EP1593109B1

EP1593109B1 - Optikelement für wechselverkehrszeichen

Info

Publication number: EP1593109B1
Application number: EP03779554A
Authority: EP
Inventors: Franz Silhengst; Alexander Otto
Original assignee: Swarco Futurit Verkehrssysteme Gesmbh
Current assignee: Swarco Futurit Verkehrssysteme Gesmbh
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-12-23
Publication date: 2009-04-08
Anticipated expiration: 2023-12-23
Also published as: AT500013A1; DE50311404D1; AU2003287758A1; WO2004068447A1; EP1593109A1; ATE428162T1; AT500013B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Optikelement, das zumeist in einer beliebig angeordneten Vielzahl in im wesentlichen senkrecht angeordneten Frontflächen von Wechselverkehrszeichen zur Darstellung von Symbolen oder grafischen Informationen einsetzbar ist, bestehend aus zumindest einer ansteuerbaren Lichtquelle, zumeist einer LED, welche auf einer Platine sitzen kann, einem Linsenelement mit Lichteintrittsfläche, Mantelfläche und Austrittsfläche und vorzugsweise einem zumindest einen Teil der Mantelfläche umgebenden Gehäuse, mit im wesentlichen horizontaler bis abwärts geneigter Lichtabstrahlung, wobei die Mantelfläche eine maximal Licht schluckende Absorptionsfläche aufweist.
Seitdem es gelungen ist, Leuchtdioden (LED) mit hoher Lichtbündelung, Lichtstärke und Lebensdauer in einer Vielzahl von Farben bzw. in nahezu allen festgelegten Signalfarben herzustellen, wurde diese Technik als Ersatz für die bisher in Wechselverkehrszeichen eingesetzte Faseroptik vorgesehen. Aber auch der Einsatz in grafikfähigen Anzeigen wird forciert, weil bei entsprechender Beschaltung jede LED einzeln angesteuert werden kann und daher individuell programmierbare Darstellungen und Informationen möglich werden.
Leuchtdioden unterscheiden sich von herkömmlichen Glühlampen nicht nur durch die Lichterzeugung mittels Halbleitertechnik, welche ein nahezu monochromatisches farbiges Licht erzeugt, sondern auch durch integrierte optische Maßnahmen zur Lichtlenkung, welche einerseits den Nutzlichtanteil verbessern, andererseits universelle, günstige Lichtverteilungscharakteristiken in eng- und breitabstrahlenden Ausführungen erzeugen, sodass die LED ohne weitere optische Maßnahmen direkt als Signallicht eingesetzt werden kann.
Während für Werbe- und Informationsschilder keine übergeordneten Vorschriften bezüglich ihrer lichttechnischen Eigenschaften bestehen, existieren solche im Bereich der Verkehrstechnik schon lange, wobei insbesonders Lichtfarbe, Helligkeit, Lichtverteilung, Gleichmäßigkeit, ein hohes Kontrastverhältnis und damit verbunden ein geringes Phantomlicht (Vortäuschung eines eingeschalteten Signallichts durch einfallendes Sonnenlicht) vorgeschrieben sind. Die handelsüblichen LED-Bauformen entsprechen diesen Anforderungen nur zum Teil, werden aber trotzdem eingesetzt, solange kundenspezifische Ausführungen der LED unwirtschaftlich sind und seitens vieler Hersteller auch aus technologischen Gründen derzeit abgelehnt werden müssen.
Werden in der Verkehrstechnik die LED direkt ohne zusätzliche optische Maßnahmen eingesetzt, so entsprechen Lichtfarbe, Helligkeit und Gleichmäßigkeit zumeist den Vorgaben, die geforderte Lichtverteilung ist oft nur durch Vorschaltung zusätzlicher Linsen erreichbar, Hauptproblem ist jedoch das hohe Phantomlicht. Die Linsenkuppe des in der Regel glasklar transparenten LED-Körpers bündelt einfallendes Sonnenlicht direkt auf die hochreflektierenden Einbauten im Inneren der LED, wie beispielsweise Reflektor und Reflektorrand, Anschlussfahnen und Kontaktstellen, von wo es zurückgeworfen wird. Wegen des glasklaren LED-Körpers ist auch das Phantomlicht relativ weißlich und ungefiltert und erscheint bei ungünstigem Sonnenstand unter Umständen heller als das eigentliche Signallicht.
