Die Erfindung betrifft eine Signalgeberoptik, insbesonders
für Verkehrssignalanlagen, bestehend aus einem vorzugsweise
zweiteiligen Linsensystem mit einem Kondensor und einer
Streulinse, sowie einer in einem festgelegten Abstand im
Bereich der optischen Achse des Systems angeordneten Lichtquelle,
bestehend aus einer Grundplatte mit Leuchtelementen.
Seitdem es gelungen ist, Leuchtdioden mit hoher Lichtbündelung
und Lichtstärke in einer Vielzahl von Farben herzustellen,
wurde versucht, in Verkehrs-Lichtsignalanlagen
(Ampeln) die Vorteile der Leuchtdioden gegenüber den üblicherweise
verwendeten Glühlampen, wie Abstrahlung eines
gerichteten Lichtbündels, wesentlich höhere Lebensdauer und
sehr günstiges Energieverhältnis bei farbigem Licht, sowie
durch Entfall des Reflektors geringeres Phantomlicht
(Vortäuschung eines eingeschalteten Signallichts durch einfallendes
Sonnenlicht) umzusetzen. Hierbei wird in die
Front der Signalkammer eine ebene Scheibe an Stelle der
Linse eingesetzt, welche zumeist als Leiterplatte ausgeführt
und mit einer integrierten Spannungsversorgung versehen
ist. Diese Platte ist mit einer ausreichenden Zahl einzelner
Leuchtdioden in der passenden Lichtfarbe, vorzugsweise
gleichmäßig über die gesamte Fläche verteilt,
bestückt. Sie wird zumeist von einer vorgesetzten, transparenten
Abdeckscheibe gegen Witterung geschützt, welche oft
auch optische Linsen zur Erzeugung einer gewünschten Lichtverteilung
enthält.
Es sind auch Ausführungen bekannt, wo Leuchtdioden direkt
dicht in eine vorteilhafterweise schwarze Trägerplatte eingesetzt
werden und deren Anschlüsse in eine passende,
dahinterliegende Leiterplatte eingelötet sind.
Ebenfalls bekannt sind Ausführungen, wobei die Fläche nicht
gleichmäßig bestückt ist, sondern bestimmte Symbole, wie
Pfeile oder Fußgehermännchen, durch entsprechend angeordnete
Leuchtdioden dargestellt werden.
Es sind aber auch Ausführungen bekannt, bei welchen an
Stelle der Leuchtdioden die Enden von Lichtleiterarmen
eines Lichtleiterbündels sitzen. Diese haben eine ähnliche
Lichtverteilung, daher sind prinzipiell gleiche Ausführungsformen
möglich. Solche Konstruktionen werden vor allem
wegen der Phantomlichtarmut und der Darstellung von Symbolen
ausgeführt. Die Ausführung in Lichtleitertechnologie
erlaubt auch die Positionierung der herkömmlichen Lampe
außerhalb der Signalkammer, an einer wartungstechnisch
günstigen Stelle.
Den eingangs angeführten Vorteilen stehen jedoch auch
einige Nachteile gegenüber, weshalb sich Signalgeber dieser
Bauart noch nicht durchgesetzt haben.
Einerseits ist eine erhebliche Anzahl von Leuchtdioden notwendig,
um vergleichbare Lichtstärken gegenüber Glühlampen
zu erzielen. Dadurch sind die Leuchtdioden-Optiken in der
Anschaffung wesentlich teurer, lediglich in Betrieb und
Wartung billiger als herkömmliche Optiken. Die Lichtleitertechnologie
ist in der Anschaffung ebenfalls teuer, die
Wartungskosten hängen vom Einbauort der Glühlampe ab.
Anderseits ist das Erscheinungsbild gewöhnungsbedürftig, da
die bekannte relativ gleichmäßig strahlende herkömmliche
Optik nun in dutzende oder hunderte einzelne, intensiv
strahlende Lichtpunkte aufgeteilt wird.
