DE102009047882A1

DE102009047882A1 - LED-Verkehrssignal

Info

Publication number: DE102009047882A1
Application number: DE200910047882
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Brick
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2011-03-31
Also published as: WO2011039005A1

Abstract

Es wird ein LED-Verkehrssignal angegeben, das mindestens eine LED-Lichtquelle (10) mit mehreren oberflächenmontierbaren LEDs (1) umfasst. Den Lichtaustrittsflächen (2) der LEDs (1) ist eine Vorkollimiereinheit (3) nachgeordnet. Weiterhin umfasst das LED-Verkehrssignal eine der Vorkollimiereinheit (3) nachgeordnete Kollimiereinheit (5). Die Anzahl der oberflächenmontierbaren LEDs (1) der LED-Lichtquelle (10) beträgt nicht mehr als fünf.

Description

Die Erfindung betrifft ein LED-Verkehrssignal.
Verkehrssignale wie beispielsweise Verkehrsampeln erfordern eine homogene Ausleuchtung der Signalfläche, eine definierte Bündelung der emittierten Strahlung und eine hohe Intensität des emittierten Lichtbündels. Die Lichtquelle und deren optischen Elemente müssen in der Regel so ausgelegt sein, dass sie hinsichtlich der zuvor genannten Eigenschaften gesetzliche Mindesterfordernisse erfüllen.
Neben konventionellen Lampen werden in Verkehrssignalen inzwischen auch LEDs eingesetzt, die sich durch eine lange Lebensdauer und einen vergleichsweise geringen Stromverbrauch auszeichnen. Typischerweise werden dabei LEDs in Radialgehäusen eingesetzt, die Drahtanschlüsse und einen Reflektor aufweisen. Bei derartigen LED-Lichtquellen werden sehr viele diskrete LEDs benötigt, um die für Verkehrssignale erforderliche Lichtintensität zu erzielen. Aufgrund von Toleranzen bei der Herstellung des Reflektors und bei der Bestückung kann eine unerwünschte asymmetrische Abstrahlung der Lichtquelle auftreten. Weiterhin ist die Abfuhr der im Betrieb erzeugten Wärme von der Vielzahl von LEDs schwierig.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein LED-Verkehrssignal anzugeben, das sich durch eine verbesserte homogene Ausleuchtung der Signalfläche, eine definierte Bündelung der emittierten Strahlung sowie eine hohe Strahlungsintensität auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch ein LED-Verkehrssignal mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das LED-Verkehrssignal mindestens eine LED-Lichtquelle mit mehreren oberflächenmonierbaren LEDs, die jeweils eine Lichtaustrittsfläche aufweisen. Weiterhin enthält das LED-Verkehrssignal vorteilhaft eine den Lichtaustrittsflächen der LEDs nachgeordnete Vorkollimiereinheit und eine der Vorkollimiereinheit nachgeordnete Kollimiereinheit.
Die den Lichtaustrittsflächen der LEDs nachfolgende Vorkollimiereinheit dient dazu, die Divergenz des von den LEDs emittierten Lichts zu reduzieren, um eine homogene Ausleuchtung der nachfolgenden Kollimiereinheit zu erzielen. Mittels der Kollimiereinheit erfolgt die Strahlformung des von dem LED-Verkehrssignal emittierten Signallichts.
Die Anzahl der oberflächenmontierbaren LEDs der LED-Lichtquelle beträgt vorzugsweise nicht mehr als fünf. Unter ”oberflächenmontierbaren LEDs” sind hier und im Folgenden insbesondere solche LEDs zu verstehen, die keine Drahtanschlüsse für eine Durchsteckmontage aufweisen, sondern direkt mittels lötfähiger Anschlussflächen auf eine Leiterplatte gelötet werden können. Derartige LEDs werden auch als SMD(Surface Mounted Device)-LEDs bezeichnet. Besonders geeignet sind derartige oberflächenmontierbare LEDs, bei denen sich nicht nur die elektrischen Anschlussflächen an der Unterseite des Bauelements befinden, sondern auch eine thermische Anschlussfläche, über die die von der LED emittierte Wärme abgeleitet werden kann. Eine oberflächenmontierbare LED mit einer in das LED-Gehäuse integrierten Wärmesenke, das an der Unterseite des Gehäuses sowohl thermisch als auch elektrisch angeschlossen werden kann, ist aus der Druckschrift WO 02/084749 A2 bekannt, deren Inhalt diesbezüglich hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Die in Strahlrichtung des von den LEDs emittierten Lichts den Lichtaustrittsflächen der LEDS nachfolgende Vorkollimiereinheit dient dazu, eine möglichst homogene Ausleuchtung der nachfolgenden Kollimiereinheit zu erzielen. Bevorzugt ist die Vorkollimiereinheit dazu eingerichtet, die Divergenz des von den LEDs emittierten Lichts zu reduzieren, um möglichst die gesamte von den LEDs emittierte Strahlung auf die nachfolgende Kollimiereinheit zu lenken.
