebenen intakten LEDs höher bestromt werden, andererseits auch LEDs in unterschiedlichen Lichtfarben separat eingeschaltet werden, wodurch sowohl eine Ausfallskompensation, als auch ein Symbol in unterschiedlicher Farbdarstellung möglich wird.

[0022] Signalisierungssysteme haben je nach ihrer Bedeutung bestimmte genormte Lichtfarben abzustrahlen. Diese werden nicht in RGB-Farbmischung erzeugt, sondern müssen schon aus Sicherheitsaspekten LEDs in der jeweiligen Signalfarbe verwenden, denn eine durch Mischung erhaltene Lichtfarbe unter allen Betriebsumständen und Störfällen konstant zu halten, wäre unter hohen Sicherheitsauflagen ein fast unlösbares Problem, dessen Lösung die Verlässlichkeit und Verfügbarkeit untergräbt, kostentreibend ist und auch sonst keinerlei Vorteil bringt. Unabhängig davon ist natürlich die Ausführung mit LEDs in RGB-Farben technisch möglich.

[0023] Das lichtaufteilende Element ist in den meisten Fällen ein handelsübliches Lichtleiterbündel, dessen einzelne Arme aus einer Vielzahl von feinen Glasfasern bestehen, welche besonders leicht um Kurven geführt werden können und selbst ein Bruch einiger Einzelfasern nur eine minimale Auswirkung auf das Erscheinungsbild und die Lichtverteilung der betroffenen Einzeloptik hätte. Ebenso können aber auch kostengünstigere, handelsübliche Einzeladern aus transparentem, elastischem Kunststoff vorgesehen werden, jedoch fällt hier im Fall eines Adernbruches der zugehörige Lichtpunkt vollständig aus, weshalb enge Biegungen der Arme, hohe Temperaturen und Schwingungen zu vermeiden sind. Die Arme sind in beiden Fällen in einen gemeinsamen Lichteintritt des Lichtleiterbündels zusammengeführt. Für Sonderfälle und größere Stückzahlen ist auch ein transparenter, einteiliger Aufteilungslichtleiter als lichtauftei-lendes Element möglich.

[0024] Die Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigt bzw. zeigen: die [0025] Fig. 1 einen teilweisen Schnitt und eine anschauliche Darstellung der Erfindung, die [0026] Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch die Erfindung und die [0027] Fig. 3 eine Ausführungsvariante im Längsschnitt.

[0028] Die Fig. 1 zeigt die Erfindung teils im Querschnitt, teils in anschaulicher Form. Die Lichtquellenplatine 1 trägt mehrere High-Power-LEDs gleicher oder unterschiedlicher Farbe R, G, hier dargestellt in sogenannter Chip-LED-Bauweise, wobei jeder LED-Chip auf einem nur geringfügig größeren, sehr gut wärmeleitenden Träger aus Keramik sitzt und durch einen ebenen Verguss vor Umwelteinflüssen und mechanischer Beschädigung geschützt wird. Solche auch Chip-LEDs genannten LEDs können dicht an dicht angeordnet werden und weisen eine ähnliche Energie- und Lichtdichte auf, wie direkt auf eine Leiterplatte in COB- (Chip-on-Board-)-Technik aufgesetzte und eben vergossene LED-Ghips. Die GOB-Bauweise als in der Wirkung identische Lichtquellenbauform ist vor allem bei großen Stückzahlen kostengünstiger. Vorzugsweise ist die Lichtquellenplatine 1 aus wärmeleitender Keramik gefertigt, um die sehr konzentriert anfallende Verlustwärme bestmöglich zu verteilen und abzuführen.

[0029] Die beiden elektrischen Anschlüsse jedes LED-Chips R, G sind über Leiterbahnen auf der Lichtquellenplatine 1 einzeln herausgeführt, um beliebige Verschaltungen, insbesonders hinsichtlich elektrischer Parameter-Überwachung und Sicherheitsanforderungen zu ermöglichen, was mit zweireihigen LED-Anordnungen am besten möglich ist. Diese Verschaltungen mitsamt der kompletten Versorgungselektronik können ebenfalls ganz oder teilweise auf der Lichtquellenplatine 1 angeordnet sein.