In der Verkehrstechnik ist in Normen festgelegt, dass zur Phantomlichtbeurteilung ein Sonnenstand von 10 Grad senkrecht über der optischen Achse des Signals, in der Regel die Richtung der maximalen Lichtabstrahlung, angenommen wird. Bei solchen Winkeln müssen jedenfalls zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden, um den oben geschilderten Effekt zu begrenzen. Weil die Optiken oft relativ dicht nebeneinander angeordnet sind, ist dabei aber ein möglichst geringer Durchmesser des Optikelementes ein wichtiges Kriterium.
Einige bekannte Maßnahmen sind die Anbringung einer relativ großen Sammellinse in größerem Abstand vor der LED, was aus Platzgründen problematisch ist. Kleine Sonnenblenden über jeder Optik erschweren die Reinigung und schränken den Beobachtungsbereich ein. Lochblenden vor jeder LED benötigen aus Reinigungsgründen eine zusätzliche Frontscheibe.
Eine weitere Maßnahme besteht in der Verwendung von in der Signalfarbe eingefärbten Linsen oder LED-Körpem. Das Sonnenlicht muss das gefärbte Bauteil zweimal durchlaufen, wobei vor allem die fremden Farbanteile des Lichts ausgefiltert werden, das LED-Licht nur einmal, wobei die Einfärbung für die eigentliche Signalfarbe möglichst durchlässig ist. Hierdurch wird das Sonnenlicht wesentlich geschwächt, das Nutzlicht verringert sich in viel geringerem Maße. Nachteilig ist nicht nur die geringere Nutzlichtstärke, was durch eine höhere Anzahl von Lichtpunkten kompensiert werden muss, sondern auch das Phantomlicht in Signalfarbe, welches gegenüber weißem Phantomlicht in vielen Anwendungen als besonders kritisch angesehen wird.
Ein weiterer Nachteil ist die üblicherweise kreissymmetrische Lichtabstrahlung der Leuchtdioden, sodass ein großer Lichtanteil ungenutzt in irrelevante Bereiche abgestrahlt wird, wenn nicht ebenfalls optische Maßnahmen dagegen ergriffen werden. Weiters haben handelsübliche Leuchtdioden Abstrahlcharakteristiken, die in der Regel mit der benötigten Lichtverteilung der Lichtpunkte nicht gut übereinstimmen. Hierdurch müssen ohne Zusatzoptik oft unverhältnismäßig mehr LED verwendet werden, nur um in lichtschwachen Bereichen noch ausreichend Licht zu haben. In vielen Fällen kann die geforderte Lichtverteilung überhaupt nicht ohne Zusatzmaßnahmen erreicht werden. Daher verwenden gute Geräte durchwegs Vorsatzlinsen, welche die gewünschten Verteilungen sehr effektiv erzielen können. Gleichzeitig werden hierdurch auch Maßnahmen gegen Phantomlicht ergriffen.
Bei der Anmeldung EP 0 930 600 A1 wird das Licht einer LED mittels einer Sammellinse entweder auf eine Streulinse oder insbesonders auf eine Blendenöffnung zwischen Sammel- und Streulinse gebündelt und mittels der Streulinse in den vorgeschriebenen Bereich gelenkt. Sonnenstrahlen werden entweder an der Gehäusewand oder der Blende absorbiert.
Diese Ausführung hat den Vorteil, dass praktisch überhaupt kein Sonnenlicht bis in die LED gelangen kann. Die LED können einzeln verdrahtet sein oder gemeinsam auf einer Platine sitzen. Weiters ist eine beliebige Anordnung einzelner Optiken möglich. Der Optik-Durchmesser ist relativ gering.
Nachteilig ist jedoch eine Vielfalt an Bauteilen, welche die Kosten ungünstig beeinflussen und auch eine automatische Fertigung sehr erschwert, aber auch die große Zahl an Grenzflächen, welche das Licht durchdringen muss und hierbei Helligkeitsverluste erleidet, insbesonders erzeugt aber auch das Sonnenlicht Oberflächenreflexe zumindest auf der Ein- und Austrittsfläche der Streulinse, bevor es absorbiert wird. Hierdurch entsteht wieder Phantomlicht, welches die Erkennbarkeit beeinträchtigt.