Die der Vorkollimiereinheit nachfolgende Kollimiereinheit dient zur Strahlformung des von dem LED-Verkehrssignal emittierten Signallichts. Die Kollimiereinheit dient insbesondere dazu, einen vorgegebenen Abstrahlwinkel des LED-Verkehrssignals einzustellen, der beispielsweise durch gesetzliche Vorschriften vorgegeben sein kann.
Durch die Vorkollimiereinheit zwischen den Lichtaustrittsflächen der LEDS und der Kollimiereinheit kann eine homogene Ausleuchtung der Kollimiereinheit auch dann erzielt werden, wenn die LED-Lichtquelle nur wenige, insbesondere nicht mehr als fünf oberflächenmontierbare LEDS umfasst. Beispielsweise ist es möglich, dass die LED-Lichtquelle nur zwei, drei oder vier LEDs umfasst. Durch die Verwendung von nur wenigen oberflächenmontierbaren LEDS, die vorteilhaft mittels Lötmontage beispielsweise auf einer Leiterplatte befestigt werden können, ist der Herstellungsaufwand für die LED-Lichtquelle erheblich geringer als bei einer LED-Lichtquelle, die eine Vielzahl von LEDs mit Drahtanschlüssen aufweist.
Die Verwendung einer Vorkollimiereinheit und einer Kollimiereinheit in dem LED-Verkehrssignal hat weiterhin den Vorteil, dass eine besonders kompakte Bauform des LED-Verkehrssignals erreicht werden kann.
Vorzugsweise beträgt ein Abstand zwischen den Lichtaustrittsflächen der LEDs und einer Lichtaustrittsfläche des Verkehrssignals nicht mehr als das 1,5-fache des Radius der Lichtaustrittsfläche des Verkehrssignals. Besonders bevorzugt beträgt der Abstand zwischen den Lichtaustrittsflächen der LEDs und der Lichtaustrittsfläche des Verkehrssignals nicht mehr als der Radius der Lichtaustrittsfläche des Verkehrssignals. Wenn z. B. die Strahlungsaustrittsfläche des LED-Verkehrssignals einen Durchmesser von d = 200 mm aufweist, d. h. einen Radius r = 100 mm, beträgt der Abstand zwischen den Lichtaustrittsflächen der LEDs und einer Lichtaustrittsfläche des Verkehrssignals vorzugsweise nicht mehr als 100 mm.
Die Lichtaustrittsfläche des Verkehrssignals weist vorteilhaft einen Radius von 75 mm oder mehr, bevorzugt von 100 mm oder mehr oder besonders bevorzugt sogar von 150 mm oder mehr auf.
Die oberflächenemittierenden LEDs der LED-Lichtquelle weisen vorteilhaft einen Lichtstrom von mindestens 50 lm auf. Bevorzugt beträgt der Lichtstrom der oberflächenmontierbaren LEDs mindestens 100 lm, besonders bevorzugt mindestens 150 lm. Durch den vergleichsweise hohen Lichtstrom der einzelnen oberflächenmontierbaren LEDs ist es möglich, die gesetzlichen Anforderungen an die Intensität eines Verkehrssignals auch mit wenigen LEDs, insbesondere mit nicht mehr als fünf LEDs, zu erfüllen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorkollimiereinheit mindestens einen optischen Konzentrator auf. Der optische Konzentrator ist vorzugsweise als ein CPC-, CEC- oder CHC-artiger optischer Konzentrator ausgebildet, womit hierbei sowie im folgenden ein Konzentrator gemeint ist, dessen reflektierende Seitenflächen zumindest teilweise und/oder zumindest weitestgehend die Form eines zusammengesetzten parabolischen Konzentrators (Compound Parabolic Concentrator, CPC), eines zusammengesetzten elliptischen Konzentrators (Compound Elliptic Concentrator, CEC) oder eines zusammengesetzten hyperbolischen Konzentrators (Compound Hyperbolic Concentrator, CHC) aufweisen. Dabei ist die den LEDs zugewandte Oberfläche der eigentliche Konzentratorausgang, so dass Strahlung, verglichen mit der üblichen Anwendung eines Konzentrators zum Fokussieren, in umgekehrter Richtung durch diesen läuft und somit nicht konzentriert wird, sondern den Konzentrator mit verringerter Divergenz durch die gegenüberliegende Oberfläche verlässt. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem optischen Konzentrator um einen zusammengesetzten parabolischen Konzentrator (CPC, Compound Parabolic Concentrator).
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist jeder der LEDs ein optischer Konzentrator nachgeordnet. Auf diese Weise kann das Strahlbündel jeder einzelnen LED besonders gut auf die nachfolgende Kollimiereinheit abgebildet werden. Alternativ ist es aber auch möglich, dass die LEDs einen gemeinsamen optischen Konzentrator aufweisen.
Anstelle des bevorzugten optischen Konzentrators, insbesondere CPC-artigen optischen Konzentrators, können auch andere optische Elemente als Vorkollimiereinheit eingesetzt werden. Beispielsweise können die LEDs eine gemeinsame Linse oder bevorzugt jede der LEDs eine einzelne Linse als Vorkollimiereinheit aufweisen. Besonders geeignete Linsen sind insbesondere TIR(Total Internal Reflection)-Linsen. Weiterhin können auch Kombinationen der zuvor genannten optischen Elemente, beispielsweise eine Kombination aus einer TIR-Linse und einem CPC-artigen optischen Konzentrator als Vorkollimiereinheit eingesetzt werden.
Bei der Kollimiereinheit handelt es sich vorzugsweise um eine Fresnel-Linse. Eine an sich bekannte Fresnel-Linsenstruktur wird durch einen zentralen konvexen Linsenbereich und den zentralen Linsenbereich umgebende ringförmige Stufen mit Stufenoberflächen und Stufenflanken gebildet.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist zumindest ein Teil der Stufenoberflächen mit Mikrolinsen versehen. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist zumindest ein Teil der Stufenflanken mit Mikrolinsen versehen.
Besonders bevorzugt sind die Stufenoberflächen in einem an den zentralen Linsenbereich anschließenden Teilbereich, in dem Lichtstrahlen der Lichtquelle auf die Stufenoberflächen auftreffen, mit Mikrolinsen versehen. Ferner sind bevorzugt in einem weiteren Teilbereich, in dem Lichtstrahlen der Lichtquelle derart flach auf die Fresnel-Linsenstruktur auftreffen, dass sie nicht auf die Stufenoberflächen, sondern auf die Stufenflanken auftreffen, die Stufenflanken mit Mikrolinsen versehen.
Die Fresnel-Linsenstruktur kann an der der Lichtquelle zugewandten oder an der von der Lichtquelle abgewandten Oberfläche der Kollimiereinheit angeordnet sein.
Mittels der Kollimiereinheit wird erreicht, dass das LED-Verkehrssignal einen vorgegebenen Abstrahlwinkel aufweist, der insbesondere gesetzliche Vorschriften erfüllt. Vorzugsweise beträgt die volle Halbwertsbreite (FWHM, Full Width at Half Maximum) der von dem Verkehrssignal emittierten Lichtstärke in Abhängigkeit des Abstrahlwinkels in horizontaler Richtung mindestens 28°. In vertikaler Richtung kann bereits eine geringere Winkelhalbwertsbreite von beispielsweise 13° oder weniger ausreichend sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Verkehrssignal ein Abdeckfenster aus. Das Abdeckfenster ist der Kollimiereinheit in Strahlrichtung nachgeordnet, sodass eine von der Lichtquelle abgewandte Oberfläche des Abdeckfensters die Lichtaustrittsfläche des Verkehrssignals ausbilden kann. Bevorzugt weist mindestens eine Oberfläche des Abdeckfensters eine Aufrauung oder ein Mikrolinsen-Array auf. Alternativ ist es auch möglich, dass die Kollimiereinheit, beispielsweise eine Fresnel-Linse, einstückig mit dem Abdeckfenster ausgebildet ist oder selbst als Abdeckfenster fungiert. In diesem Fall bildet die von der Lichtquelle abgewandte Oberfläche der Kollimiereinheit die Lichtaustrittsfläche des Verkehrssignals.
Vorteilhaft weist mindestens eine Oberfläche der Kollimiereinheit eine Aufrauung, Streupartikel oder ein Mikrolinsen-Array auf. Durch die Aufrauung, die Streupartikel oder das Mikrolinsen-Array wird die Homogenität der Beleuchtungsstärke E an der Lichtaustrittsfläche des Verkehrssignals verbessert.
Unter der Beleuchtungsstärke ist dabei der Lichtstrom pro Flächeneinheit zu verstehen.
Vorzugsweise ist für die maximale Beleuchtungsstärke E_max und die minimale Beleuchtungsstärke E_min an der Lichtaustrittsfläche des LED-Verkehrssignals die Gleichung (E_max – E_min)/(E_max + E_min) < 0,5 erfüllt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den 1 bis 16 näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels des LED-Verkehrssignals,
2 eine schematische Aufsicht auf das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel eines LED-Verkehrssignals,
3 eine grafische Darstellung der emittierten Lichtstärke des LED-Verkehrssignals in Abhängigkeit eines horizontalen Winkels α_x,
4 eine grafische Darstellung der emittierten Lichtstärke des LED-Verkehrssignals in Abhängigkeit eines vertikalen Winkels α_y,
5 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch die Kollimiereinheit und das Abdeckfenster bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des LED-Verkehrssignals,
6 bis 15 jeweils eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Teilbereich der Kollimiereinheit und des Abdeckfensters bei weiteren Ausführungsbeispielen des LED-Verkehrssignals, und
16 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch die Kollimiereinheit und das Abdeckfenster bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des LED-Verkehrssignals.
Gleiche oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Größen der Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
Das in 1 in einer Schnittansicht und das in 2 in einer Aufsicht dargestellte Ausführungsbeispiel eines LED-Verkehrssignals enthält eine Lichtquelle 10, die aus drei LEDs 1 gebildet ist. Bei den LEDs 1 handelt es sich vorteilhaft um oberflächenmontierbare LEDs, die auch als SMD-LEDs bezeichnet werden. Die oberflächenmontierbaren LEDs 1 weisen vorteilhaft ein LED-Gehäuse mit Anschlussflächen an der Unterseite oder aus dem Gehäuse herausragende Anschlussstreifen auf, sodass die LEDs 1 an den Anschlusskontaktflächen oder den Anschlussstreifen mit einer Leiterplatte (nicht dargestellt) elektrisch leitend verbunden werden können. Insbesondere können die oberflächenmontierbaren LEDs 1 auf die Leiterbahnen einer Leiterplatte gelötet sein.
Die LEDs 1 weisen Lichtaustrittsflächen 2 auf, die bevorzugt in einer gemeinsamen Ebene liegen. Den Lichtaustrittsflächen 2 der LEDs 1 ist in Strahlrichtung eine Vorkollimiereinheit 3 nachgeordnet.
Die. Vorkollimiereinheit 3 wird bei dem Ausführungsbeispiel durch drei optische Konzentratoren 4 gebildet, wobei es sich bei den optischen Konzentratoren 4 vorzugsweise um zusammengesetzte parabolische Konzentratoren (CPC – Compound Parabolic Concentrator) handelt. Die Vorkollimiereinheit 3 dient dazu, die von den LEDs 1 emittierten Lichtbündel derart zu formen, dass eine Kollimiereinheit 5 möglichst gleichmäßig ausgeleuchtet wird.
Die Kollimiereinheit 5 folgt der Vorkollimiereinheit in Strahlrichtung der von den LEDs emittierten Lichtstrahlen 11 nach und ist vorzugsweise nahe einer Lichtaustrittsfläche 7 des LED-Verkehrssignals angeordnet. Die Lichtaustrittsfläche 7 des LED-Verkehrssignals wird bei dem Ausführungsbeispiel durch die von der Lichtquelle 10 abgewandte Oberfläche einer Abdeckscheibe 6 gebildet, die der Kollimiereinheit 5 in Strahlrichtung nachfolgt.
Die Kollimiereinheit 5 wird durch eine Fresnel-Linse gebildet. Die Kollimiereinheit 5 dient zur Strahlformung des von der Lichtquelle 10 emittierten Lichtbündels 11. Vorzugsweise erfolgt die Strahlformung derart, dass die von dem LED-Verkehrssignal emittierte Lichtstärke eine volle Winkelhalbwertsbreite von mindestens 28° aufweist. Die Lichtstärke ist also in einem Winkelbereich von +/–14° um eine Hauptstrahlrichtung mindestens halb so groß wie in ihrem Maximum.
Die oberflächenmontierbaren LEDs 1 weisen vorzugsweise jeweils einen Lichtstrom von mindestens 50 lm, bevorzugt von mindestens 100 lm und besonders bevorzugt von mindestens 150 lm auf. Die LEDs 1 der Lichtquelle sind vorzugsweise gleichfarbige LEDs, die beispielsweise eine der drei Farben Rot, Gelb oder Grün einer Verkehrsampel aufweisen.
Durch die Verwendung von hocheffizienten oberflächenmontierbaren LEDs 1 mit einem Lichtstrom von vorzugsweise mindestens 50 lm, und das Zusammenwirken der Vorkollimiereinheit 3 und der Kollimiereinheit 5 ist es vorteilhaft möglich, die geltenden Vorschriften für die Intensität und den Abstrahlwinkels eines Verkehrssignals mittels einer Lichtquelle mit nur sehr wenigen LEDs zu erfüllen. Bevorzugt enthält die Lichtquelle 10 weniger als fünf LEDs, wie z. B. drei LEDs 1 in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel.
Weiterhin kann eine sehr geringe Bautiefe des zur Strahlformung der LEDs 1 verwendeten optischen Systems erzielt werden. Bevorzugt beträgt ein Abstand t zwischen den Lichtaustrittsflächen 2 der LEDs 1 und der Lichtaustrittsfläche 7 des Verkehrssignals nicht mehr als das 1,5-Fache des Radius r der Lichtaustrittsfläche 7 des Verkehrssignals. Besonders bevorzugt beträgt der Abstand t zwischen den Lichtaustrittsflächen 2 der LEDs 1 und der Lichtaustrittsfläche 7 des Verkehrssignals nicht mehr als der Radius r der Lichtaustrittsfläche 7 des LED-Verkehrssignals. Beispielsweise betragen bei dem Ausführungsbeispiel der 1 sowohl der Radius r der Lichtaustrittsfläche 7 des LED-Verkehrssignals als auch der Abstand t zwischen den Lichtaustrittsflächen 2 der LEDs 1 und der Lichtaustrittsfläche 7 des LED-Verkehrssignals jeweils 100 mm.
Bevorzugt ist eine der Oberflächen der Abdeckscheibe 6 oder der Kollimiereinheit 5 mit einer Aufrauung oder einem Mikrolinsen-Array versehen. Beispielsweise kann die den LED-Lichtquellen 1 zugewandte Oberfläche 8 des Abdeckfensters 6 mit einer Aufrauung versehen sein (nicht dargestellt). Mittels der Aufrauung und/oder des Mikrolinsen-Arrays wird die Homogenität des von dem LED-Verkehrssignal abgestrahlten Lichtbündels verbessert. Insbesondere kann eine derart gute Homogenität der Lichtabstrahlung an der Lichtaustrittsfläche 7 erreicht werden, dass für die maximale Beleuchtungsstärke E_max und die minimale Beleuchtungsstärke E_min an der Lichtaustrittsfläche 7 des LED-Verkehrssignals gilt: (E_max – E_min)/(E_max + E_min) < 0,5.
Unter der Beleuchtungsstärke ist dabei der emittierte Lichtstrom pro Flächeneinheit zu verstehen.
In den 3 und 4 ist die emittierte Lichtstärke I_v in Abhängigkeit von einem in horizontalen Winkel α_x und einem in vertikalen Winkel α_y grafisch dargestellt. In beiden Richtungen beträgt die volle Halbwertsbreite der Kurven jeweils mehr als 28°. Weiterhin beträgt die Lichtstärke im Maximum der beiden Kurven jeweils mehr als 480 cd. Das hierin beschriebene LED-Verkehrssignal ist daher insbesondere geeignet, die gesetzlichen Anforderungen für Verkehrssignale zu erfüllen.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Ausführungsbeispiel der der Kollimiereinheit 5 und des Abdeckfensters 6 bei einem Ausführungsbeispiel des LED-Verkehrssignals. Die Kollimiereinheit 5 weist eine Fresnel-Linsenstruktur 13 auf. Die Fresnel-Linsenstruktur 13 umfasst einen zentralen konvexen Linsenbereich 14 und ringförmige Fresnel-Stufen, die Stufenoberflächen 15 und Stufenflanken 16 aufweisen. Die Fresnel-Linsenstruktur 13 weist vorteilhaft drei Zonen auf, die sich in ihrer optischen Funktion voneinander unterscheiden. Zentral auftreffende Lichtstrahlen 11a treffen auf den zentralen Linsenbereich 14 der Fresnel-Linsenstruktur. Der zentrale Linsenbereich 14 kann als sphärische oder asphärische Linse ausgeführt sein. Lichtstrahlen 11b mit größeren Einfallswinkeln treffen auf die Stufenoberflächen 15 der Fresnel-Linsenstruktur 13 auf. Lichtstrahlen 11c mit noch größeren Einfallswinkeln treffen im Randbereich der Fresnel-Linsenstruktur 13 auf die Stufenflanken 16 auf, werden beim Eintritt in die Fresnel-Linsenstruktur 13 gebrochen und mittels einer inneren Totalreflexion an den Stufenoberflächen 15 in Richtung des Abdeckfensters 6 reflektiert.
In den folgenden 6 bis 15 werden weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Kollimiereinheit 5 und des Abdeckfensters 6 dargestellt, wobei zur Vereinfachung der Darstellung jeweils nur ein Ausschnitt der Kollimiereinheit und des Abdeckfensters dargestellt ist.
6 zeigt den oberen Teilbereich der Kollimiereinheit 5 und des Abdeckfensters 6 bei einem Ausführungsbeispiel des LED-Verkehrssignals. Die Kollimiereinheit 5 weist wie bei dem Ausführungsbeispiel der 5 eine Fresnel-Linsenstruktur 13 auf. Mindestens eine oder sogar alle Oberflächen der Kollimiereinheit 5 sind mit Streupartikeln 9 versehen. Weiterhin ist auch die der Lichtquelle zugewandte Oberfläche 8 des Abdeckfensters 6 mit Streupartikeln 9 versehen. Die Lichtaustrittsfläche 7 des Abdeckfensters 6, die das LED-Verkehrssignal nach außen begrenzt, ist vorteilhaft nicht mit Streupartikeln versehen, sondern weist bevorzugt eine glatte Oberfläche auf. Auf diese Weise wird einer Verschmutzung der Lichtaustrittsfläche 7 vorgebeugt.
Die Streupartikel 9 können beispielsweise Glas, SiO₂ oder TiO₂ enthalten. Durch die Streupartikel 9 wird eine Durchmischung des von den LEDs emittierten Lichts 11 erzielt. Alternativ zum Aufbringen von Streupartikeln 9 auf mindestens eine Oberfläche der Kollimiereinheit 5 und/oder des Abdeckfensters 6 kann die mindestens eine Oberfläche auch mit einer Aufrauung versehen werden. Die Rauheit der Oberfläche weist in diesem Fall vorzugsweise einen Peak-to-Valley-Wert zwischen 10 nm und 10 μm auf.
Die Streupartikel 9 können auch, wie in 7 dargestellt, in das Volumen der Kollimiereinheit 5 und/oder des Abdeckfensters 6 eingebracht sein.
Bei dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die der Lichtquelle zugewandte Oberfläche der Kollimiereinheit 5 eine Fresnel-Linsenstruktur 13 auf. Die von der Lichtquelle abgewandte Oberfläche der Kollimiereineit 5 ist mit Mikrolinsen 12 versehen. Weiterhin weist auch die der Lichtquelle zugewandte Oberfläche des Abdeckfensters 6 Mikrolinsen 12 auf.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 9 ist die Fresnel-Linsenstruktur 13 im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel der 7 auf der von der Lichtquelle abgewandten Oberfläche der Kollimiereinheit 5 ausgebildet. In diese Fall weist die der Lichtquelle zugewandte Oberfläche Mikrolinsen 12 auf.
Die Mikrolinsen 12 der Ausführungsbeispiele gemäß den 8 und 9 dienen der Strahlformung des von dem LED-Verkehrssignal emittierten Lichts 11. Die Mikrolinsen 12 sind vorzugsweise asphärische Linsen, um ein gewünschtes Strahlprofil zu erzielen. Die Mikrolinsen 12 können insbesondere bikonische Linsen umfassen, d. h. Linsen, die in horizontaler und vertikaler Richtung verschiedene Krümmungsradien aufweisen. Beispielsweise kann bei einem LED-Verkehrssignal in horizontaler Richtung eine größere Strahlaufweitung als in vertikaler Richtung erwünscht sein. Dies kann mittels asphärischer Mikrolinsen 12 realisiert werden.
Bei dem in 10 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kollimiereinheit 5 eine Fresnel-Linse, bei der die Fresnel-Linsenstruktur 13 auf der der Lichtquelle zugewandten Oberfläche angeordnet ist. Die Fresnel-Linsenstruktur 13 weist ringförmige Stufen mit Stufenoberflächen 15 und Stufenflanken 16 auf. Die Stufenoberflächen 15 oder zumindest ein Teil der Stufenoberflächen 15 sind vorteilhaft mit Mikrolinsen 12 versehen.
Auch bei dem in 11 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Kollimiereinheit 5 eine Fresnel-Linsenstruktur 13 auf, deren Stufenoberflächen 15 mit Mikrolinsen 12 versehen sind. Im Gegensatz zum in 10 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Fresnel-Linsenstruktur 13 aber auf der von der Lichtquelle abgewandten Oberfläche der Kollimiereinheit 5 angeordnet.
Bei dem in 12 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Fresnel-Linsenstruktur 13 wie bei dem in 10 dargestellten Ausführungsbeispiel auf der der Lichtquelle zugewandten Oberfläche der Kollimiereinheit 5 angeordnet. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der 10 dadurch, dass nicht die Stufenoberflächen 15, sondern die Stufenflanken 16 mit Mikrolinsen 12 versehen sind. Vorzugsweise sind die Mikrolinsen 12 in den Bereichen der Fresnel-Linsenstruktur auf die Stufenflanken 16 aufgebracht, in denen der Einfallswinkel des Lichts 11 derart groß ist, dass das einfallende Licht 11 nicht auf die Stufenoberflächen 15, sondern auf die Stufenflanken 16 auftrifft. Dies ist insbesondere im Randbereich der Fresnel-Linsenstruktur 13 der Fall.
Es ist weiterhin auch möglich, die Kollimiereinheit 5 und das Abdeckfenster 6 einstückig auszubilden, wie es in den 13 bis 15 dargestellt ist. Beispielsweise weist die Kollimiereinheit 5 bei dem Ausführungsbeispiel der 13 eine der Lichtquelle zugewandte Fresnel-Linsenstruktur 13 auf und ist an der von der Lichtquelle abgewandten Oberfläche mit dem Abdeckfenster 6 fest verbunden. Wie bei den Ausführungsbeispielen der 10 und 12 kann die Fresnel-Linsenstruktur 13 auch bei der einstückigen Ausführung der Kollimiereinheit und des Abdeckfensters 6 mit Mikrolinsen 12 versehen werden. Bei dem Ausführungsbeispiel der 14 sind die Stufenoberflächen 15 der Fresnel-Linsenstruktur 13 und bei dem Ausführungsbeispiel der 14 die Stufenflanken 16 mit Mikrolinsen 12 versehen.
In 16 ist eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Kollimiereinheit 5 dargestellt. Die Kollimiereinheit 5 ist im Wesentlichen wie die Kollimiereinheit der 4 aufgebaut. Insbesondere weist sie eine der Lichtquelle zugewandte Fresnel-Linsenstruktur 13 auf. In einem an den zentralen Linsenbereich 14 anschließenden Teilbereich, in dem Lichtstrahlen 11b auf die Stufenoberflächen 15 auftreffen, sind die Stufenoberflächen 15 der Fresnel-Linsenstruktur 13 mit Mikrolinsen 12 versehen. In einem weiter außen liegenden Teilbereich treffen Lichtstrahlen 11c derart flach auf die Fresnel-Linsenstruktur 13 auf, dass sie nicht auf die Stufenoberflächen 15, sondern auf die Stufenflanken 16 auftreffen. In diesem Bereich der Fresnel-Linsenstruktur sind die Stufenflanken 16 mit Mikrolinsen 12 versehen. Die im Randbereich auftreffenden Lichtstrahlen 11c werden nach dem Passieren der Mikrolinsen 12 durch innere Totalreflexion an den Stufenoberflächen 15 zum Abdeckfenster 6 und somit zur Strahlungsaustrittsfläche 7 des LED-Verkehrssignals umgeleitet. Durch diese Ausgestaltung der Kollimiereinheit 5 wird auch für im Randbereich der Kollimiereinheit 5 aufreffende Lichtstrahlen 11c eine gute Strahlformung erzielt. Dies ermöglicht vorteilhaft einen besonders geringen Abstand zwischen der Lichtquelle und der Kollimiereinheit 5 und somit eine besonders flache Ausführung des LED-Verkehrssignals.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 02/084749 A2 [0008]

Claims

LED-Verkehrssignal, umfassend – mindestens eine LED-Lichtquelle (10) mit mehreren oberflächenmontierbaren LEDs (1), die jeweils eine Lichtsaustrittsfläche (2) aufweisen, – eine den Lichtaustrittsflächen (2) der LEDs (1) nachgeordnete Vorkollimiereinheit (3), und – eine der Vorkollimiereinheit (3) nachgeordnete Kollimiereinheit (5), wobei die Anzahl der oberflächenmontierbaren LEDs (1) der LED-Lichtquelle (10) nicht mehr als 5 beträgt.
LED-Verkehrssignal nach Anspruch 1, wobei ein Abstand (t) zwischen den Lichtsaustrittsflächen (2) der LEDs (1) und einer Lichtaustrittsfläche (7) des Verkehrsignals nicht mehr als das 1,5 fache des Radius (r) der Lichtaustrittsfläche (7) des Verkehrssignals beträgt.
LED-Verkehrssignal nach Anspruch 2, wobei ein Abstand (t) zwischen den Lichtsaustrittsflächen (2) der LEDs (1) und einer Lichtaustrittsfläche (7) des Verkehrsignals nicht mehr als der Radius (r) der Lichtaustrittsfläche (7) des Verkehrssignals beträgt.
LED-Verkehrssignal nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtaustrittsfläche (7) einen Radius (r) von 75 mm oder mehr aufweist.
LED-Verkehrssignal nach Anspruch 4, wobei die Lichtaustrittsfläche (7) einen Radius (r) von 100 mm oder mehr aufweist.
LED-Verkehrssignal nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die oberflächenmontierbaren LEDs (1) einen Lichtstrom von mindestens 50 lm aufweisen.
LED-Verkehrssignal nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorkollimiereinheit (3) mindestens einen optischen Konzentrator (4) umfasst.
LED-Verkehrssignal nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der optische Konzentrator (4) ein zusammengesetzter parabolischer Konzentrator (CPC, Compound Parabolic Concentrator) ist.
LED-Verkehrssignal nach Anspruch 7 oder 8, wobei jeder LED (1) ein separater optischer Konzentrator (4) zugeordnet ist.
LED-Verkehrssignal nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Oberfläche der Kollimiereinheit (5) eine Aufrauung, Streupartikel (9) oder Mikrolinsen (12) aufweist.
LED-Verkehrssignal nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kollimiereinheit (5) eine Fresnel-Linsenstruktur (13) aufweist.
LED-Verkehrsignal nach Anspruch 11, wobei die Fresnel-Linsenstruktur (13) Stufenoberflächen (15) und Stufenflanken (16) aufweist, und zumindest ein Teil der Stufenoberflächen (15) Mikrolinsen (12) aufweist.
LED-Verkehrssignal nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Fresnel-Linsenstruktur (13) Stufenoberflächen (15) und Stufenflanken (16) aufweist, und zumindest ein Teil der Stufenflanken (16) Mikrolinsen (12) aufweist.
LED-Verkehrssignal nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verkehrssignal ein Abdeckfenster (6) aufweist, und mindestens eine Oberfläche (8) des Abdeckfensters (6) eine Aufrauung, Streupartikel (9) oder Mikrolinsen (12) aufweist.
LED-Verkehrssignal nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für die maximale Beleuchtungsstärke E_max und die minimale Beleuchtungsstärke E_min an der Lichtaustrittsfläche des LED-Verkehrssignal gilt: (E_max – E_min)/(E_max + E_min) < 0,5