[0030] Der ebene Verguss erlaubt, dass ein Lichtleiterstab 2 mit seiner ebenen Eintrittsfläche 3 unmittelbar vor die LED-Chips R, G gesetzt wird, wobei seine Eintrittsfläche 3 nur geringfügig größer ist als der Umriss der LED-Anordnung, und trotzdem der größte Teil des erzeugten Lichts eingefangen wird. Wegen der rechteckigen LEDs und meist quadratischen LED-Chips ist eine dichte Anordnung in aller Regel ebenfalls rechteckig, ebenso der Lichtleiterquerschnitt. Er kann aber auch erfindungsgemäß quadratisch, dreieckig oder hexagonal sein, wenn hierdurch Vorteile in der Erzielung der gewünschten Lichtverteilung entstehen.

[0031] Die Eintrittsfläche 3 weist einen toleranzbedingten Sicherheitsabstand zu den LED-Chips R, G auf, deren Oberflächen nicht berührt werden dürfen, wodurch Lichtstrahlen, welche die Eintrittsfläche 3 verfehlen oder oberflächlich reflektiert werden, seitlich austreten. Diese nicht nutzbaren Randlichtstrahlen können mittels nicht dargestellter lichtleitender Elemente aufgenommen und auf optische Sensoren zur Überwachung des Funktionsstatus gelenkt werden.

[0032] Die Mantelfläche des Lichtleiterstabes 2 besteht aus ebenen, hochglanzpolierten Flächen zur Totalreflexion des Lichts und erweitert sich erfindungsgemäß konisch hin zu einer ebenen Austrittsfläche 4 senkrecht zu seiner Längsachse. Die Zeichnung zeigt den Verlauf einiger Lichtstrahlen r, ausgehend vom LED-Chip R. Die konische Erweiterung führt in bekann-ter Weise zu einer Bündelung der abgestrahlten Lichtstrahlen r innerhalb des Lichtleiterstabes 2, welche sich auch auf den Winkelbereich des Lichts nach dessen Austritt auswirkt.

[0033] Das angrenzende Lichtleiterbündel 6, aber auch jeder andere feste Lichtleiter weist einen so bezeichneten „Aperturwinkel“ auf, damit wird der Grenzwinkel des ein- und austretenden Lichts gemeint, unter welchem noch eine Weiterleitung durch Totalreflexion erfolgt. Licht außerhalb dieses Winkels tritt durch die Seitenwände aus und ist für das System verloren. Der konische Verlauf des Lichtleiterstabes 2 ist daher so bemessen, dass der erzeugte Lichtaustrittswinkel A kleiner oder gleich dem Aperturwinkel des angrenzenden Lichtleiterbündels 6 ist. Das bedeutet etwa eine Verdoppelung bis Verdreifachung von Länge und Breite der Lichtaustrittsfläche 4 zur Lichteintrittsfläche 3, bei etwa fünf bis zehnfacher Länge des Lichtleiterstabes 2 bezüglich der Diagonale seiner Eintrittsfläche 3. Das Längenverhältnis des Lichtleiterstabes 2 bestimmt auch die Zahl der Reflexionen der Lichtstrahlen in seinem Inneren, damit die Zahl der Spiegelbilder jedes LED-Chips und somit die Mischungsqualität.

[0034] Unmittelbar an die Austrittsfläche 4 angrenzend erstreckt sich die ebene Lichteintrittsfläche 7 des Lichtleiterbündels 6, sie hat vorzugsweise genau die gleiche Größe und denselben Umriss, sodass kein Licht verloren geht, aber jede Lichtfaser vollständig von Licht beaufschlagt ist.

[0035] Das Licht in jedem Lichtleiterarm 6a, 6b ... tritt an seinem Ende aus und in die Sammeloptik 5 ein, welche in der Matrixplatte M befestigt ist und einen Lichtpunkt des Symbols bildet, und deren Fokus sich im Lichtaustritt des jeweiligen Lichtleiterarmes befindet, wie in Fig. 2 detaillierter dargestellt.