Die EP 1 227 458 A2 , das als nächstliegender stand der Technik gegenüber dem gegenstand des Anspruchs 1 angesehen wird, offenbart insgesamt eine Anzeige- und/oder Signalvorrichtung für lichtoptische Informationen. Diese Vorrichtung umfasst eine Trägerplatte oder einen Gehäuseteil mit darauf angeordneten Lichtquellen. Ein hier vorgesehener Linsenkörper ist mit einem Lichtleitfortsatz versehen, der in entsprechenden Vertiefungen der Trägerplatte angeordnet ist. Dabei ist die Oberfläche, an der die Lichtleitfortsätze anliegen, mit einer Lichtabsorptionsschicht versehen. In dem genannten Dokument wird ein Modul vorgestellt, der aus transparentem Material gefertigt ist und eine Vielzahl von gleichartigen Streulinsen integriert hat, welche das Licht der LED, welche auf einer gemeinsamen Platine sitzen, in den Beobachtungsbereich lenken. Die Innenseite des Moduls ist bis auf die Lichteintrittsflächen, welche sich aus Gründen der Materialersparnis auf Fortsätzen befinden, lichtabsorbierend schwarz beschichtet, sodass einfallende Sonnenstrahlen absorbiert werden.
Diese Ausführung hat den wirtschaftlichen Vorteil, dass sie aus nur einem Bauteil und einer Platine mit LED besteht. Das Licht durchdringt nur Ein- und Austrittsfläche des Moduls, wodurch die Verluste gering bleiben. Von außen einfallendes Sonnenlicht erzeugt nur an der Frontfläche einen Oberflächenreflex, dann wird es bereits an der Innenwand des Moduls absorbiert.
Nachteilig ist die feste Anordnung in einem Raster, welche die Verwendung auf grafische Anzeigen einschränkt. Für jedes Rastermaß ist ein eigener Modul erforderlich. Insbesonders ist von Nachteil, dass wegen des transparenten Grundkörpers an jeder Stelle der Außenfläche die Übergangsflächen zwischen den Linsen so stark nach oben oder unten geneigt sein müssen, dass keine Reflexionen in Beobachtungsrichtung auftreten können, wodurch sich aber eine stark zerklüftete, besonders verschmutzungsanfällige Oberfläche ergibt. Weiters ist durch den Verzicht auf eine metallische Matrixplatte nur ein eingeschränkter Schutz gegen elektromagnetische Störungen oder Blitzschlag möglich. Trotzdem ist eine Tragekonstruktion mit vertikaler Dichtfläche notwendig, an welcher die Module befestigt sind.
Auch bei der internationalen Anmeldung WO 02/17628 A2 wird ein Modul aus transparentem Material mit rasterartiger Anordnung der LED vorgestellt. Die optische Funktionsweise ist so ausgeklügelt, dass kein Phantomlicht erkannt wird. Das Sonnenlicht wird dabei entweder in einem innenliegenden Gitter aus schwarzem Material absorbiert oder außerhalb des Beobachtungsbereiches gelenkt. Nachteilig sind neben dem fixen Raster die überaus aufwendige Herstellung des Moduls sowie die stufige und geneigte Vorderfront, sowie überhaupt das Austreten von Phantomlicht, auch wenn es nicht innerhalb des Beobachtungsbereiches erfolgt.
Ziel der Erfindung ist eine kostengünstige Optik für Wechselverkehrszeichen, welche die genormten Lichtverteilungen erfüllt und ein möglichst geringes Phantomlicht aufweist. Sie soll aus möglichst wenigen Bauteilen bestehen und vollautomatisch montierbar sein. Sie soll sowohl in frei wählbaren Anordnungen als auch in beliebigen Rastern vorzugsweise unter Verwendung einer metallischen Matrixplatte dicht und präzise montiert werden können und eine möglichst hohe Packungsdichte aufweisen.
Das wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Absorptionsfläche unmittelbar an die Lichteintritts- und Austrittsfläche des Linsenelementes angrenzt, dass die Länge des Linsenelementes größer als sein Durchmesser ist und dass die Krümmung der Austrittsfläche an jedem Flächenpunkt so ausgebildet ist, dass im wesentlichen alle von der Lichtquelle kommenden Lichtstrahlen in einen Bereich unterhalb eines festgelegten Winkels S, kleiner oder gleich 10°, bezüglich der Horizontalen und im wesentlichen alle von außen mit einem Winkel größer oder gleich S bezüglich der Horizontalen einfallenden Lichtstrahlen auf die Absorptionsfläche gelenkt werden.
Beim nächst kommenden Stand der Technik, der EP 1 227 458 A2 , ist die Oberfläche der Trägerplatte samt ihren Vertiefungen mit einer Lichtabsorptionsschicht versehen. Da die Linsenkörper mit ihren Wandbereichen die Lichtabsorptionsschicht vollständig bedecken, grenzt diese an keiner Stelle an die Lichtaustrittsflaäche, Unerwünschtes Streulicht kann ähnlich wie in einem Lichtleiter über diese Wandbereiche zu benachbarten Linsenkörpern gelangen, wo es unerwünschte Effekte, wie beispielsweise Phantombilder, erzeugt. Gemäß vorliegender Erfindung wird dies von vornherein ausgeschlossen, und das Heranziehen der Absorptionsschicht von der Lichteintrittsfläche bis zur Lichtaustrittsfläche bewirkt eine umfassendere Lichtabsorption jeglicher externer Lichtquellen.
In den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung samt zugehörigen Zeichnungsfiguren sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Ausführungsformen der Erfindung gekennzeichnet und näher veranschaulicht.
Die Erfindung wird nun anhand der Darstellungen erläutert. Es zeigt Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch ein erfindungsgemäßes Optikelement, Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch ein anderes Optikelement vor dem Einsetzen, Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch ein drittes Optikelement und einen Querschnitt, Fig. 4 bevorzugte Umrisse der Einbaulöcher in Ansicht, Fig. 5 und 6 zeigen Kombinationen des erfindungsgemäßen Optikelements im Vertikalschnitt.
In Fig. 1 ist das erfindungsgemäße Optikelement in seiner einfachsten Ausführung im Vertikalschnitt dargestellt. Auf einer Platine 1 sitzt eine Lichtquelle 2 in Form einer LED koaxial unmittelbar hinter einem Linsenelement 3 mit einer Lichteintrittsfläche 4 und einer Austrittsfläche 5, verbunden durch eine Mantelfläche 6. Die genaue Positionierung der Platine 1 mit der LED erfolgt auf beliebige Weise außerhalb der Darstellung. Das Linsenelement ist in eine vertikal angeordnete, metallische Matrixplatte 7 eingebaut und mit einem Klebstoff 8 befestigt und abgedichtet. Die Mantelfläche 6 ist im gesamten unteren Bereich zwischen Lichteintrittsfläche 4 und Austrittsfläche 5 schwarz beschichtet, sodass jeder darauffallende Lichtstrahl absorbiert wird. Dieser Bereich wird als Absorptionsfläche 9 bezeichnet. Die Lichtstrahlen 10 der LED treten bei der Lichteintrittsfläche 4 ein, durchlaufen das Linsenelement 3 und treten bei der Austrittsfläche 5 aus. Die Lichteintrittsfläche 4 fungiert als Sammellinse, fängt möglichst viel Licht der LED ein und bündelt es auf die Austrittsfläche 5, von der es mit der geforderten Intensität und Verteilung in den vorgeschriebenen Beobachtungsbereich gelenkt wird. Dieser Bereich ist zweckmäßigerweise so festgelegt, dass die größte Intensität in der horizontalen Achsrichtung auftritt und der Seite nach sowie nach unten mehr oder weniger rasch gegen Null abnimmt. Nach oben ist überhaupt keine Lichtabstrahlung gefordert. Diese Abstrahlcharakteristik wird neben dem Einfluss der Lichtquelle 2 und der Lichteintrittsfläche 4 vor allem durch eine geeignete Gestaltung der Austrittsfläche 5 mittels unterschiedlichen Krümmungszonen erreicht, auf die hier nicht im Detail eingegangen wird. Man erkennt aber, dass die eingezeichneten Lichtstrahlen 10 nur horizontal und mehr oder weniger nach unten gelenkt werden. Das wird hier durch eine leichte Abwärtsneigung der Lichteintrittsfläche 4 unterstützt. Dabei ist die Krümmung der Austrittsfläche 5 an jedem Flächenpunkt so ausgebildet ist, dass im wesentlichen alle von der Lichtquelle 2 kommenden Lichtstrahlen 10 in einen Bereich unterhalb eines festgelegten Winkels S, vorzugsweise kleiner oder gleich 10°, bezüglich der Horizontalen und im wesentlichen alle von außen mit einem Winkel größer oder gleich S bezüglich der Horizontalen einfallenden Lichtstrahlen 11 auf die Absorptionsfläche 9 gelenkt werden.
