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Die
Erfindung betrifft ein Straßenbeleuchtungssystem
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Auf
dem Gebiet von Leuchten ist eine Steuerung reflektierter Energie
auf verschiedene Weise ausgeführt
worden, wobei verschiedene Arten von Lichtquellen in Kombination
mit verschiedenen Formen von (parabolischen) reflektierenden Oberflächen eingesetzt
wurden. Beim Design von Autos besteht eine Tendenz, dem Fahrzeug
eine Stromlinienform zu geben, um die Anforderungen hinsichtlich
einer hohen Geschwindigkeit in Kombination mit effizientem Benzinverbrauch
zu erfüllen.
Diese Tendenz führt
dazu, dass die Frontflächen
von Automobilen sich zur horizontalen Ebene hin neigen, was erforderlich
macht, die Form und die Höhe
von Scheinwerfern entsprechend anzupassen. Eine andere Tendenz ist, dass
kleine Halogenmetalldampflampen als Lichtquellen für solche
Scheinwerfer die Aufmerksamkeit auf sich gezogen haben.
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Für die Anwendung
von Lampen in Fahrzeugscheinwerfern sind Anforderungen an die Abblendlichtbündelmuster
für Automobile
festgelegt (z.B. dem Fachkundigen bekannt als E/ECE/324 und E/ECE/TRANS505).
Diese rechtlichen Anforderungen schreiben unter anderem die Erzeugung
einer relativ scharfen sogenannten Grenze ("cut-off") zwischen dem beleuchteten
Gebiet und dem Blendgebiet des von dem Fahrzeugscheinwerfer ausgesendeten
Lichtbündels
vor, gemessen in einem gewissen Abstand zum Fahrzeug. Faktisch schreiben
die Anforderungen Punkte/Regionen gerade oberhalb und unterhalb
dieser Grenze vor. Für
eine wirksame Verringerung von Blendung müssen die Lichtquelle und der
Reflektor kombiniert konfiguriert werden.
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Beleuchtungssysteme
der eingangs erwähnten
Art sind in der Technik bekannt. Ein Fahrzeugscheinwerfer mit einem
derartigen Beleuchtungssystem ist aus dem US-Patent 5 361 193 bekannt.
Der bekannte Fahrzeugscheinwerfer umfasst als Lichtquelle eine Entladungslampe,
die einen entlang einer optischen Achse liegenden Bogen erzeugt
und eine reflektierende Oberfläche
umfasst, die drei um die optische Achse herum angeordnete reflektierende Sektoren
umfasst. Die reflektierenden Sektoren bestehen aus zwei Rotationsparaboloidsektoren
und einem zusätzlichen
speziell geformten Sektor, der als Schar von Schnittlinien gebildet
ist, die durch Schneiden eines imaginären Rotationsparaboloids erhalten worden
sind.
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Ein
Nachteil des bekannten Beleuchtungssystems ist, dass die Grenze
zwischen dem beleuchteten Gebiet und dem Blendgebiet des Lichtbündels nicht
so scharf wie gewünscht
ist.
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US-A-55801
zeigt ein Straßenbeleuchtungssystem
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Der
Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, den obigen Nachteil vollständig oder
teilweise zu beseitigen. Zur Lösung
dieser Aufgabe ist ein Beleuchtungssystem der eingangs erwähnten Art
durch den kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 gekennzeichnet.