[0036] In Fig. 2 werden nur die Spiegelbilder des einzelnen LED-Chips R aus Fig. 2 im Querschnitt lichttechnisch betrachtet. Die gekrümmte Anordnung der Spiegelbilder Ra, Rb, Rc .., ergibt sich durch die schwache Konizität des Lichtleiterstabes 2. Zur Erläuterung werden hier nur die Zentrumslichtstrahlen des LED-Chips R und seiner Spiegelbilder durch das Zentrum der Austrittsfläche 4 betrachtet. Die von jedem Spiegelbild ausgehenden Lichtstrahlen sind strich-liert dargestellt, da sie eigentlich vom einzig vorhandenen LED-Chip R ausgehen und nach mehreren verlustfreien Reflexionen an den Lichtleiterstab-Wänden die durchgehend gezeichneten Lichtstrahlen r, ra, rb, rc ... ergeben. Die unregelmäßigen Winkelwerte der Lichtstrahlen korrelieren mit der Anordnung der Spiegelbilder.

[0037] Wie der eingangs genannten W02012/068603A1 zu entnehmen ist, ist die Austrittsfläche 4 des Lichtleiterstabes 2 von jeder einzelnen LED R, G im Wesentlichen gleichmäßig hell ausgeleuchtet, weil sie an jedem Punkt ihrer Oberfläche nur durch direkt vom LED-Chip und seinen Spiegelbildern herrührenden Lichtstrahlen beleuchtet wird, welche von der LED mit kontinuierlichem Verlauf in sogenannter Cosinus-Verteilung abgestrahlt werden. Es ist daher nicht notwendig, Lichtleiterbündel mit vermischten Lichtfasern zu verwenden, womit bei Glühlampensystemen die ungleichmäßige Helligkeit des gebündelten Lichtpunktes ausgeglichen wird. Allerdings erfolgt die Lichtabstrahlung aus der Austrittsfläche 4 unregelmäßig in Form von divergierenden Lichtbündeln in unterschiedliche Richtungen, entsprechend der Offset-Positionen der Spiegelbilder Ra, Rb, Rc .., der LED R bezüglich der Austrittsfläche 4. Diese Unregelmäßigkeit der Lichtabstrahlwinkel bleibt bei der Unterteilung und Weiterleitung des Lichts zum großen Teil erhalten wie in der Darstellung D gezeigt, sodass jede Austrittsfläche 8a, 8b ... des Lichtleiterbündels 6 zwar ebenfalls eine gleichmäßige Helligkeit, jedoch bevorzugte Lichtaustrittswinkel des Lichts aufweist.

[0038] Werden nicht nur die Zentrumslichtstrahlen, sondern alle Lichtstrahlen berücksichtigt, so bleibt diese Erscheinung im Prinzip bestehen, die bevorzugten Lichtaustrittswinkel erscheinen allerdings verwaschen und verlaufend.

[0039] In Analogie zur mehrfach genannten W02012/068603A1 wird diese Erscheinung neutralisiert, wenn jede Austrittsfläche 8a, 8b ... im Fokus F der zugehörigen, in der Matrixplatte M befestigten nachfolgenden Sammeloptik 5 liegt, wodurch alle Lichtstrahlen jedes Punktes der Austrittsfläche durch Parallelrichten gleichgeschaltet werden. Damit erzeugt die Sammeloptik 5 nach optischen Gesetzen eine Lichtverteilung in Form der auf dem Kopf stehenden, gleichmäßig hell leuchtenden Austrittsfläche 8a des Lichtleiterarmes 6a als Projektion ins Unendliche. Die Sammellinse 5 erfasst dabei möglichst alle austretenden Lichtstrahlen bis zum Aperturwinkel A für maximale Effizienz. VorteilhafterWeise reicht ihre Lichteintrittsfläche 10 unmittelbar an die Austrittsfläche 8a des Lichtleiterarmes 6a heran und ist zumindest so groß, dass alle austretenden Lichtstrahlen erfasst werden.