Weiters sind die von außen her einfallenden Lichtstrahlen, wie z.B. Sonnenstrahlen 11 eingezeichnet, welche unter einem zur Horizontalen festgelegten Winkel S (vertikaler Sonnenstandswinkel) parallel zueinander auf die Austrittsfläche 5 gelangen. Sie dringen in das Linsenelement ein und werden durch die Austrittsfläche 5 auf die Absorptionsfläche 9 gelenkt, wo sie absorbiert werden. Weiters ist ein Sonnenstrahl 11 a eingezeichnet, der unter einem kleineren Vertikalwinkel als S einfällt. Er gelangt bis zum Reflektor der LED, wo er reflektiert und gestreut wird und das gefürchtete Phantomlicht erzeugt. Es ist aber auch ein Lichtstrahl 11b eingezeichnet, der unter einem größeren Vertikalwinkel als S einfällt. Er erreicht die Absorptionsfläche 9 entsprechend früher und wird absorbiert.
Insbesonders bei engbündelnden Optikelementen dringen obenliegende Sonnenstrahlen 11c am weitesten in das Linsenelement 3 ein. Daher ist ihre Ablenkung und damit die Gestaltung des oberen Austrittsflächenbereiches für einen geringen Einstrahlwinkel S der Sonne besonders relevant.
Der für die einfallenden Sonnenstrahlen festgelegte Winkel S stellt einen vertikalen Grenzwinkel dar. Bei diesem Sonnenstand kann gerade noch kein Sonnenstrahl 11 zur Lichtquelle 2 vordringen, er wird an der Absorptionsfläche 9 vernichtet. Es ist unmittelbar einsichtig, dass bei jedem höheren Sonnenstand die Sonnenstrahlen 11b entsprechend früher auf die Absorptionsfläche treffen und auch kein Phantomlicht entsteht. Bei einem niedrigeren Sonnenstand jedoch dringen bereits manche Sonnenstrahlen 11a durch die Lichteintrittsfläche 4 in die Lichtquelle 2 ein und erzeugen Phantomlicht.
Die Gestaltung der Austrittsfläche 5 steht bezüglich der beiden unterschiedlichen Anforderungen, nämlich der Lichtverteilung von Lichtstrahlen 10 und der Lenkung von Sonnenstrahlen 11 auf die Absorptionsfläche 9 nicht im Widerspruch, denn das Linsenelement 3 dreht prinzipiell nach optischen Gesetzmäßigkeiten das Erscheinungsbild der hellen Lichteintrittsfläche 4 mit der unterhalb angrenzenden schwarzen Absorptionsfläche auf den Kopf, sodass es als ein hell erleuchteter Beobachtungsbereich mit darüber liegender Dunkelzone abgebildet wird. Es wird also bei passender Ausrichtung kein Licht nach oben abgestrahlt.
Wird nun durch einschlägige Normen eine Phantomlichtarmut bis zu 10 Grad Sonnenstand hinunter oder auch bis zu einem anderen Winkelwert gefordert, so stellt dieser Wert eine wesentliche Konstruktionskonstante für die geometrische Bemessung des Systems und der Gestaltung der Austrittsfläche 5 dar. Hierbei sind aber nicht nur direkt von der Lichtquelle 2 ausgehende Lichtstrahlen 10 zu berücksichtigen, sondern auch reflektierte und gestreute Lichtanteile mit einzubeziehen. Es wird daher ein gewisser nach oben austretender Streulichtanteil unvermeidlich sein. Wird aber darauf geachtet, dass möglichst kein Streulicht mit einem Winkel S oder mehr nach oben austritt, dann kann umgekehrt auch kein Sonnenstrahl 11 mit dem Einfallwinkel S zur Lichtquelle 2 vordringen. Die genaue Bemessung des optischen Systems und die Gestaltung der Austrittsfläche 5 erfolgt daher wegen der Komplexität der Lichtausbreitung bevorzugt mittels Computersimulation.
Selbstverständlich kann eine beliebige Anzahl von Optikelementen in der Matrixplatte 7 in jeder beliebigen Anordnung eingebaut sein. Die Lichtquellen 2 sitzen dann alle vorzugsweise auf derselben Platine 1, welche auch andere elektrische Bauteile zur Spannungsversorgung und Ansteuerung und auch alle Leiterbahnen aufweist.