Weiters werden, um elektrisch günstige Anschlußbedingungen
zu erhalten, mehrere Leuchtdioden elektrisch in Serie
geschaltet. Solche Gruppen werden dann in genügender Anzahl
parallel betrieben. Das hat zur Folge, daß bei Ausfall
einer einzelnen Leuchtdiode gleich die ganze Gruppe ausfällt,
was das Erscheinungsbild besonders beeinträchtigt.
Es lohnt aber nicht, den ganzen Einsatz wegen einer einzelnen
ausgefallenen Leuchtdiode zu tauschen.
Ebenso kann es bei Lichtleitertechnologie zum Ausfall einzelner
Lichtpunkte durch Bruch des Lichtleiters kommen.
Weiters ist es technisch schwierig, die Leuchtdioden alle
gleichmäßig in ihrer Lichtabstrahlrichtung auszurichten. So
erscheinen bei seitlicher Betrachtung oft einige Leuchtdioden
stark, andere nur schwach leuchtend, was ebenfalls das
Erscheinungsbild beeinträchtigt. Auch bei Lichtleiterausführung
wirkt sich eine Fertigungstoleranz als ungleichmäßiger
Lichtabfall bei seitlicher Betrachtung aus.
Weiters ist mit einer technischen Weiterentwicklung zu
rechnen, wonach die Leuchtdioden immer lichtstärker werden.
So werden immer weniger davon benötigt, wobei dann die
Signalfläche aus immer weniger Lichtpunkten mit größerem
Abstand voneinander zusammengesetzt ist. Dieses unschöne
und unzweckmäßige Erscheinungsbild muß durch zusätzliche
optische Maßnahmen entschärft werden.
Ein weiterer Nachteil ist die üblicherweise kreissymmetrische
Lichtabstrahlung der Leuchtelemente, welche dazu
führt, daß ein großer Lichtanteil ungenutzt in irrelevante
Bereiche abgestrahlt wird.
Weiters haben handelsübliche Leuchtdioden eine vorgegebene
Abstrahlcharakteristik, die in der Regel mit der vorgeschriebenen
Lichtverteilung des Signalgebers nicht übereinstimmen.
Hierdurch müssen oft unverhältnismäßig mehr Stück
verwendet werden, nur um in lichtschwachen Bereichen noch
ausreichend Licht zu haben. Auch in einer Lichtleiterausführung
kann eine genau den Erfordernissen angepaßte Lichtverteilung
der einzelnen Lichtpunkte praktisch nicht oder
nur mit unverhältnismäßigem Aufwand erzielt werden.
Schließlich weisen die Leuchtdioden selbst ein immer
höheres Phantomlicht auf, da sie in ihrem Inneren zunehmend
verspiegelte Flächen enthalten, um den Lichtausstoß zu
erhöhen. Bei derzeit bekannten Ausführungen fällt Sonnenlicht
direkt in die Leuchtdioden ein und verursacht dadurch
Phantomlicht in ihnen.
Ziel der Erfindung ist es, die Vorteile der Leuchtdioden,
insbesonders geringer Stromverbrauch und Langlebigkeit, zu
erhalten, jedoch die oben angeführten Nachteile zu vermeiden.
Es wäre auch von Vorteil, wenn man aus Kostengründen
mit weniger Leuchtdioden bei unveränderter Lichtwirkung
auskommen könnte. Weiters soll das System kompatibel zu
Ausführungsformen in Faseroptiktechnologie sein.
Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Leuchtelemente
im Inneren der Signalkammer angeordnet werden und
so einen im wesentlich flachen Leuchtkörper an Stelle der
bisher üblichen Glühlampen bilden, der auch ohne Reflektor
ein direkt zur Streulinse gerichtetes Licht abgibt, und
dessen Form und Größe sowie die vorgesetzte Optik die
Abstrahlcharakteristik bzw. Lichtverteilung bestimmt.
In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung beispielsweise
an Hand schematischer Darstellungen näher
erläutert. Fig. 1 zeigt die allgemeinen Systembestandteile
in Basisanordnung, Fig. 2 zeigt eine Variante der Lichtquelle
in Faseroptiktechnologie und Fig. 3 stellt einen
Schnitt durch ein System mit einigen Lichtstrahlwegen dar.
Das wesentliche Funktionsprinzip erläutert Fig. 1. Eine
Grundplatte 1, vorteilhafterweise als Leiterplatte ausgeführt
und mehr oder weniger kompakt mit Leuchtelementen 2
bestückt, wirft das Licht auf einen vorzugsweise als Fresnellinse
ausgebildeten Kondensor 3, welcher im wesentlichen
die Abmessungen der Streulinse aufweist und das Licht in an
sich bekannter Weise möglichst parallel richtet oder eine
andere günstige Lichtsammlung bewirkt. Die Streulinse 4
sorgt dann mit einer Vielzahl von Einzellinsen 5 in ebenfalls
bekannter Weise für die Streuung des Lichts und die
gewünschte Lichtverteilung.
Grundplatte 1, Leuchtelemente 2 und Kondensor 3 ersetzen
somit das bisher übliche System Glühlampe mit Reflektor.
Die Grundplatte 1 sitzt vorzugsweise in einem Stecker 6,
welcher sie in der Regel mit einer Spannungsversorgung 7
verbindet, sodaß sie bei einem Defekt einfach und kostengünstig
ausgetauscht werden kann.
Die Leuchtelemente 2 strahlen ihr Licht vorzugsweise innerhalb
eines solchen Winkels w ab, daß es vom Kondensor 3
möglichst vollständig erfaßt werden kann. Auf diese Weise
sind Lichtanteile jedes einzelnen Leuchtelementes in nahezu
jedem Bereich des Kondensors 3 vorhanden und werden durch
die Einzellinsen 5 der Streulinse 4 in den vorgeschriebenen
Bereich XY gestreut. So ist im wesentlichen in jeder Beobachtungsrichtung
ein gewisser Lichtanteil jedes einzelnen
Leuchtelementes enthalten, dem Betrachter erscheint jedes
Leuchtelement 2 in einer Vielzahl von Einzellinsen 5. Durch
Überlagerung aller Leuchtelemente 2 in den Einzellinsen 5
ist ein Erkennen eines einzelnen Leuchtelementes nicht mehr
möglich und das Erscheinungsbild der Optik wird gleichmäßig
wie bisher.
Durch den gleichen Effekt ist ein Ausfall eines einzelnen
oder einer Gruppe von Leuchtelementen nicht unmittelbar
erkennbar, lediglich die Gesamtlichtstärke wird anteilsmäßig
geringer.
Wiederum aus dem gleichen Grund ist eine abweichende optische
Ausrichtung eines einzelnen Leuchtelementes 2 nicht
erkennbar.
Schließlich ist für das Erscheinungsbild unerheblich, wie
viele Leuchtelemente 2 auf der Grundplatte 1 sitzen, da sie
nicht einzeln erkennbar sind. Diese Ausführungsform ist
daher für zukünftige Entwicklungen mit weniger, aber helleren
Leuchtelementen ohne Aufwand adaptierbar.
Eine günstige Gestaltung des Kondensors 3 liegt vor, wenn
die Lichtstrahlbündelung 11, welche zwischen Kondensor 3
und Streulinse 4 entsteht, an jedem beliebigen Punkt des
Kondensors 3 möglichst ähnlich bezüglich ihrer Ausrichtung,
Intensität und Lichtdivergenz ist. Hierdurch entsteht für
den Betrachter eine überaus gleichmäßig leuchtende Frontlinse.