[0040] Die Geometrie der Austrittsflächen 8a, 8b ... der Lichtleiterarme 6a, 6b ... ist insbesondere beim Einsatz von Lichtfasern beliebig gestaltbar, aber auch durch gezielte Formgebung massiver Lichtleiterarme. Diese Lichtverteilungsgeometrie lässt sich wie bekannt durch überlagerte optische Strukturen S etwa auf der Eintrittsfläche 10 oder der Lichtaustrittsfläche 11 der Sammellinse 5 in Grenzen modifizieren. Es können auch Teilmengen des Lichts etwa durch in der Sammellinse 5 integrierte Reflexionsflächen in andere Verteilungsbereiche ausgespiegelt werden. Hier bietet sich ein weites Gestaltungsfeld an, um die Lichtverteilung den Vorgaben anzupassen.

[0041] Weist das Lichtleiterbündel 6 sehr lange Arme auf, so erfolgt bereits innerhalb der Arme ein durch Fertigungstoleranzen und Krümmungen bedingter statistischer Ausgleich der inhomogenen Lichtrichtungen, sodass in diesem Fall die Sammellinsen keinen Fokus bei den Austrittsflächen 8a, 8b ... der Lichtleiterarme haben müssen und damit frei gestaltet werden können.

[0042] Der Lichtguerschnitt der Lichtleiterarme sowie deren Anzahl ist in weiten Grenzen frei wählbar und kann vom Fachmann in Kenntnis der Erfindung leicht bestimmt werden. Selbstverständlich ist im optischen Gesamtsystem die Anzahl und Betriebsweise der LEDs, die Größe der Lichtaustrittsfläche, die Konizität des Lichtleiterstabes, die Geometrie der Austrittsflächen der Lichtleiterarme und die Anzahl, Größe und Bauweise der Optiken mit der gewünschten Lichtverteilung und Helligkeit abzustimmen. Das erfolgt zumeist mittels lichttechnischer Simulation. Hierbei werden Brechungsindices, Absorptionen, Oberflächen, Reflexionen und Strukturen, sowie nichtlineare Einflüsse und Verzerrungen mitberücksichtigt.

[0043] Die Elemente des optischen Systems können natürlich auch ein Baukastensystem bilden, welches so abgestimmt ist, dass für jeden üblichen Anwendungsfall auf vorhandene Komponenten zugegriffen werden kann, unter Inkaufnahme gewisser Verluste insbesondere an den Ein- und Austrittsflächen des Lichts.

[0044] Fig. 3 zeigt ein lichtaufteilendes Element in massiver Lichtleiter-Bauweise. An den konischen Lichtleiterstab 2 schließt unmittelbar der im Wesentlichen ebene Aufteilungslichtleiter 9 mit zur Austrittsfläche 4 deckungsgleicher Eintrittsfläche 7 an. Von ihm zweigen zu jeder Sammellinse 5 in der Matrixplatte M lichtleitende Arme (9a, 9b ...) mit großen Radien ab, welche genau im Fokus F der jeweiligen Sammellinse 5 enden. Die Lichtstrahlen r einer LED R verteilen sich zunächst gleichmäßig über alle lichtleitenden Arme 9a, 9b ... ohne Änderung ihrer Neigungswinkel. Lediglich durch die Kurven erfolgt eine relativ geringe Änderung dieser Winkel, sodass bei den Austrittsflächen 8a, 8b ... noch eine sehr ähnliche Richtungsabhängigkeit der Lichtstrahlen wie bei der Eintrittsfläche 7 besteht und die Austrittsflächen sich daher im Fokus F der Sammellinsen 5 befinden müssen.

[0045] Diese Bauform empfiehlt sich vor allem für die separat schaltbaren geraden Segmente einer sogenannten alphanumerischen Siebensegment-Anzeige, aber etwa auch für die Balken eines Signalstellungsanzeigers, deren Komponenten sich im Wesentlichen in einer Ebene befinden. Denn in der dargestellten Anordnung können Lichtleiterstab 2 und Aufteilungslichtleiter 9 sehr einfach zu einem einzigen Bauteil verschmolzen werden. Für einfache lichttechnische Anforderungen wie z.B. konzentrische Lichtbündelung können sogar die Sammellinsen 5 selbst einstückig an die lichtleitenden Arme 9a, 9b ... angebunden sein. Somit ist eine gemeinsame, einstückige und damit kostengünstige Fertigung von Lichtleiterstab, Verteiler und Optiken aus transparentem Kunststoff in einem relativ einfachen Spritzwerkzeug möglich.