Fig. 2 stellt ein modifiziertes Optikelement im Vertikalschnitt dar. Die Mantelfläche ist dabei zur Gänze als Absorptionsfläche 9 ausgestaltet. Die schwarze Beschichtung besteht aus Kunststoff und ist zu einer massiven Umhüllung des Linsenelementes 3 verdickt, welche nun ein Gehäuse 12 bildet. Im Bereich der Austrittsfläche 5 weist das Gehäuse 12 einen Flansch 13 als Anlagefläche auf. Angrenzend sind am Gehäuseumfang umlaufende Rippen 14 mit sägezahnartigem Querschnitt angebracht. Im Bereich der Lichteintrittsfläche 4 ist eine genaue Aufnahme 15 für die Lichtquelle 2 angeformt. Die Lichtquelle 2 sitzt hier nicht auf einer Platine 1, sondern ist direkt bedrahtet und durch einen am Gehäuse 12 mitgeformten Schnapphaken 16 gehalten. Eine solche Ausführung erspart die Platinenkosten bei geringen Stückzahlen.
Die Darstellung zeigt das Optikelement vor dem Einpressen. Die Rippen 14 haben gegenüber dem Einbauloch 17 ein geringes Übermaß. Beim Einpressen werden sie in bekannter Weise elastisch/plastisch deformiert, halten das Optikelement durch Reibschluss im Einbauloch 17 fest und dichten gleichzeitig ab. Der Flansch 13 sichert die genaue Ausrichtung durch Anlage an der Matrixplatte 7. Der Gehäusewerkstoff ist wesentlich zäher und nachgiebiger als der Werkstoff des Linsenelementes 3, damit beim Einpressen nur die Rippen 14, nicht aber das Linsenelement 3 deformiert werden.
Im Unterschied zur Fig. 1 ist hier das Optikelement länger ausgeführt. Dadurch wird nicht nur die Krümmung der Austrittsfläche 5 insgesamt geringer, die Sonnenstrahlen 11 haben eine größere Weglänge im Linsenelement 3 bis zur Absorptionsfläche 9 zur Verfügung. Weiters ist die Austrittsfläche 5 asymmetrisch ausgeführt. Der obere Bereich ist stärker gekrümmt, hierdurch werden obenliegende Lichtstrahlen 10c stärker nach unten abgelenkt, auch die obenliegenden Sonnenstrahlen 11c, welche sonst als erste die Lichteintrittsfläche 4 erreichen, werden stärker nach unten gebrochen und erreichen so die Absorptionsfläche 9 früher. Durch diese beiden Maßnahmen kann insgesamt ein geringerer Sonnenwinkel S erzielt werden. Der Lichtbereich unterhalb der Horizontalen wird daher bevorzugt durch Lichtstrahlen 11c aus dem oberen Bereich der Austrittsfläche 5 erhellt.
Insbesonders wird darauf hingewiesen, dass das schwarze Gehäuse 12 und die Mantelfläche 6 des Linsenelementes 3 optisch wirksam miteinander verbunden sein müssen, insbesonders durch Zusammenschmelzen. Ein bloßes Zusammenstecken zweier einzelner Bauteile hätte nicht eine Absorption der Sonnenstrahlen 11, sondern deren Totalreflexion und damit erhebliches Phantomlicht zur Folge, trotz identischer zeichnerischer Darstellung.
Totalreflexion darf jedoch im oberem Bereich der Mantelfläche 6 stattfinden. Fig. 3 zeigt diese Ausführung im Zusammenhang mit einer besonders breit abstrahlenden Lichtquelle 2 in Form einer SMD-LED. Diese LED sind kostengünstig und besonders genau auf der Platine 1 zu positionieren, allerdings kann nur ein Teilbereich des Lichts über die Lichteintrittsfläche 4 nutzbringend vorgebündelt werden. Besonders weit abseits austretende Lichtstrahlen 10d werden daher über eine Totalreflexion am freien Bereich der Mantelfläche 6 durch die Austrittsfläche 5 in den Lichtverteilungsbereich gelenkt, wo sie wegen der stärkeren Ablenkung zur Aufhellung der Randbereiche oder des Nahbereichs beitragen. Neigung und Krümmung, oder auch optische Oberflächenstrukturen, sowie auch eine kompliziertere Gestaltung der Mantelfläche 6 sind hierzu innerhalb sinnvoller geometrischer Grenzen frei wählbar.
Auch Sonnenstrahlen 11d können insbesonders bei seitlicher Einstrahlung zur totalreflektierenden Mantelfläche 6 gelangen. Jedoch müssen sie tendenziell nach unten reflektiert werden, um anschließend auf der Absorptionsfläche 9 absorbiert zu werden. Das ist zumindest dann gewährleistet, wenn die Mantelfläche 6 nur im oberen Bereich total reflektiert.
Weiters ist eine Positionier- und Befestigungsmöglichkeit der Platine 1 in Fig. 3 dargestellt. Das Gehäuse 12 weist im unteren Bereich eine Bohrung 18 auf, womit die Platine 1 über ein Positionsloch 19 und Schraube 20 positioniert und gehalten wird.
Wegen der breiten Lichtabstrahlung der SMD-LED ist dieses Optikelement kürzer und damit konischer gestaltet als in Fig. 2. Hierbei kann es notwendig sein, die Absorptionsfläche 9 so weit zur optischen Achse des Linsenelementes 3 hochzuziehen, dass bereits ein Teil des LED-Lichts abgeschattet wird. Es handelt sich dabei jedoch um Randlichtstrahlen, welche ohnehin nur beschränkt nutzbar sind, da sie nach optischen Gesetzmäßigkeiten vor allem in den oberen Dunkelbereich gelangen würden. Im Querschnitt A-A erkennt man, dass die Absorptionsfläche 9 durch Abflachen des unteren Bereiches des an sich kegelförmigen Linsenelementes 3 entstanden ist. Sie erstreckt sich aber auch noch ein Stück seitlich bis etwa zur Mitte hinauf. Der flache Bereich der Absorptionsfläche 9 erstreckt sich bis zur Lichteintrittsfläche 4, wo er eine horizontale Kante 21 bildet. Die Lage dieser Anschlusskante 21 bezüglich der optischen Achse ist ein wesentliches Bestimmungsmerkmal für die Größe des Einfallswinkels S der Sonnenstrahlen. Position und Gestalt der Absorptionsfläche 9 im übrigen Bereich der Mantelfläche 6 sind von untergeordneter Bedeutung. Jedoch kann eine Abflachung hilfreich bei der Orientierung der Optikelemente in den Einbaulöchern 17 oder auch bei der Herstellung der Bauteile sein. Insbesonders kann an der abgeflachten Zone der Anguss des Linsenelementes 3 oder auch des Gehäuses 12 erfolgen.
Die totalreflektierende Zone der Mantelfläche 6 soll naturgemäß möglichst groß sein, um möglichst viel Licht zu nutzen, andererseits muss die Absorptionsfläche 9 überall dort vorhanden sein, wo Sonnenstrahlen 11 an der Mantelfläche 6 absorbiert werden müssen. Genauere Bestimmungen können über Lichtstrahlverfolgung in einer Computersimulation erfolgen.
Fig. 4 zeigt eine Auswahl an Einbaulöchem in der Matrixplatte mit unterschiedlichen Eigenschaften. Ein kreisförmiges Loch a erlaubt jede Orientierung des Optikelementes. Entweder muss es kreissymmetrisch aufgebaut sein oder seine Orientierung durch externe Maßnahmen erfolgen.
Das elliptische Loch b erlaubt eine Befestigung in zwei Orientierungen. Das ist bei entsprechender Symmetrie des Optikelementes, aber auch bei einer leichten Erkennbarkeit der Orientierung sinnvoll.
Eindeutige Orientierung wird durch ein abgeflachtes oder tropfenförmiges Loch c oder d erzielt. Der Umriss orientiert sich beispielsweise an einer abgeflachten Absorptionsfläche 9 oder dem Befestigungsloch 18 gemäß Fig. 3.
Wesentlich für dichtes Einpressen ist eine stetige Krümmung des Umrisses. Eckige Löcher erfordern Einkleben zur Befestigung und Abdichtung.
Fig. 5 zeigt eine Kombination von Optikelementen gleicher Gestaltung, die über eine Verbindungsfläche 22 in beliebiger Stückzahl, jedoch vorzugsweise regelmäßiger Anordnung zusammenhängen. Sie sind gemeinsam in die Matrixplatte 7 eingepresst oder eingeklebt. Jede Kombination weist zumindest einen Positionszapfen 23 auf, der durch ein passendes Positionsloch 19 der gemeinsamen Platine 1 ragt und diese mittels handelsüblicher Befestigungselemente, wie etwa der dargestellten Sicherungsscheibe 24 hält. Die Vorderseite der Verbindungsfläche 22 ist wie die Gehäuse 12 schwarz und weist eine maximal Licht absorbierende Struktur 25 auf. Hierdurch benötigt die Matrixplatte 7 keine Oberflächenbeschichtung.