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Bei
Anwendung einer Lichtquelle, die Licht unter einem Winkel von höchstens
180° aussendet, wird
Licht aus der Lichtquelle nur in Vorwärtsrichtung ausgesendet. Um
zu visualisieren, in welcher Weise Licht von der Lichtquelle ausgesendet
wird, wird eine imaginäre
Ebene senkrecht zu der zentralen optischen Achse des Beleuchtungssystems
projiziert. Diese imaginäre
Ebene schneidet die zentrale optische Achse am Ort des Brennpunktes
eines durch die parabolisch geformten Reflektorsegmente gebildeten
imaginären
Reflektors in einer Situation, in der die optischen Achsen der Reflektorsegmente
mit der zentralen optischen Achse zusammenfallen würden. In
der beschriebenen Situation liegt das Austrittsfenster der Lichtquelle
in der imaginären
Ebene und wird Licht aus dem Austrittsfenster nur an einer Seite der
imaginären
Ebene ausgesendet. An der Rückseite
der imaginären
Ebene wird von der Lichtquelle kein Licht ausgesendet. Gemäß der Erfindung
wird von der Lichtquelle kommendes Licht nur in Vorwärtsrichtung
ausgesendet und an den parabolisch geformten Reflektorsegmenten,
die so positioniert sind, dass die optische Segmentachse im Wesentlichen
einen Rand der Lichtquelle schneidet, reflektiert. Kein Licht wird
in die Rückwärtsrichtung
gelenkt und an den zentraler liegenden Teilen der parabolisch geformten
Reflektorsegmente reflektiert. Die Erfinder hatten die Erkenntnis
gewonnen, dass durch Anwendung einer Lichtquelle, die Licht in der
Hälfte einer
Halbkugel aussendet, nur in Kombination mit der Positionierung jedes
Reflektorsegments in der Weise, dass die optische Segmentachse im
Wesentlichen einen Rand der Lichtquelle schneidet, eine scharfe
Grenze zwischen dem beleuchteten Gebiet und dem Blendgebiet des
von dem Beleuchtungssystem ausgesendeten Lichtbündels erhalten wird.
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In
der Beschreibung und den Ansprüchen dieser
Erfindung enthält
die Formulierung "parabolisch
geformte" Reflektorsegmente
auch facettenartige Reflektorsegmente.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle im Wesentlichen
unter einer horizontalen Ebene positioniert ist, die die zentrale
optische Achse enthält.
Von einer Lichtquelle gemäß dieser
Ausführungsform
der Erfindung ausgesendetes Licht kann nach Reflexion an einem Reflektorsegment
zu einem Lichtbündel
parallel zu der zentralen optischen Achse führen (dies ist der Fall für einen
Abschnitt der Lichtquelle, der mit der zentralen Achse zusammenfällt) oder
zu einem Lichtbündel,
das schließlich
die horizontale Ebene schneidet (Licht wird nach unten auf eine
Oberfläche der
Straße
gerichtet), aber es kann nicht zu Licht in dem Blendgebiet oberhalb
der Grenze führen.
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Eine
andere bevorzugte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems
ist dadurch gekennzeichnet, dass 1 Rand der Lichtquelle nahezu mit
der zentralen optischen Achse zusammenfällt. In dieser Ausführungsform
ist die Lichtquelle unter einer horizontalen Ebene positioniert,
die die zentrale optische Achse enthält, während 1 Rand der Lichtquelle
in der horizontalen Ebene liegt. Von einer Lichtquelle gemäß dieser
Ausführungsform
der Erfindung ausgesendetes Licht kann nach Reflexion an einem Reflektorsegment
zu einem Lichtbündel
parallel zu der zentralen optischen Achse führen oder zu einem Lichtbündel, das
schließlich
die horizontale Ebene schneidet (Licht wird nach unten gerichtet), aber
nicht zu Licht in dem Blendgebiet oberhalb der Grenze.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems
ist dadurch gekennzeichnet, dass einander gegenüber liegende Reflektorsegmente
so positioniert sind, dass die optischen Achsen der Reflektorsegmente
zusammenfallen.
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Eine
andere bevorzugte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl Reflektorsegmente durch
vierteilbar ist. Vorzugsweise ist die Anzahl Reflektorsegmente vier,
acht oder zwölf.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektorsegmente Licht entsprechend
innerer Totalreflexion reflektieren. Das Reflexionsvermögen eines
Reflektors, der entsprechend dem Prinzip der inneren Totalreflexion
(TIR) arbeitet, ist effizienter, weil bei Reflexion kein Licht verloren
geht, im Unterschied zu einem Reflektor, in dem Reflexion durch
Re flektieren an einer reflektierenden Metallschicht oder reflektierenden
metallartigen Schicht auf einem Substrat zustande kommt.
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Vorzugsweise
ist die Lichtquelle eine Leuchtdiode (LED) oder ein Austrittsfenster
einer optischen Faser oder eines Bündels von optischen Fasern.
Aus derartigen Lichtquellen stammendes Licht wird im Allgemeinen
unter einem Winkel von höchstens
180° ausgesendet,
die Intensitätsverteilung
kann beispielsweise um die zentrale Achse der reflektierenden Oberfläche dem
Lambertschen Gesetz folgen. LEDs und optische Fasern senden Licht
nur in der Hälfte
einer Halbkugel aus, während
die Lichtverteilung anderer Lichtquellen mit einer Wendel oder mit einem
Bogen im Allgemeinen torusförmig
ist.
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Mehrere
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden
näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 eine
Perspektivansicht eines Teils einer Verkehrsstraße, die mit einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems
versehen ist;
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2A einen
Querschnitt in der xz-Ebene einer Lichtquelle, die in einer parabolisch
geformten reflektierenden Oberfläche
aufgestellt ist;
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2B einen
Querschnitt in der yz-Ebene der Lichtquelle, die in der parabolisch
geformten reflektierenden Oberfläche
von 2A aufgestellt ist
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3A eine
Vorderansicht des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems,
wobei die reflektierende Oberfläche
zwei parabolisch geformte Reflektorsegmente umfasst;
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3B eine
Vorderansicht des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems,
wobei die reflektierende Oberfläche
zwei weitere parabolisch geformte Reflektorsegmente umfasst;
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3C eine
Vorderansicht des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems,
wobei die reflektierende Oberfläche
vier parabolisch geformte Reflektorsegmente umfasst; und
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4 eine
Vorderansicht einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems,
wobei die reflektierende Oberfläche acht
parabolisch geformte Reflektorsegmente umfasst.
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Die
Zeichnung ist rein schematisch und nicht maßstabsgetreu. Der Deutlichkeit
halber sind einige Abmessungen stark übertrieben. Wo möglich, haben in
der Zeichnung gleiche Teile gleiche Bezugszeichen.
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1 zeigt
schematisch eine Perspektivansicht eines Teils einer Verkehrsstraße, die
mit einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems
versehen ist. In dem Beispiel von 1 ist die
Straße
in zwei Fahrbahnen 1, 1' unterteilt, jede mit einem angrenzenden
(Gras-)Randstreifen 3, 3' und zum Horizont 2 hin
aufeinander zu laufend. Die Fahrtrichtung eines Fahrzeugs auf einer
der Fahrbahnen 1 ist durch einen großen Pfeil angegeben. Die Situation
in 1 bezieht sich auf ein Rechtsverkehrsystem; in
einem Linksverkehrsystem ist die Situation gleichartig, aber gespiegelt.
Das Beleuchtungssystem ist auf Pfählen 5, 5', ... an den
Seiten der Verkehrsstraße
vorgesehen, in dem Beispiel auf den an die Fahrbahnen 1, 1' angrenzenden Randstreifen 3, 3'. Die Pfähle 5, 5', ... sind nur
in einem der Randstreifen 3 dargestellt. Bei einer alternativen
Ausführungsform
des Beleuchtungssystems sind Pfähle
zum Beleuchten der Gegenfahrbahn vorgesehen. Bei einer weiteren
alternativen Ausführungsform
ist das Beleuchtungssystem auf einer Leitplanke angebracht.
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Die
Pfähle 5, 5', ... haben
eine nicht allzu große
Höhe (typischerweise
gleiche Höhe
mit den Scheinwerfern eines Fahrzeugs). Im Betrieb wird vom Beleuchtungssystem
in Fahrtrichtung Licht ausgesendet. Im Allgemeinen richten die Pfähle 5, 5', ... das Licht
in die gleiche Richtung wie die Scheinwerfer des Fahrzeuges (die
Richtung des Lichtes ist in Form kleiner Pfeile angegeben, die aus
jedem der Pfähle 5, 5', ... austreten).
Ein Ziel des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems
ist, die Sichtbarkeit von kleinen Objekten auf der Straße zu erhöhen. Das Beleuchtungssystem
ist so konfiguriert, dass das Projizieren von Licht auf die Gegenfahrbahn
weitgehend verhindert wird, weil dies den Kontrast, mit dem kleine
Objekte auf dieser Fahrbahn sichtbar sind, herabsetzt. Im Prinzip
ist es nicht zulässig,
dass vom Beleuchtungssystem stammendes Licht das Auge des Fahrers
auf der Gegenfahrbahn erreicht. Dies erfordert ein Lichtbündel mit
einer scharfen Grenze nahe der Mittellinie der Fahrbahnen 1, 1' und, um unnötigen Lichtverlust
oder Lichtverschmutzung zu vermeiden, auch eine scharfe Grenze nahe
dem Horizont 2.
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2A zeigt
einen Querschnitt in der xz-Ebene einer Lichtquelle, die in einer
parabolisch geformten reflektierenden Oberfläche 11 aufgestellt ist. 2B zeigt
einen Querschnitt in der entsprechenden yz-Ebene. Die xy-Ebene bildet
die horizontale Ebene; die z-Richtung ist die vertikale Richtung; die
x-Richtung bildet die zentrale optische Achse 18 des Beleuchtungssystems,
die mit der Richtung, in der das Licht vom Beleuchtungssystem ausgesendet wird,
zusammenfällt.
In Bezug auf die yz-Ebene ist die Lichtquelle 13 im Brennpunkt
(oder Fokus) F der reflektierenden Oberfläche 11 positioniert.
In der Situation von 2A und 2B berührt ein
oberer Rand der Lichtquelle 13 die horizontale xy-Ebene,
die die zentrale optische Achse 18 enthält. Aus der Lichtquelle tretende
und an der reflektierenden Oberfläche reflektierte Lichtstrahlen
sind in 2A mit Pfeilen angegeben. In
der bevorzugten Situation kann von der Lichtquelle 13 ausgesendetes
Licht nach Reflexion an der reflektierenden Oberfläche 11 zu
einem Lichtbündel
parallel zu der zentralen optischen Achse 18 führen oder
zu einem Lichtbündel,
das schließlich
die zentrale optische Achse 18 und/oder die horizontale
xy-Ebene schneidet. In einer solchen Situation kann von der Lichtquelle 13 ausgesendetes
und an der reflektierenden Oberfläche 11 reflektiertes Licht
nicht zu dem Blendgebiet oberhalb der Grenze beitragen.
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Die
reflektierende Oberfläche
bildet keine kontinuierlich parabolisch geformte Reflektoroberfläche, sondern
ist in eine Vielzahl von Reflektorsegmenten unterteilt. 3A zeigt
sehr schematisch eine Vorderansicht des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems,
wobei die reflektierende Oberfläche
zwei parabolisch geformte Reflektorsegmente 21N und 21S umfasst.
Der Deutlichkeit halber sind nur Teile der Reflektorsegmente dargestellt.
Das Reflektorsegment mit Bezugszeichen 21N ist vor der
positiven z-Achse platziert und soll auch als "nördliches" Reflektorsegment 21N bezeichnet
werden. Das Reflektorsegment mit Bezugszeichen 21S ist
vor der negativen y-Achse platziert und soll auch als "südliches" Reflektorsegment 21S bezeichnet
werden. Die nördlichen
und südlichen
parabolisch geformten Reflektorsegmente 21N, 21S sind
so positioniert worden, dass die optische Segmentachse den oberen
Rand der Lichtquelle 13 schneidet. Weil der genannte obere
Rand der Lichtquelle 13 auf der y-Achse liegt, fällt die
optische Segmentachse für
die nördlichen
und südlichen
Reflektorsegmente mit der zentralen optischen Achse der reflektierenden
Oberfläche
zusammen. Indem die nördlichen
und südlichen
Reflektorsegmente 21N, 2lS entlang dem oberen
Rand der Lichtquelle 13 platziert werden, wird die gewünschte scharfe
Grenze zwischen dem beleuchteten Gebiet und dem Blendgebiet des
Lichtbündels realisiert.
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3B zeigt
eine Vorderansicht des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems, wobei
die reflektierende Oberfläche
zwei weitere parabolisch geformte Reflektorsegmente 21E und 21W umfasst. Der
Deutlichkeit halber sind nur Teile der Reflektorsegmente dargestellt.
Das Reflektorsegment mit Bezugszeichen 21E ist vor der
positiven y-Achse
platziert und soll auch als "östliches" Reflektorsegment 21E bezeichnet
werden. Das Reflektorsegment mit Bezugszeichen 21W ist
vor der negativen y-Achse platziert und soll auch als "westliches" Reflektorsegment 21W bezeichnet
werden. Die östlichen
und westli chen parabolisch geformten Reflektorsegmente 21E, 21W sind
so positioniert worden, dass die optische Segmentachse den unteren
Rand der Lichtquelle 13 schneidet. Indem die östlichen
und westlichen Reflektorsegmente 21E, 21W entlang
dem unteren Rand der Lichtquelle 13 platziert werden, wird die
gewünschte
scharfe Grenze zwischen dem beleuchteten Gebiet und dem Blendgebiet
des Lichtbündels
realisiert.
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3C zeigt
eine Vorderansicht des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems, wobei
die reflektierende Oberfläche
vier parabolisch geformte Reflektorsegmente 21N, 21E, 21S und 21W umfasst. Der
Deutlichkeit halber sind nur Teile der Reflektorsegmente dargestellt.
In 3C sind die Situationen von 3A und 3B einander überlagert
worden. Die nördlichen
und südlichen
parabolisch geformten Reflektorsegmente 21N, 21S sind
so positioniert worden, dass die optische Segmentachse den oberen Rand
der Lichtquelle 13 schneidet. Die östlichen und westlichen parabolisch
geformten Reflektorsegmente 21E, 21W sind so positioniert
worden, dass die optische Segmentachse den unteren Rand der Lichtquelle 13 schneidet.
Indem die nördlichen
und südlichen
Reflektorsegmente 21N, 21S entlang dem oberen
Rand der Lichtquelle 13 und die östlichen und westlichen Reflektorsegmente 21E, 21W entlang dem
unteren Rand der Lichtquelle 13 platziert werden, wird
die gewünschte
scharfe Grenze zwischen dem beleuchteten Gebiet und dem Blendgebiet
des Lichtbündels
realisiert. In Bezug auf 3C ist
zu beachten, dass teilweise eine Überlappung zwischen den Reflektorsegmenten
vorliegt und dass es Löcher zwischen
Reflektorsegmenten gibt.
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4 zeigt
eine Vorderansicht einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems,
bei dem die reflektierende Oberfläche acht parabolisch geformte
Reflektorsegmente 31N, 31S, 31E, 31W, 31NE, 31SW, 31NW, 31SE umfasst.
Die Lichtquelle 13 und der Brennpunkt der reflektierenden
Oberfläche
(siehe 2A) sind auch angegeben. Der
Deutlichkeit halber sind nur Teile der Reflektorsegmente dargestellt.
Als allgemeine Daumenregel liegen die nördlichen und südlichen
Reflektorsegmente vorzugsweise in der Mitte des oberen Randes der
Lichtquelle 13; die östlichen
und westlichen Reflektorsegmente vorzugsweise in der Mitte des unteren
Randes der Lichtquelle 13. Die verbleibenden Reflektorsegmente
sind entlang der vertikalen Ränder
der Lichtquelle 13 positioniert, vorzugsweise in regelmäßigen Abständen. Mit
dem hier oben beschriebenen Anordnungsschema wird eine scharfe Grenze
zwischen dem beleuchteten Gebiet und dem Blendgebiet erhalten. Bei
Verwendung eines abgewandelten Positionierungsschemas wird eine Grenze
mit weniger Licht oberhalb der Grenze (in dem Blendge biet) auf Kosten
eines weniger steilen Übergangs
zwischen dem beleuchteten und dem nicht beleuchteten Teil erhalten.
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Vorzugsweise
reflektieren die Reflektorsegmente Licht entsprechend innerer Totalreflexion.
Das Reflexionsvermögen
eines Reflektors, der entsprechend dem Prinzip der inneren Totalreflexion
(TIR) arbeitet, ist sehr effizient, weil bei Reflexion kein Licht verloren
geht, im Unterschied zu einem Reflektor, in dem Reflexion durch
Reflektieren an einer reflektierenden Metallschicht oder reflektierenden
metallartigen Schicht auf einem Substrat zustande kommt.
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Eine
bevorzugte Lichtquelle des Beleuchtungssystems ist eine Leuchtdiode
(LED). Vorzugsweise emittiert die LED im Betrieb im Wesentlichen weißes Licht.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist
die Lichtquelle in dem Beleuchtungssystem ein Austrittsfenster einer
optischen Faser oder ein Bündel
aus optischen Fasern. Vorzugsweise werden die Faser oder die Fasern
von einer sogenannten Light-Engine gespeist.
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Der
Anwendungsbereich der Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Die Erfindung wohnt jedem neuartigen Merkmal und jeder Kombination
von Merkmalen inne. Irgendwelche Bezugszeichen schränken den
Rahmen der Ansprüche
nicht ein. Das Wort „umfassen" schließt das Vorhandensein
anderer Elemente oder Schritte als derjenigen, die in den Ansprüchen angegeben
sind, nicht aus. Verwendung des Wortes „ein" oder „eine" vor einem Element schließt das Vorhandensein
einer Vielzahl solcher Elemente nicht aus.