[0046] Eine solche Ausführung ist auch besonders lichtstark, weil sowohl die Grenzflächenverluste, als auch die Zwickelverluste zwischen den Glasfasern eines Lichtleiterbündels 6 vermieden werden. Die filigrane Lichtleitergeometrie ist vorzugsweise durch ein nicht dargestelltes Gehäuse in Position gehalten und geschützt, welches auch die Sammellinsen 5 umfasst und von hinten in die Matrixplatte M eingebaut wird.

[0047] In Ausgestaltung der Erfindung können auch mit dem Lichtleiterstab einstückig verbundene sternförmige Aufteilungslichtleiter relativ einfach hergestellt werden.

[0048] Wird die gleiche LED-Lichtquelle etwa auch in Signalleuchten verwendet, so kann deren Betrieb im Prinzip mit der gleichen Ansteuerung erfolgen. Hierdurch erspart man sich die Entwicklung einerweiteren Sicherheitselektronik.

[0049] Selbstverständlich ist die Lichtquellenplatine 1 gut gekühlt, um die Verlustwärme der High- Power-LEDs abführen zu können, insbesonders durch direkte und vollflächige Anlage an Gehäusewänden, Kühlkörpern, Schildern oder anderen Bauteilen, bevorzugt aus Aluminium.

[0050] Begriffe wie „gleichförmig", „im Fokus", „eben“, „hochglanzpoliert“, „unmittelbar vor“ und zahlreiche andere sind im technischen Zusammenhang zu verstehen bzw. zu interpretieren und nicht im mathematischen oder ideal/idealistischen. Begriffe wie „etwa“ bedeuten, soferne nichts anders angegeben ist, Bereiche mit Abweichungen von ± 10 %.

Claims (18)