Eine kostengünstige Gestaltungsmöglichkeit ergibt sich,
wenn der Kondensor 3 das Licht genauso bündelt, wie ein
üblicher Reflektor. In diesem Fall können die gleichen
Streulinsen 4 wie bisher, welche in der Regel bereits auf
die vorgeschriebenen Lichtverteilungen hin gestaltet sind,
verwendet werden.
Eine weitere Gestaltungsmöglichkeit ergibt sich, wenn man
den Abstand der Leuchtelemente 2 bzw. Grundplatte 1 und
Kondensor 3 variiert. Je nach Größe und Bestückung der
Grundplatte 1 kann sich ein anderer Abstand als günstig
erweisen. Streulinse 4 und Kondensor 3 müssen den Anforderungen
entsprechend abgestimmt sein.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Leuchtelemente 2
so gegeneinander gerichtet, daß jeder einzelne Lichtkegel w
den Kondensor 3 möglichst genau und vollständig beleuchtet.
Das kann durch entsprechendes Schrägstellen oder eine Krümmung
der Grundplatte erfolgen. Hierdurch kann jedes Leuchtelement
die gesamte Kondensorfläche ohne wesentlichen Verlust
beleuchten.
Eine weitere Gestaltungsmöglichkeit ergibt sich, wenn die
Grundplatte 1 mit den Leuchtelementen 2 in ihrer Größe,
Position und Gestalt sowie auch die Dichte der Bestückung
mit Leuchtelementen variabel angenommen wird.
Wird die Grundplatte 1 beispielsweise in ihrer Größe verdoppelt,
so ergibt sich bei gleicher Linsenbestückung nach
den Gesetzen der Optik eine entsprechend vergrößerte Lichtverteilung
XY des Signalgebers. Da Optik, Lichtverteilung
und Anordnung der Leuchtelemente nach den optischen Gesetzen
im Zusammenhang stehen, kann man bei unveränderten
Optik-Bauteilen die geforderte Lichtverteilung auch durch
geeignete unregelmäßige Bestückung der Grundplatte mit
Leuchtelementen erzielen. Es kann somit ein System aufgestellt
werden, das nur einen einzigen Kondensor 3 und eine
Streulinse 4 benötigt. Unterschiedliche Lichtverteilungen
und Helligkeiten werden dann durch unterschiedliche Bestückung
der Grundplatte 1 mit Leuchtelementen 2 erzielt.
Eine weitere Gestaltungsmöglichkeit ergibt sich aus der
Kombination der Ausführungsformen. Die Lichtverteilung wird
sowohl durch die Wirkung der Streulinse 4, des Kondensors 3
als auch durch passende Verteilung und Anordnung der
Leuchtelemente 2 auf der Grundplatte 1, sowie deren Abstand
zur Optik erzielt.
Die Darstellung von Symbolen kann wie bisher durch Schablonen,
Lackieren der Streulinse etc. erfolgen.
Fig. 2 zeigt eine Lichtquelle, deren Leuchtelemente 2a
durch Enden eines Lichtleiterbündels 9 gebildet werden.
Durch die Wahl einer baugleichen Geometrie kann dieselbe
Optik verwendet werden.
Fig. 1 und 3 erläutern den Strahlengang einer günstigen
Ausführungsform. Die handelsüblichen Leuchtdioden, wie auch
Lichtleiter selbst strahlen ihr Licht im Winkel w kreisförmig
symmetrisch, mit der höchsten Lichtstärke im Zentrum
ab. Die vorgeschriebene Lichtabstrahlung von Verkehrsampeln
reicht jedoch von der Waagrechten mit der höchsten vorgeschriebenen
Lichtstärke bis schräg nach unten, gemäß
Bereich XY. Eine direkt in einer Frontscheibe sitzende
Leuchtdiode muß deswegen relativ waagrecht ausgerichtet
werden. Die obere Hälfte des abgestrahlten Lichts ist damit
für das Signallicht verloren. Beim dargestellten System
wird das ganze Licht der Leuchtelemente 2 genützt, weil die
vorgeschriebene Lichtverteilung erst durch die Einzellinsen
5 der Streulinse 4 erfolgt, welche das Licht bei geeigneter
Gestaltung so ablenken, daß es nur von der Waagrechten bis
nach unten austritt. Hierdurch können wesentlich weniger
Leuchtelemente für die gleiche Lichtwirkung des Signallichts
verwendet werden, was Kostenvorteile bringt.
