EP1538059B1 - Lichtsignal - Google Patents

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EP1538059B1
EP1538059B1 EP04090427A EP04090427A EP1538059B1 EP 1538059 B1 EP1538059 B1 EP 1538059B1 EP 04090427 A EP04090427 A EP 04090427A EP 04090427 A EP04090427 A EP 04090427A EP 1538059 B1 EP1538059 B1 EP 1538059B1
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EP
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optical system
led
light
focal point
light signal
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Jörg Liebscher
Dirk Zimmermann
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L5/00—Local operating mechanisms for points or track-mounted scotch-blocks; Visible or audible signals; Local operating mechanisms for visible or audible signals
    • B61L5/12—Visible signals
    • B61L5/18—Light signals; Mechanisms associated therewith, e.g. blinders
    • B61L5/1809—Daylight signals
    • B61L5/1845—Optical systems, lenses
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21K—NON-ELECTRIC LIGHT SOURCES USING LUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING ELECTROCHEMILUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING CHARGES OF COMBUSTIBLE MATERIAL; LIGHT SOURCES USING SEMICONDUCTOR DEVICES AS LIGHT-GENERATING ELEMENTS; LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21K9/00—Light sources using semiconductor devices as light-generating elements, e.g. using light-emitting diodes [LED] or lasers
    • F21K9/60—Optical arrangements integrated in the light source, e.g. for improving the colour rendering index or the light extraction
    • F21K9/69—Details of refractors forming part of the light source
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V5/00—Refractors for light sources
    • F21V5/04—Refractors for light sources of lens shape
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L2207/00—Features of light signals
    • B61L2207/02—Features of light signals using light-emitting diodes [LEDs]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]

Definitions

  • the invention relates to a light signal according to the preamble of claim 1.
  • a light bulb In known light signals, a light bulb is predominantly used as an incandescent lamp whose light is directed by means of an optical system into a defined solid angle.
  • the optical system includes Fresnel lenses or aspherical lenses, in whose light-entry-side focal point the incandescent filament of the incandescent lamp is arranged.
  • Modern light sources have a completely different emission characteristic, so that the mere replacement of the incandescent lamp, for example by an LED arrangement, is associated with light losses in the solid angle relevant to the representation of the signal term.
  • the entire optical system usually has to be replaced by a specific for the new light source optical system, such as in EP 1 457 945 A1 and US Pat. No. 6,249,375 B1.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a light signal of the generic type, which allows the reuse of the existing optical system for light sources of different types.
  • the new light source is an LED arrangement. Often luminous signs or light signals, which are so far equipped with incandescent lamps, are to be converted on the basis of LED, since LEDs are comparatively inexpensive, durable and bright.
  • Known LED light signals consist essentially of a grid-like arrangement of several LED, which are each equipped with a reflector, wherein a lichtbündelndes optical element and optionally a windscreen are provided.
  • the optical element must be suitable as possible for different mounting and observation points, curve radii of the rail track and detection distances. In order to be able to dispense with the development and installation of such optical elements, the invention provides only an optical adaptation to the proven optical system for incandescent filament bulbs.
  • This adaptive second optical system can be constructed comparatively simply because only the light has to be focused into a focal point and no consideration of near and far range, curve radii and other parameters is required.
  • a second optical system which generates an image of the light source in the light entry side focal point of the existing optical system, there is the possibility of the signal housing together with bundling optics without loss of quality in terms of illuminating solid angle reuse. It is only necessary to focus a majority of the amount of light emitted by the new illuminants on a focal point that coincides with the focal point of the first optical system.
  • This second optical system may be a simple converging lens or even a Fresnel plate, to which no special quality requirements must be made.
  • the high-quality first optical system ensures the optimal illumination of the relevant spatial angle for the visibility of the signal concept, in particular by the operating personnel of the rail-bound means of transport. Particularly advantageous is the reusability of the first optical system in suitability of the same for the far and short range representation of signal terms, ie in the presence of special optics, for example, at the bottom of the first optical system, for light scattering down, ie in the bottom direction.
  • the LED array may be according to claim 2, a single LED with focusing lens, which forms the second optical system.
  • an LED matrix can also be equipped with a plurality of LED modules to form a predetermined emission surface.
  • each module contains a specific number of individual LEDs, which are connected in such a way that a safety concept with respect to LED failure can be realized.
  • each LED module can be equipped with its own optical element. The totality of the optical elements of all LED modules of the LED matrix then form the second optical system according to the invention.
  • the LED modules together with optical elements are preferably housed in a housing which is sealingly inserted in the vicinity of the light exit surface in a matrix plate.
  • the LED can, for example, accordingly the modules are arranged in groups on a board and are energized together.
  • FIG. 1 illustrates the functional principle of a prior art incandescent light signal.
  • the incandescent filament 1 of an incandescent lamp 2 is arranged at the focal point of an optical system 3 of the focal length f1.
  • Characteristic of the incandescent filament 1 is a radiation cone 4 whose opening angle determines the diameter and the optical axis 5 of the optical system 3.
  • the optical system 3 is usually calculated for Fresnel and / or aspherical lens shape such that there is a high light intensity for the far field and for the obliquely downward short-range, with site-specific parameters, such as the track radius at the site, are taken into account.
  • a second optical system 6 is provided in the form of a focusing lens, as shown in Figure 2.
  • the light of an LED matrix 7, which is equipped with a plurality of LEDs 8, is focused by this second optical system 6 of the focal length f2 to a focal point 9, which coincides with the focal point of the first optical system 3 and thus with the incandescent layer in FIG ,
  • a glühwendeltechnikr light spot is quasi produced by the upstream second optical system 6 in the focal point 9, which is scattered by means of the acquired first optical system 3 in the desired long-range and by means of an indicated lens segment 10 in the vicinity.
  • the invention is not limited to the embodiment given above. Rather, a number of variants are conceivable, which make use of the features of the invention even with fundamentally different type of execution.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Lichtsignal gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Die nachstehenden Erläuterungen beziehen sich im Wesentlichen auf Leuchtzeichen oder Lichtsignale zur Darstellung von Signalbegriffen bei schienengebundenen Verkehrswegen, ohne dass der beanspruchte erfinderische Gegenstand auf diese Anwendung beschränkt sein soll.
  • Bei bekannten Lichtsignalen wird als Leuchtmittel überwiegend eine Glühlampe verwendet, deren Licht mittels eines optischen Systems in einen definierten Raumwinkel gerichtet wird. Das optische System beinhaltet in der Regel Fresnellinsen oder asphärische Linsen, in deren lichteintrittsseitigem Brennpunkt die Glühwendel der Glühlampe angeordnet ist. Mit der Einführung neuartiger Leuchtmittel, insbesondere auf der Basis von LED (lichtemittierende Dioden) ergibt sich zunehmend die Notwendigkeit, Glühlampen durch modernere Leuchtmittel zu ersetzen. Problematisch dabei ist vor allem die optische Anpassung, da das vorhandene optische System auf die spezielle Abstrahlcharakteristik der Glühlampe abgestimmt ist. Moderne Leuchtmittel besitzen eine gänzlich andere Abstrahlcharakteristik, so dass der bloße Ersatz der Glühlampe, beispielsweise durch eine LED-Anordnung, mit Lichtverlusten in dem für die Darstellung des Signalbegriffs relevanten Raumwinkel verbunden ist. Um gleichwertige optische Eigenschaften des Lichtsignals zu gewährleisten, muss daher in der Regel das komplette optische System durch ein für das neue Leuchtmittel spezifisches optisches System ersetzt werden, wie beispielsweise in der EP 1 457 945 A1 und der US 6,249,375 B1 beschrieben.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Lichtsignal der gattungsgemäßen Art anzugeben, das für Leuchtmittel unterschiedlicher Art die Weiterverwendung des vorhandenen optischen Systems ermöglicht.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist das neue Leuchtmittel eine LED-Anordnung. Häufig sollen Leuchtzeichen oder Lichtsignale, die bisher mit Glühlampen ausgestattet sind, auf der Basis von LED umgerüstet werden, da LED vergleichsweise preiswert, langlebig und lichtstark sind. Bekannte LED-Lichtsignale bestehen im Wesentlichen aus einer rasterartigen Anordnung mehrerer LED, welche jeweils mit einem Reflektor ausgestattet sind, wobei ein lichtbündelndes optisches Element und gegebenenfalls eine Frontscheibe vorgesehen sind. Das Optikelement muss dabei möglichst für unterschiedliche Anbringungs- und Beobachtungspunkte, Kurvenradien des Schienenweges und Erkennungsweiten geeignet sein. Um auf die Entwicklung und den Einbau derartiger Optikelemente verzichten zu können, ist erfindungsgemäß lediglich eine optische Anpassung auf das bewährte optische System für Glühwendel-Leuchtmittel vorgesehen. Dieses zur Anpassung dienende zweite optische System kann vergleichsweise einfach aufgebaut sein, da lediglich das Licht in einen Brennpunkt fokussiert werden muss und keine Berücksichtigung von Nah- und Fernbereich, Kurvenradien und anderen Parametern erforderlich ist. Durch die Zwischenschaltung eines zweiten optischen Systems, das ein Abbild des Leuchtmittels im lichteintrittsseitigen Brennpunkt des vorhandenen optischen Systems erzeugt, ergibt sich die Möglichkeit, das Signalgehäuse samt bündelnder Optik ohne Qualitätseinbußen hinsichtlich des auszuleuchtenden Raumwinkels weiterzuverwenden. Es ist lediglich erforderlich, einen Großteil der von den neuen Leuchtmittel abgestrahlten Lichtmenge auf einen Brennpunkt zu fokussieren, der mit dem Brennpunkt des ersten optischen Systems übereinstimmt. Dieses zweite optische System kann eine einfache Sammellinse oder auch eine Fresnel- Platte sein, an die keine besonderen Qualitätsanforderungen gestellt werden müssen. Das qualitativ hochwertige erste optische System sorgt für die optimale Ausleuchtung des für die Sichtbarkeit des Signalbegriffes, insbesondere durch das Bedienungspersonal der schienengebundenen Verkehrsmittel, maßgeblichen Raumwinkels. Besonders vorteilhaft ist die Weiterverwendbarkeit des ersten optischen Systems bei Eignung desselben für die Fernbereichs- und die Nahbereichsdarstellung von Signalbegriffen, d. h. bei Vorhandensein einer Spezialoptik, zum Beispiel am unteren Rand des ersten optischen Systems, zur Lichtstreuung nach unten, d. h. in Bodenrichtung.
  • Die LED-Anordnung kann dabei gemäß Anspruch 2 eine einzelne LED mit fokussierender Linse, welche das zweite optische System bildet, sein.
  • Gemäß Anspruch 3 kann aber auch eine LED-Matrix zur Bildung einer vorgegebenen Abstrahlfläche mit mehreren LED-Modulen bestückt sein. Vorzugsweise enthält jedes Modul eine bestimmte Anzahl einzelner LED, die derart verschaltet sind, dass ein Sicherheitskonzept bezüglich LED-Ausfall realisierbar ist. Außerdem kann jedes LED-Modul mit einem eigenen Optikelement ausgestattet sein. Die Gesamtheit der Optikelemente aller LED-Module der LED-Matrix bilden dann das erfindungsgemäße zweite optische System. Die LED-Module samt Optikelementen sind bevorzugt in einem Gehäuse untergebracht, welches in der Nähe der Lichtaustrittsfläche in einer Matrixplatte dichtend eingesetzt ist. Die LED können beispielsweise entsprechend der Module gruppenweise auf einer Platine angeordnet sein und gemeinsam bestromt werden. Weitere konstruktive Maßnahmen können zur Berücksichtigung der Betriebsparameter der LED, beispielsweise hinsichtlich der Temperierung, vorgesehen sein. Ein Optimum bezüglich Lichtleistung, Ausnutzung und Lebensdauer liegt bei einem Betriebszustand etwas unterhalb der empfohlenen Werte. Unter solchen Bedingungen verbessert sich - im Gegensatz zur Glühlampe - auch die relative Lichtausbeute, d. h. die Helligkeit je eingesetzter Leistungseinheit.
  • Als moderne Leuchtmittel, die für den Glühlampenersatz infrage kommen, können gemäß Anspruch 4 auch flächige Leuchtelemente auf der Basis organischer LED vorgesehen sein. Auch für diese ist durch den Einsatz einer Lichtbündeloptik, die keine Abbildungsqualität aufweisen muss, die Weiterverwendung der Hauptoptik ermöglicht.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand figürlicher Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    den prinzipiellen Aufbau eines herkömmlichen Glühlampen-Signals und
    Figur 2
    ein Signalaufbau mit LED-Matrix.
  • In Figur 1 ist das Funktionsprinzip eines Glühlampensignals nach dem Stand der Technik veranschaulicht. Die Glühwendel 1 einer Glühlampe 2 ist dabei im Brennpunkt eines optischen Systems 3 der Brennweite f1 angeordnet. Charakteristisch für die Glühwendel 1 ist ein Strahlungskegel 4, dessen Öffnungswinkel den Durchmesser und die optische Achse 5 des optischen Systems 3 bestimmt. Das optische System 3 ist dabei üblicherweise für Fresnel- und/oder asphärische Linsenform derart berechnet, dass sich eine hohe Lichtintensität für den Fernbereich und für den schräg nach unten gerichteten Nahbereich ergibt, wobei standortspezifische Parameter, wie beispielsweise der Gleisradius am Aufstellungsort, berücksichtigt sind.
  • Um dieses hochwertige optische System auch für andere Leuchtmittel anstelle der Glühwendel 1 verwenden zu können, ist ein zweites optisches System 6 in Form eine fokussierenden Linse vorgesehen, wie aus Figur 2 ersichtlich. Das Licht einer LED-Matrix 7, die mit mehreren LED 8 bestückt ist, wird durch dieses zweite optische System 6 der Brennweite f2 auf einen Brennpunkt 9 fokussiert, der mit dem Brennpunkt des ersten optischen Systems 3 und damit mit der Glühwendellage in Figur 1 übereinstimmt. Auf diese Weise wird durch das vorgelagerte zweite optische System 6 im Brennpunkt 9 quasi ein glühwendelartiger Lichtfleck erzeugt, der mittels des übernommenen ersten optischen Systems 3 in den gewünschten Fernbereich und mittels eines angedeuteten Linsensegmentes 10 in den Nahbereich gestreut wird.
  • Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das vorstehend angegebene Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche auch bei grundsätzlich anders gearteter Ausführung von den Merkmalen der Erfindung Gebrauch machen.

Claims (4)

  1. Lichtsignal mit einem Leuchtmittel und einem ersten optischen System (3), welches zur Abstrahlung des Lichts eines als Glühlampe ausgebildeten Leuchtmittels in einen definierten Raumwinkel konzipiert ist, insbesondere zur Darstellung von Signalbegriffen bei schienengebundenen Verkehrswegen,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Leuchtmittel als LED-Anordnung ausgebildet ist, wobei zwischen der LED-Anordnung und dem ersten optischen System (3) ein zweites optisches System (6) angeordnet ist, dessen Brennpunkt (9) im Wesentlichen mit dem lichteintrittsseitigen Brennpunkt des ersten optischen Systems (3) übereinstimmt.
  2. Lichtsignal nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die LED-Anordnung aus einer einzelnen LED besteht, die eine fokussierende Linse als zweites optisches System aufweist.
  3. Lichtsignal nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die LED-Anordnung als LED-Matrix (7) mit einer Mehrzahl im Wesentlichen gleichartiger LED-Module, die eine im Wesentlichen kreisförmige Abstrahlfläche definieren, ausgebildet ist.
  4. Lichtsignal nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die LED-Anordnung als im Wesentlichen kreisförmige Leuchtfläche auf der Basis organischer LED ausgebildet ist.
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