1. Patentansprüche

   1. LED-Symbolanzeige für den sicherheitsrelevanten Einsatz insbesondere in der Bahn-, Schifffahrts-, Flug- und Verkehrssignalisierung auf Lichtleiterbasis, umfassend eine lichtmischende LED-Lichtguelle, ein lichtaufteilendes Lichtleiterelement und Lichtaustrittsoptiken in einer Matrixplatte (M) in Anordnung des darzustellenden Symbols, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar vor der aus mehreren High-Power-LEDs mit ebenem Verguss (R, G) in dichter Packung angeordneten Lichtquellenplatine (1) ein Lichtleiterstab (2) mit ebener, bevorzugt knapp bemessener, polygonaler, insbesondere rechteckiger, dreieckiger oder hexagonaler Licht-Eintrittsfläche (3) und ebensolchem Querschnitt angeordnet ist, der sich allmählich konisch erweitert und eine ebene Licht-Austrittsfläche (4) senkrecht zu seiner Achse aufweist, an welche die Lichteintrittsfläche (7) eines lichtaufteilenden Elementes bevorzugt unmittelbar anschließt, welches das eintretende Licht in eine Mehrzahl von Lichtbündeln aufteilt und jedes Lichtbündel separat zu je einer Austrittsfläche (8a) weiterleitet, welche sich im Fokus (F) einer davor in einer Matrixplatte (M) befestigten Sammeloptik (5) befindet.
2. 2. LED-Symbolanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtaufteilen-de Lichtleiterelement ein Lichtleiterbündel (6) ist, welches, wie an sich bekannt, aus Lichtleiterarmen (8a, 8b ...) mit einer Vielzahl von lichtleitenden Glasfasern besteht, welche in der Lichteintrittsfläche (7) zusammengefasst sind.
3. 3. LED-Symbolanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtaufteilen-de Lichtleiterelement ein Lichtleiterbündel (6) ist, welches wie bekannt aus elastischen Kunststoff-Lichtleiterarmen besteht, welche in der Lichteintrittsfläche (7) zusammengefasst sind.
4. 4. LED-Symbolanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtaufteilen-de Lichtleiterelement ein einteiliger Aufteilungslichtleiter (9) ist, welcher aus transparentem Material besteht und das in seine Eintrittsfläche (7) eintretende Licht mittels abzweigender lichtleitender Arme (9a, 9b ...) aufteilt und zu den Sammeloptiken (5) leitet.
5. 5. LED-Symbolanzeige nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Aufteilungslichtleiter (9) und Lichtleiterstab (2) einteilig aus demselben Material, insbesonders einem hochtransparenten Kunststoff, hergestellt sind.
6. 6. LED-Symbolanzeige nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Aufteilungslichtleiter (9) und Sammeloptiken (5) einteilig aus demselben Material, insbesonders einem hochtransparenten Kunststoff, hergestellt sind.
7. 7. LED-Symbolanzeige nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Lichtleiterstab (2), Aufteilungslichtleiter (9) und Sammeloptiken (5) einteilig aus demselben Material, insbesonders einem hochtransparenten Kunststoff, hergestellt sind.
8. 8. LED-Symbolanzeige nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsfläche (4) des Lichtleiterstabes (2) und die Eintrittsfläche (7) des lichtaufteilenden Lichtleiterelements deckungsgleiche Größe und Gestalt aufweisen.
9. 9. LED-Symbolanzeige nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das aus jeder Austrittsfläche (8a, 8b ...) des Lichtleiterarms (6a, 6b ...) austretende Licht vollständig von der anschließenden Sammeloptik (5) erfasst und gerichtet wird.
10. 10. LED-Symbolanzeige nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gestalt der Austrittsflächen (8a, 8b ...) der Lichtleiterarme (6a, 6b ...) der beabsichtigten Lichtverteilung entspricht oder zumindest nahekommt, und dass deren Gestalt durch die Fokuslage bezüglich der Sammeloptik (5) ins Unendliche projiziert wird.
11. 11. LED-Symbolanzeige nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichteintrittsfläche (10) und/oder Lichtaustrittsfläche (11) der Sammeloptik (5) eine überlagerte Streustruktur (S) oder weitere optisch wirksame Flächen aufweist.
12. 12. LED-Symbolanzeige nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsfläche (10) der Sammeloptik (5) unmittelbar an die Austrittsfläche (8a, 8b ...) des jeweiligen Lichtleiterarmes (6a, 6b ...) grenzt und zumindest deckungsgleichen oder vorstehenden Umriss aufweist.
13. 13. LED-Symbolanzeige nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Konizität des Lichtleiterstabes (2) erzeugte Lichtaustrittswinkel (A) kleiner oder höchstens gleich dem Aperturwinkel des angrenzenden lichtaufteilen-den Lichtleiterelements ist.
14. 14. LED-Symbolanzeige nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Symbol von einer einzigen optischen Einheit, bestehend aus Lichtquellenplatine (1), Lichtleiterstab (2) und lichtaufteilendem Lichtleiterelement, beleuchtet wird.
15. 15. LED-Symbolanzeige nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Symbol mittels einer Sieben-Segmentanzeige dargestellt und mit sieben optischen Einheiten, bestehend aus Lichtquellenplatine (1), Lichtleiterstab (2) und lichtaufteilendem Element, beleuchtet wird.
16. 16. LED-Symbolanzeige nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Chips in COB-Technik direkt auf die Lichtquellenplatine (1) aufgebracht und gemeinsam eben vergossen sind.
17. 17. LED-Symbolanzeige nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellenplatine (1) aus elektrisch isolierender, wärmeleitender Keramik gefertigt und thermisch gut leitend an Kühlflächen angebunden ist.
18. 18. LED-Symbolanzeige nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die den Lichtleiterstab (2) verfehlenden Randlichtstrahlen der High- PowerLEDs vorzugsweise mittels lichtleitender Elemente eingesammelt, gebündelt und auf optische Sensoren gelenkt werden. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen