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Die Anmeldung bezieht sich auf die unter
WO2012/068603A1 (Swarco) veröffentlichte farbmischende Sammeloptik und stellt eine vorteilhafte Ausgestaltung und Erweiterung der Erfindung für andere Einsatzzwecke vor.
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In obiger Veröffentlichung wird auf den Einsatz als redundante Lichtquelle mit mehreren LED-Kristallen für Sicherheitsaufgaben hingewiesen, wobei bei Ausfall eines LED-Kristalls auf einen anderen LED-Kristall umgeschaltet werden kann, ohne erkennbare Veränderung in der Lichtabstrahlung. Ebenso kann auch zwischen verschiedenfarbigen LED-Kristallen ohne erkennbare Veränderung in der Lichtabstrahlung hin und her geschaltet werden. Diese aus obiger Publikation bekannten Eigenschaften werden nun für engbündelnde Signalleuchten in Sicherheitsausstattung, insbesonders Eisenbahn- oder Bahnübergangssignale, Schifffahrtssignale, Warnblinkleuchten in Verkehrsanwendungen oder ähnliches adaptiert.
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Hierbei kann zusätzlich die Möglichkeit einer Farbumschaltung genutzt werden, wobei mehrere herkömmliche, unterschiedlich einfarbige Signalleuchten zu einer einzigen farbumschaltbaren Signalleuchte zusammengefasst werden, wodurch erhebliche Einsparungen möglich sind.
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Unter Sicherheitsausstattung versteht man ein redundantes System, welches so aufgebaut ist, dass das Versagen eines Bauteils unter keinen Umständen zum Versagen der Signalleuchte führt. Fällt ein Bauteil aus, so muss ein Ersatzsystem die Funktion aufrechterhalten, wobei das Vorliegen eines Fehlers weitergeleitet wird, sodass die Signalleuchte rasch instand gesetzt werden kann. In einer einfacheren Variante muss das System bei jedem Fehler in einen stabilen Zustand gelangen bzw. abschalten, wodurch Verhaltensvorschriften bei ausgefallenen Signalen in Kraft treten.
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Ein bekanntes simples Beispiel ist die Verwendung von Zweifaden-Glühlampen in Bahnsignalen. Brennt der erste Faden durch, führt das mangels Stromfluss im Stellwerk zum Abfallen eines in Serie geschalteten Sicherheitsrelais mit zwangsgeführten Kontakten, welche auf den zweiten Faden umschalten und dabei ein Warnsignal aktivieren. Ist nur ein Glühfaden vorgesehen, so ist das Bahnsignal nach dem Durchbrennen sicher ausgeschaltet, im Stellwerk erfolgt die Detektion über das Abfallen des Sicherheitsrelais. Darüber hinaus ist durch Betriebsvorschriften geregelt, wie bei einem ausgefallenem Bahnsignal vorzugehen ist, denn selbst gesicherte Bahnsignale können etwa bei einem allgemeinen Stromausfall dunkel sein.
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Bisher sind funktionelle Nachbauten in LED-Technik bekannt, wobei die beiden Glühfäden einer Lampe durch zwei LED-Ketten nachgebildet werden. Fällt eine LED-Kette aus, wird auf die andere umgeschaltet, oder beide LED-Ketten leuchten und nach dem Ausschalten der schadhaften LED-Kette wird die verbliebene Kette mit mehr Strom betrieben, oder ein Helligkeitsabfall wird in Kauf genommen. Oder es ist nur eine LED-Kette vorhanden, deren Vorschaltgerät bei einer Störung etwa eine Schmelzsicherung durchbrennen lässt und so das Bahnsignal sicher vom Strom abtrennt.
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Moderne Sicherheitssysteme mit Mikroprozessoren sind doppelt aufgebaut, wobei beide Systeme in Betrieb sind und zusätzlich sich selbst und einander gegenseitig auf korrekte Funktion überprüfen. Kommt es zu Unterschieden, wird Alarm ausgegeben und das fehlerhafte System abgeschaltet. LEDs werden gerne über Mikroprozessoren betrieben, da ihre Helligkeit über Pulsweitenmodulation sehr einfach eingestellt und mittels Temperatursensor-Auswertungen und Betriebsstundenzählung, oder einen Lichtsensor konstant gehalten werden kann. Ansteuerung und Fehlererkennung oder Protokollierung der Funktion könnten über Busleitung erfolgen. Diese technischen Möglichkeiten erfordern eine neue Sicherheitsansteuerung, aber auch neue Stellwerke und Kabel, welche als Gesamtsystem sicherheitstechnisch beurteilt werden. Ein solcher Aufwand ist nur leistbar, wenn das gesamte Sicherheitssystem plausibel, effizient und langfristig verfügbar ist, was in Zeiten des raschen LED-Technologiewandels und wechselnder LED-Bauformen noch nicht der Fall war. Bisher vorgestellte Systeme sind nicht schlüssig als System der Zukunft erkennbar.
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Eine Signalleuchte benötigt für ausreichende Helligkeit nur relativ wenige sogenannte Power-LEDs, welche durchaus einzeln betrieben und elektrisch überwacht werden können. Fällt eine aus, kann der LED-Strom für die funktionstüchtigen Power-LEDs angehoben werden, um die Helligkeit der Leuchte konstant zu halten. Leider kommt es durch Ausfall einer Power-LED in bekannten optischen Systemen zur Bildung von dunklen Flecken und Veränderungen in der Lichtverteilung, sodass oft die Spezifikationen nicht mehr erfüllt werden. Auch die Zweifadenlampen nehmen eine Änderung in der Lichtverteilung in Kauf, da nur ein Glühfaden im Fokus, der andere knapp daneben sitzt und deshalb eine Abstrahlung unter einem geringfügig anderen Winkel verursacht, was bisher toleriert werden musste. Diese Erscheinungen sind umso auffälliger, je enger das Licht gebündelt ist.
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Bisher waren keine optischen Systeme bekannt, die eine ausgleichende Vermischung ohne Lichtverlust und ohne erheblichen technischen Aufwand bewerkstelligen konnten. Die genannte
WO2012/068603A1 (Swarco) zeigt nun, allerdings nur für sehr kleine Optiken, eine Lösung auf. Diese kleinen Optiken, etwa für einzelne Pixel von Wechselverkehrszeichen mit ebenfalls sehr kleinen und lichtschwachen LEDs können gehandhabt werden, doch es gibt keine konkreten Anhaltspunkte, wie dieses Prinzip für große Bauformen angepasst werden kann. Denn Signalleuchten weisen eine oft erhebliche Größe des Lichtaustritts auf, sodass etwa eine einstückige Ausführung von Lichtleiterstab und Sammellinse aus wirtschaftlichen und technologischen Gründen nicht sinnvoll wäre. Außerdem gibt es Vorgaben für das Erscheinungsbild von Signalleuchten, welche zusätzliche optische Maßnahmen erforderlich machen.
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Die Schaffung einer solchen hochbündelnden und farbmischenden Optik ist Aufgabe der Erfindung.
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Es wird eine bauliche Trennung von Lichtleiterstab und Sammellinse vorgesehen, welche auch bereits in obiger Anmeldung enthalten ist. Die Sammellinse ist vorzugsweise als Fresnellinse ausgebildet, insbesonders bei größeren Signalleuchten, um Material und Kosten zu sparen.
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Signalleuchten haben je nach ihrer Bedeutung bestimmte genormte Lichtfarben abzustrahlen. Diese werden im Unterschied zur obigen Anmeldung nicht in RGB-Farbmischung erzeugt, sondern durch Verwendung von LEDs der jeweiligen Lichtfarbe, was schon aus Sicherheitsaspekten unverzichtbar ist. 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 der Signalleuchte untergräbt, kostentreibend ist und auch keinerlei Vorteil bringt.
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Während eine Signalleuchte mit kontinuierlich einstellbarer Lichtfarbe auf RGB-Basis als technische Kuriosität zu bewerten wäre, so kann ohne Berücksichtigung solcher Sicherheitsaspekte nach gleichem Prinzip aber zum Beispiel ein Bühnenscheinwerfer hergestellt werden, der ein sehr eng bündelndes, farbveränderliches RGB-Spotlight erzeugt.
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Signalleuchten sollen in aller Regel für den Betrachter als hell leuchtende Kreisscheiben erkennbar sein, ohne Unregelmäßigkeiten, welche Zweifel an der Signalisierung aufkommen lassen. Hier entsteht nun ein technisches Problem in der Anwendung der obigen Erfindung, denn das Licht verlässt den Lichtleiterstab in Form einzelner divergierender Lichtbündel, welche sich auf der Sammellinse als eine relativ unregelmäßige Anordnung von hellen Lichtpunkten mit dunklen Zwischenräumen oder als bunte Farbfleckigkeit abzeichnen, was so nicht akzeptabel ist. Denn hier kommt es nicht nur auf die Mischung und Lichtverteilung in die Ferne an, sondern zusätzlich auch auf das Erscheinungsbild direkt auf der Lichtaustrittsfläche der Signalleuchte, in weiterer Folge als Signalscheibe bezeichnet.
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Ein weiteres Problem entsteht dabei beim Lichtleiterstab-Austritt, wenn das Licht vom Lot gebrochen und entsprechend weit aufgefächert wird, sodass es nur mehr mangelhaft von der Sammellinse erfasst werden kann.
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Ein drittes Problem stellt der Wunsch nach einer glatten Außenseite einer Signalleuchte dar, um das Reinigen zu erleichtern und das Anhaften vom Schmutz und Schnee zu minimieren. Damit können keine beliebigen Streustrukturen auf der Außenseite der Sammellinse vorgesehen werden, sie müssen im Wesentlichen innen liegen, oder durch eine zusätzliche vorgelagerte Streuscheibe erzeugt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist daher, das Funktionsprinzip der
WO2012/068603A1 (Swarco) so für eine Signalleuchte zu modifizieren, zu präzisieren und zu ergänzen, dass deren Signalscheibe als Ganzes einen kontinuierlichen Helligkeitsverlauf aufweist, die Lichtstrahlenbündel-Auffächerung nach dem Lichtleiterstab verringert und eine alternative Gestaltungsweise einer vorgabemäßigen Lichtverteilung bei glatter Außenseite möglich ist.
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Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass unmittelbar vor der aus mehreren Power-LEDs in kompakter Anordnung bestehenden LED-Lichtquelle ein Lichtleiterstab mit ebener, knapp bemessener, rechteckiger, dreieckiger oder hexagonaler Licht-Eintrittsfläche und ebensolchem Querschnitt angeordnet ist, der sich allmählich konisch erweitert und mit einer Licht-Austrittsfläche abschließt, welche sich im Fokus der davor angeordneten Sammellinse befindet und eine Streustruktur aufweist, und die Sammellinse vorzugsweise auf ihrer Innenseite eine Streustruktur überlagert hat, welche dem Licht schon vor der Bündelung seine anschließende Verteilung aufprägt.
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Die bauliche Trennung von Lichtleiterstab und Sammellinse wird also dazu genützt, beiden nun real verfügbaren Oberflächen Lichtaustrittsfläche und Innenseite der Sammellinse, Streustrukturen mit unterschiedlichen Aufgaben zu überlagern. Hierbei wirkt der Lichtleiterstab durch seine sich erweiternde Konizität lichtbündelnd, sodass die daraus austretenden Lichtstrahlen trotz der zusätzlichen Streustruktur bereits eine reduzierte Divergenz aufweisen und gut von der Sammellinse erfasst werden können.
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Die Streustruktur hängt vor allem von der Anordnung der Power-LEDs und der Eintrittsfläche des Lichtleiterstabes ab. Da sie verlustbehaftet ist, soll sie so gering streuen wie nur möglich, unter Erfüllung einer kontinuierlichen Ausleuchtung der Signalscheibe.
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Die Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigt bzw zeigen
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die 1 eine Seitenansicht der Erfindung,
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die 2 eine virtuelle Draufsicht auf die Spiegelbilder aller Eintrittsflächen und Power-LEDs,
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die 3 eine Seitenansicht mit dem Verlauf von Zentrumsstrahlen,
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die 4 und 4a eine virtuelle Draufsicht auf alle Spiegelbilder einer einzigen Power-LED mit Streubereichen,
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die 5 eine virtuelle Draufsicht auf die Eintrittsfläche einer Mehrfarben- und Monocolor-Signalleuchte mit Streubereichen,
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die 6 eine optische Überwachung der Lichtquelle in Drauf- und Seitenansicht,
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die 7 einen Vertikalschnitt durch ein optisches System mit Fresnel-Sammellinse und glatter Außenseite,
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die 8 einen Vertikalschnitt durch ein optisches System mit Fresnel-Sammellinse und glatter Innenseite und vorgelagerter Optik, und
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die 9 den Vertikalschnitt durch eine modifizierte Gestaltung einer erfindungsgemäßen Signalleuchte.
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Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße Optik im Querschnitt. Die Lichtquellenplatine 1 trägt mehrere Power-LEDs gleicher oder unterschiedlicher Farbe R, G, hier dargestellt in sogenannter Chip-LED-Bauweise, wobei der LED-Chip auf einem sehr gut wärmeleitenden Träger aus Keramik sitzt, nur geringfügig größer als der LED-Chip und geschützt durch einen ebenen Verguss. Solche sogenannten Chip-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 LED-Chips, die zu ihrem Schutz ebenfalls eben vergossen sind. Diese COB-Bauweise als in der Wirkung identische Lichtquellenbauform ist vor allem bei großen Stückzahlen kostengünstiger.
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Die beiden Anschlusspole jeder Power-LED R, G sind über Leiterbahnen auf der Lichtquellenplatine 1 einzeln herausgeführt, um beliebige Verschaltungen, insbesonders hinsichtlich elektrischer Parameter-Überwachung und Sicherheitsanforderungen zu ermöglichen. Diese Verschaltungen mitsamt der kompletten Versorgungselektronik können ebenfalls ganz oder teilweise auf der Lichtquellenplatine 1 angeordnet sein.
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Der ebene Verguss erlaubt, dass ein Lichtleiterstab 2 mit seiner ebenen Eintrittsfläche 3 unmittelbar vor die Power-LEDs R, G gesetzt wird, wobei sie nur geringfügig größer ist als der Umriss der Power-LED-Anordnung, und trotzdem der größte Teil des erzeugten Lichts eingefangen wird. Schon wegen der rechteckigen Power-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.
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Die Mantelfläche des Lichtleiterstabes 2 besteht erfindungsgemäß aus ebenen, hochglanzpolierten Flächen zur Totalreflexion des Lichts und erweitert sich konisch hin zu einer Austrittsfläche 4, auf welcher eine Streustruktur S mit bestimmten Eigenschaften aufgebracht ist, welche anschließend erläutert wird. Die konische Erweiterung führt in bekannter Weise zu einer Bündelung der von der Power-LED R abgestrahlten Lichtstrahlen r innerhalb des Lichtleiterstabes 2. Beim Lichtaustritt 4 wird das Licht nicht nur vom Lot gebrochen, sondern zusätzlich durch die Streustruktur S ein wenig aufgeweitet. Geometrie und Streustruktur S des Lichtleiterstabes 2 sind dahingehend bemessen, dass zumindest der größte Teil des Lichtbündels L von der vorgelagerten Sammellinse 5 erfasst und gerichtet werden kann. Hierbei bewirkt bereits eine Verdoppelung der Seitenmaße des Lichtleiterstabes 2 ein akzeptables Bündelungsergebnis. Je nach Anforderungen kann aber auch ein höheres Größenverhältnis vorgesehen werden.
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Die Länge des Lichtleiterstabes 2 im Verhältnis zu seiner größten Eintrittsflächen-Diagonale bestimmt die maximale Zahl der Reflexionen der Lichtstrahlen in seinem Inneren, damit die Zahl der Spiegelbilder und somit die Mischungsqualität. Mit einer fünf- bis zehnmal so großen Länge können bereits akzeptable Ergebnisse erhalten werden.
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Die vorgelagerte Sammellinse 5 hat einen definierten Brennpunkt F, welcher erfindungsgemäß möglichst genau in der Austrittsfläche 4 liegt. Hierbei ergibt sich ein scharfes Abbild der hier rechteckigen Austrittsfläche 4 ins Unendliche, dessen Divergenz D sich nach optischen Gestaltungsgesetzen durch die Größe der Austrittsfläche 4 und dem allgemein als Brennweite bezeichneten Abstand vom Fokus F zum sogenannten Hauptpunkt H, der neutralen Mitte der Sammellinse 5, ergibt. In vielen Anwendungen wird damit bereits die gewünschte Lichtverteilung erfüllt. Insbesonders haben bisher Bahnsignale für gerade Streckenabschnitte eine solche Lichtverteilung, wobei der liegend angeordnete Glühfaden der Lampe durch die Optik ins Unendliche projiziert wird und bisher ebenfalls eine Lichtverteilung mit höchster Bündelung in der Form eines liegenden Rechtecks erzeugt.
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Ist bei Bahnsignalen etwa für Kurvenlagen eine wesentlich breitere Lichtverteilung gewünscht, so kann diese durch eine auf der Innenseite der Sammellinse aufgebrachte Verteilungsstruktur V, etwa in Form der bekannten Zylinderlinsen-Riffelung in vertikaler Erstreckung überlagert werden. Auch wesentlich kompliziertere Strukturen sind dort möglich, wobei diese aber für relativ engbündelnde Verteilungen flach bleiben und die nachfolgende Bündelung des Lichts kaum beeinflussen.
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Die genaue Geometrie der Power-LED-Anordnung, des Lichtleiterstabes
2, der Streustruktur S, der Verteilungsstruktur V und die lichtmischende Funktionsweise sind vor allem durch lichttechnische Simulationen zueinander und mit den lichttechnischen Anforderungen und technischen und elektrischen Randbedingungen der Herstellung abzustimmen und zu optimieren, da es vor allem über den Brechungsindex des Lichtleiter-Materials, die Strukturgeometrien und Details der Lichtquelle zu nichtlinearen Einflüssen und Verzerrungen kommt. Die
2 zeigt in Analogie zur bestehenden Anmeldung
WO2012/068603A1 (Swarco) das Erscheinungsbild der Power-LED-Chips bei einem Blick in einen Lichtleiterstab
2 mit rechteckigem Querschnitt hinein. Hier sind je zwei LED-Chips in drei unterschiedlichen Farben, R, G, B dargestellt, welche sich unmittelbar hinter der rechteckigen Lichteintrittsfläche
3 befinden. Die polierten Seitenflächen des Lichtleiterstabes
2 führen zur Ausbildung von dicht aneinander grenzenden Spiegelbildern
3a,
3b,
3c ... der Eintrittsfläche
3 und der LED-Chips R, G, B. Die Summe aller von der Sammellinse
5 erfassten LED-Chips und deren Spiegelbilder, dargestellt durch einen Erfassungskreis E, ergibt hierbei die vorhandene Gesamtlichtmenge für jede Farbe des Signals.
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In 3 werden nur die Spiegelbilder des einzelnen LED-Chips R aus 2 im Querschnitt lichttechnisch betrachtet. Man sieht die gekrümmte Anordnung der Spiegelbilder Ra, Rb, Rc .., verursacht durch die schwache Konizität des Lichtleiterstabes 2. Zur Erläuterung werden hier nur die Zentrumslichtstrahlen r, ra, rb, rc ... des LED-Chips R und seiner Spiegelbilder Ra, Rb, Rc ... durch das Zentrum F der Austrittsfläche 4 behandelt. Die von jedem Spiegelbild ausgehenden Lichtstrahlen sind strichliert dargestellt, da sie eigentlich vom einzig vorhandenen LED-Chip R ausgehen und nach mehreren verlustfreien Reflexionen an den Lichtleiterstab-Wänden die durchgehend gezeichneten Lichtstrahlen ergeben.
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Die Zentrumslichtstrahlen r, ra, rb, rc ... werden nach dem Austritt vom Lot gebrochen, erweitern hierdurch ihren Erstreckungswinkel Lr, treffen auf die Sammellinse 5 und werden achsparallel gebündelt. Ist keine Streustruktur S vorhanden, erkennt man die aus den Spiegelbildern herrührenden unregelmäßigen Abstände dieser Zentrumsstrahlen zueinander. Selbst wenn man alle vom LED-Chip R und von der Austrittsfläche ausgehenden Lichtstrahlen berücksichtigt, bleibt diese Unregelmäßigkeit erhalten, sie wird nur verwaschen, es bilden sich hellere Lichtflecken mit dunklen Zwischenräumen aus und die Signalscheibe erscheint für den Betrachter sehr fleckig. Diese sogenannte Leuchtdichteverteilung ist im ersten Diagramm D1 rechts von der Sammellinse 5 dargestellt und betrifft nur einen einzigen leuchtenden LED-Chip. Ihr Verlauf ist von Abstand und Größe der LED-Chips und deren Anordnung zueinander, der Größe der Eintrittsfläche und der Konizität des Lichtleiterstabes 2 und Abstand und Größe der Sammellinse 5 abhängig.
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Leuchten mehrere LED-Chips, womöglich in unterschiedlichen Farben gleichzeitig, ergibt sich ein bunt geflecktes Erscheinungsbild der Signalscheibe. Hierbei ist die prinzipielle Anordnung der Lichtflecken ein auf dem Kopf stehendes Abbild der LED-Chips R, G, B und deren Spiegelbilder gemäß 2.
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Durch eine geeignete Verteilungsstruktur V auf der Innenseite der Signalscheibe kann die hoch gebündelte Lichtverteilung in bekannter Weise verbreitert werden, bei glatter und reinigungsfreundlicher Außenseite. Sie kann allerdings die Erscheinung der Lichtflecken nicht verbessern.
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Die bisher nicht berücksichtigte Streustruktur S auf der Austrittsfläche soll nun eine Vergleichmäßigung des Leuchtdichteverlaufs gemäß des zweiten, äußersten Diagrammes D2 herbeiführen, um bei einfarbig leuchtenden Signalen die Hell-Dunkel-Unterschiede auszugleichen, wie auch bei Farbmischung die Buntfleckigkeit zu beseitigen. Hierzu wird im Folgenden der Zusammenhang zwischen den Lichtflecken und der Anordnung der LED-Chips und deren Spiegelbildern als Erläuterung benutzt.
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4 zeigt den Einblick in den Lichtleiterstab 2 mit nur einem aktiven LED-Chip R, sowie die Spiegelbilder 3a, 3b, 3c ... der Eintrittsfläche 3 und des LED-Chips Ra, Rb, Rc ... 4a stellt dabei eine Detailansicht des Zentrums dar. Man sieht, dass es insgesamt vier verschiedene Erscheinungsbilder gibt. Jedes zweite Spiegelbild in jeder Richtung ist identisch zum Ausgangsbild. Das gilt für alle LED-Chips, unabhängig von ihrer Position in der Lichtquelle. Will man nun durch Streuung eine für alle LED-Chips gleichmäßige Leuchtdichteverteilung erzielen, so muss diese in jeder Richtung genau über zwei Spiegelbilder weit reichen. So ist das Licht an der Austrittsfläche 4 jeweils von einem Lichtfleck bis zum übernächsten Lichtfleck desselben LED-Chips R zu streuen, bzw. in jede Richtung um genau den halben Wert, also den mittleren Abstand zwischen benachbarten Lichtflecken.
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In der Abbildung der Spiegelbilder stellt sich der Streubereich damit dar als ein Rechteck SR um den LED-Chip R als Mittelpunkt und Seitenlängen mit den doppelten Maßen der Eintrittsfläche 3. Man erkennt in 4 das lückenlose Aneinandergrenzen der einzelnen Streubereiche SR.
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Da es jedoch vier verschiedene Erscheinungsformen der Spiegelbilder gibt, mit gleichen Streuwerten, kommt es tatsächlich zu einer vierfachen Überdeckung der Signalfläche mit gestreutem Licht bereits durch einen einzigen LED-Chip, oder anders ausgedrückt, wird jeder Punkt der Signalscheibe von vier Spiegelbildern jedes LED-Chips beleuchtet. 4a zeigt die vier unterschiedlichen Spiegelbilder mit den 4 rechteckigen, einander überlagernden Streubereichen SR, SRa, SRb und SRc, wobei sich die gleichartigen Streubereiche jeweils lückenlos über die Signalscheibe aneinander reihen. Die vierfache Überlagerung sorgt außerdem für einen besonders gleichmäßigen Leuchtdichteverlauf bereits für einen einzelnen leuchtenden LED-Chip R.
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Es ist daher einsichtig, dass diese Ausführungen auch für jeden anderen LED-Chip hinter der Eintrittsfläche 3 des Lichtleiterstabes 2 gelten, somit auch für beliebige Kombination von leuchtenden LED-Chips R, G, B in beliebigen Farben.
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Diese Streuwerte sind unumgänglich, um für alle LED-Chips einzeln, in jeder Konfiguration und in ihrer Gesamtheit eine gleichförmige und gleichfarbige Beleuchtung der Signalfläche zu erhalten.
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Da jeder LED-Chip die gesamte Signalscheibe gleichförmig erhellt, ändert sich im Fall eines Defektes nichts am Erscheinungsbild. Die reduzierte Helligkeit kann einfach durch höheren Stromfluss der noch intakten gleichfarbigen LED-Chips ausgeglichen werden.
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Allerdings gibt es eine Möglichkeit, die notwendige Streuwirkung zu reduzieren, insbesonders bei stark rechteckigen Lichtquellen mit einer höheren Anzahl von LED-Chips und nur wenigen Farben, wodurch die unvermeidlichen Streuverluste der Streustruktur S reduziert werden können. Sind die LED-Chips unter der Eintrittsfläche 3 symmetrisch angeordnet, so kann die eine Hälfte der Eintrittsfläche 3 bereits als ihr eigenes Spiegelbild der anderen Hälfte betrachtet und die notwendige Streuwirkung bezüglich dieser Symmetrie-Achse halbiert werden. Voraussetzung dabei ist, dass die symmetrisch angeordneten LED-Chips jeder Farbe auch gleichzeitig und gleich hell in Betrieb sind, um tatsächlich ein Spiegelbild vortäuschen zu können. Da hierdurch aber kein vollständiger Helligkeitsausgleich erfolgt, ergeben sich nach Ausfall eines LED-Chips dunklere Flecken auf der Signalscheibe, deren Auffälligkeit jedoch mit zunehmender Zahl gleichzeitig in Betrieb befindlicher Power-LEDs abnimmt.
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5 zeigt links so eine Lichtquelle mit 12 LED-Chips in drei Farben, rechts in nur einer Farbe. Links besteht Symmetrie bezüglich der Symmetrieachse M, für alle drei Farben. Wenn normaler Weise immer alle vier Power-LEDs einer Farbe eingeschaltet sind, so kann die Streuwirkung in horizontaler Richtung halbiert werden, das Streu-Rechteck SR ist dann nur mehr so breit wie die Eintrittsfläche 3. Die Höhe bleibt unverändert die doppelte Höhe der Eintrittsfläche 3.
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Durch diese Anordnung und Betriebsweise, welche etwa für ein Bahnsignal keinerlei Einschränkung bedeutet, kann somit die Streuung halbiert und der Energieverlust gering gehalten werden. Allerdings kommt es dann bei einem sehr seltenen Ausfall eines LED-Chips und somit nur im Fehlerfall zu geringen Unregelmäßigkeiten im Erscheinungsbild, welche durch die überlappend gestreuten Spiegelbilder abgeschwächt werden und so vorübergehend bis zum Austausch der Lichtquelle tolerierbar sind. Bei vier oder mehr LED-Chips pro Farbe ist bei Ausfall eines LED-Chips und deren günstiger Anordnung auch eine visuelle Beeinträchtigung nicht mehr gegeben.
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Rechts ergibt sich ein durchlaufender Raster an gespiegelten, gleichartigen LED-Chips B. Es kann damit angenommen werden, dass diese Anordnung nur Spiegelbilder eines einzigen LED-Chips B unter einer entsprechend kleinen Eintrittsfläche 3b sind. Dann genügt eine minimale Streuung um nur einen LED-Chip-Abstand in allen Richtungen, wie das kleine Streu-Quadrat SB zeigt, sofern immer alle LED-Chips B gleichzeitig eingeschaltet und gleich hell sind. Diese Minimalstreuung ist etwa für einfarbige Signalleuchten durchaus ausreichend.
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Die zweireihige Anordnung der Power-LEDs wie in 5 dargestellt, erlaubt außerdem platzmäßig den zweipoligen Anschluss jeder LED durch zwei nach außen führende Leiterbahnen und damit beliebige elektrische Verschaltung und Überwachung. Diese Anordnung harmoniert auch mit üblichen Lichtverteilungsvorschriften von Bahnsignalen besonders gut.
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Die Ausführungen zur Streustruktur gelten analog auch für hexagonale und dreieckige Lichtleiterquerschnitte, wobei ebenso die Streuwirkung nach dem Abstand der übernächsten Spiegelbilder bzw. Lichtflecken eines LED-Chips in der betreffenden Richtung ermittelt wird. Die Streustruktur kann hierbei analog einen Hexagonal- oder Dreiecksraster aufweisen.
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Die Eintrittsfläche 3 weist einen toleranzbedingten Sicherheitsabstand zu den Power-LEDs auf, deren Oberflächen nicht berührt werden dürfen, wodurch Lichtstrahlen, welche die Eintrittsfläche 3 verfehlen, seitlich austreten. 6 zeigt, dass diese nicht nutzbaren Randlichtstrahlen mittels über der Lichtquellenplatine 1 liegender lichtleitender Elemente aufgenommen, gebündelt und auf einen Sensor gelenkt werden. Die Anordnung der LED-Chips R, G, B erfolgt hier in zwei Reihen, die LED-Chips in jeder vorhandenen Farbe sind gleichmäßig auf beide Reihen aufgeteilt. Das Randlicht einer Reihe der Anordnung wird mittels des lichtleitenden Elementes 2a auf einen Sensor 6a, das Randlicht der anderen Reihe mittels eines baugleichen lichtleitenden Elementes 2b auf einen anderen Sensor 6b geleitet, sodass die Sensoren einen etwa gleich großen Messwert ausgeben. Fällt ein LED-Chip R, G, B aus, so reduziert sich der Messwert des Sensors der betroffenen Seite. Es wird eine Warnung generiert und der Stromfluss durch die verbliebenen Power-LEDs angehoben, sodass der Summenmesswert der beiden Sensoren wieder gleich groß ist wie vor dem Ausfall, die Einzelmesswerte bleiben dabei unterschiedlich hoch. Die Ausführung mit zwei Sensoren ist auch sicherheitstechnisch zumeist notwendig.
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Selbstverständlich kann auch jeder LED-Chip einen eigenen Lichtsensor aufweisen. Jedoch führen Betrieb, Auswertung und Überwachung dieser viel höheren Anzahl von Bauteilen nicht unbedingt zu zuverlässigeren, betriebssicheren Produkten.
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7 zeigt ein Bahnsignal mit einer Sammellinse 5 in Gestalt einer Fresnellinse und mit glatter Außenkuppe 6. Die Fresnelringe 5a sind daher auf der Innenseite vorhanden. Eine Verteilungsstruktur V muss hier auf den Fresnelringen 5a selbst aufgebracht werden. Dafür sind verschiedene Verfahren bekannt. Im Fall einer Kunststoff-Spritzform können etwa die formgebenden metallischen Ringe so axial gestaffelt angeordnet werden, dass sich eine durchgehende krumme Fläche ergibt, über welche dann leicht eine Verteilungsstruktur mechanisch eingearbeitet werden kann. Aber auch Lasergravieren oder Mikrostrukturieren sind mögliche Verfahren.
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8 zeigt die Optik eines RGB-Vollfarb-Scheinwerfers im Schnitt. Die Sammellinse 5 ist hier als Fresnellinse mit glatter Innenseite und außenliegenden Fresnelringen 5a ausgeführt, da keine glatte Außenkontur nötig ist. Hier ist eine Verteilungsstruktur V besonders einfach innen aufzubringen. Soll dieser Scheinwerfer etwa zum Einsatz bei einer Bühne ein variables Lichtbündel aufweisen, so ist eine geeignete verstellbare Optik O und meistens ein nicht dargestelltes Blendensystem voranzusetzen, das hochbündelnde optische Basis-System muss dabei unverändert bleiben.
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9 zeigt eine weitreichende Modifikation des Basis-Systems in Vertikalschnitt und Frontalansicht. Diese Signalleuchte arbeitet mit einer nach unten geneigten Leuchtscheibe, um Sonnenreflexe darauf zu verhindern. Die Darstellung zeigt die Sammellinse 5 in Form einer Fresnellinse wie zuvor, jedoch ist nur der untere Teilbereich der Sammellinse 5 wirksam und von Licht bestrahlt. Die nicht genutzten Bereiche sind entfernt und der Lichtleiterstab 2 samt Lichtquellenplatine 1 zum wirksamen Bereich der Sammellinse 5 hin verkippt und ausgerichtet. Das Lichtstrahlenbündel L wird hier auch mittels eines Planspiegels X umgelenkt, sodass der Lichtleiterstab 2 nun im Wesentlichen senkrecht steht und die Lichtquellenplatine 1 liegend angeordnet ist, wobei die elektronische Ansteuerung Y auf derselben Platine gut untergebracht werden kann. Hierdurch kann die Signalleuchte kürzer und raumsparend ausgeführt werden. Die Frontansicht zeigt die um die Achse der Sammellinse 5 konzentrischen Fresnelringe 5a.
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Wegen der Vielzahl an gestalterischen Möglichkeiten ist eine lichttechnische Simulation des Erscheinungsbildes und der Lichtverteilung auch für den Fall eines beliebigen Power-LED-Ausfalles unumgänglich.
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Selbstverständlich ist die Lichtquellenplatine 1 gut gekühlt, um die Verlustwärme der Power-LEDs abführen zu können, insbesonders durch direkte und vollflächige Anlage an Gehäusewänden, Kühlkörpern, Schildern oder anderen Bauteilen, bevorzugt aus Aluminium.
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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 %.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2012/068603 A1 [0001, 0009, 0017, 0038]