Weil der Signalgeber kein Licht schräg nach oben sendet,
kann auch umgekehrt von schräg oben einfallendes Sonnenlicht
10 nicht auf die Leuchtelemente 2 fallen, so daß
diese kein Phantomlicht erzeugen können. Da keine weiteren
reflektierenden Flächen vorhanden sind, ist die Anordnung
besonders phantomlichtarm.
Die genaue Anpassungsmöglichkeit der Lichtverteilung an die
Vorschriften mittels einer Streulinse 4 erlaubt zumeist
eine weitere Reduzierung der erforderlichen Leuchtelementezahl.
Die durch die Grenzflächen der Frontoptik verursachten
Lichtverluste werden durch diese beiden Einsparungsmöglichkeiten
bei weitem übertroffen.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß Fig. 3 wird die
Grundplatte 1 mit den Leuchtelementen 2 so positioniert,
daß sich die unterste Reihe der Leuchtelemente in der Höhe
der optischen Achse 8 befindet. Nach den optischen Gesetzen
erhält man bei geeigneter Ausbildung der Optik eine Lichtverteilung
XY, welche sich bei der optischen Achse beginnend
nach unten erstreckt. Diese günstige Lichtverteilung
erhält man bereits durch den Kondensor 3 allein, vermeidet
wiederum Lichtverluste nach oben und reduziert gleichzeitig
die Phantomlichtgefahr.
Eine solche Ausführung eignet sich auch gut für eng bündelnde
Signalgeber, wie etwa als Eisenbahnsignal. Bei konstanter
Brennweite des Kondensors 3 und ohne Streulinsen 5
bilden sich jedoch die einzelnen Leuchtelemente wieder als
einzelne leuchtende Punkte bzw. Lichtstrahlen in der Umgebung
ab. Befindet sich der Beobachter gerade zwischen solchen
Lichtstrahlen, erscheint das Signal dunkel. Diesem
Effekt kann begegnet werden, in dem der Kondensor 3 mit
mehreren geeigneten Brennpunkten oder verlaufender
Brennweite ausgeführt wird, so daß kein scharfes Abbild der
Leuchtelemente entstehen kann. Weitere Möglichkeiten sind
Defokussierung oder eine minimale Streuung durch die Streulinse
4, daß die Lichtpunkte nur soweit gestreut werden,
daß sie sich mit benachbarten Lichtpunkten ausreichend weit
überdecken, sodaß auch ein Ausfall einzelner Leuchtelemente
keine dunklen Zonen im Betrachtungsbereich zur Folge hat.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht in der
Bestückung der Grundplatte mit unterschiedlichen Leuchtelementen,
welche auch zu unterschiedlichen Zeiten eingeschaltet
werden. So können z.B. rote, gelbe und grüne Leuchtdioden
gemischt, gemeinsam auf der Grundplatte 1 sitzen, der
Signalgeber kann dann selektiv rotes, gelbes oder grünes
Licht abstrahlen, wie auch Mischfarben durch gleichzeitiges
Einschalten mehrerer Leuchtelementarten.
Eine weitere Gestaltungsmöglichkeit der Erfindung besteht
darin, Kondensor 3 und Streulinse 4 durch Überlagerung der
beiden Optiken baulich zu vereinen, sodaß nur eine Frontscheibe
mit entsprechend komplizierteren Linsen benötigt
wird.