Fig. 6 zeigt eine Kombination von Optikelementen durch bauliche Vereinigung der Gehäuse 12. Ein solcher auch ohne Matrixplatte in sich steifer Modul besitzt üblicherweise an seinen Kanten Verbindungsmittel wie beispielsweise das dargestellte Nut- und Federsystem 26, um durch Aneinanderreihen in bekannter Weise beliebig große Anzeigetafeln bilden zu können. Ein weiterer Vorteil besteht im wesentlich geringeren Abstand der Linsenelemente zueinander gegenüber der Ausführung in Fig. 3 oder 5. Die gemeinsame Platine 1 wird hier mittels mindestens einem Schnapphaken 16 pro Modul gehalten und mittels Positionszapfen 23 und Positionslöchern 19 positioniert. Auch hier weist die schwarze Vorderseite des Gehäuseblocks eine maximal Licht absorbierende Struktur 25 auf.
Die Anwendung der derzeitigen Verkehrsnormen erfordert einen Sonnenwinkel von 10 Grad über dem Horizont. Aber selbstverständlich kann auch ein noch niedrigerer Sonnenstand als besonderes Sicherheitsmerkmal angenommen werden. Die praktische Ausgestaltung der Linsenelemente bedeutet unter dieser Randbedingung, dass deren Länge erheblich größer als der Durchmesser der Austrittsfläche anzunehmen ist. Hohe Lichtintensität und hoher Wirkungsgrad erfordern auch immer die unmittelbare Anordnung der Lichtquelle hinter der Lichteintrittsfläche.
Für allgemeine Anzeigen ohne besondere Sicherheitsanforderungen, wie etwa Bahnsteiganzeigen kann aber auch ein größerer Einfallwinkel der Sonnenstrahlen gewählt werden. Hierdurch können die Optiken und Anzeigen allgemein kleiner ausgeführt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Lichtquelle 2 aus mehreren EinzelLichtquellen bestehen, welche gemeinsam hinter einem Linsenelement 3 angeordnet sind. Es kann sogar für jede Einzellichtquelle eine eigens gestaltete Lichteintrittsfläche vorhanden sein. Das erlaubt eine effektive Erzielung auch sehr spezieller Lichtverteilungen, eine höhere Lichtmenge pro Optikelement oder Sicherheit bei Ausfall einer LED. Insbesonders ist hierdurch die Abstrahlung unterschiedlicher Farben mit nur einem Optikelement möglich, was die Kosten senkt oder eine höhere Bildauflösung erlaubt. Durch spezielle Ausgestaltung des Linsenelementes 3 kann erreicht werden, dass die Farben dabei innerhalb eines eingeschränkten Beobachtungsbereichs annähernd gleiche Lichtverteilung aufweisen.
Je knapper die Lichtquellen beisammen sitzen, umso geringer können die Unterschiede in der Lichtverteilung gehalten werden. Deshalb gelangen auch handelsübliche Mehrfach-LED zum Einsatz, die insbesonders eine rote, grüne und blaue Einzellichtquelle baulich in sich vereinen und durch entsprechende Ansteuerung jeden Farbton abstrahlen können. Damit sind beliebige Bild- oder Video-Darstellungen in der Signalisationstechnik möglich.

Claims

Optikelement, das zumeist in einer beliebig angeordneten Vielzahl in im wesentlichen senkrecht angeordneten Frontflächen von Wechselverkehrszeichen zur Darstellung von Symbolen oder grafischen Informationen einsetzbar ist, bestehend aus zumindest einer ansteuerbaren Lichtquelle (2), zumeist einer LED, welche auf einer Platine (1) sitzen kann, einem Linsenelement (3) mit Lichteintrittsfläche (4), Mantelfläche (6) und Austrittsfläche (5) und vorzugsweise einem zumindest einen Teil der Mantelfläche (6) umgebenden Gehäuse (12), mit im wesentlichen horizontaler bis abwärts geneigter Lichtabstrahlung, wobei die Mantelfläche (6) eine maximal Licht schluckende Absorptionsfläche (9) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionsfläche (9) unmittelbar an die Lichteintritts- (4) und Austrittsfläche (5) des Linsenelementes (3) angrenzt, dass die Länge des Linsenelementes (3) größer als sein Durchmesser ist und dass die Krümmung der Austrittsfläche (5) an jedem Flächenpunkt so ausgebildet ist, dass im wesentlichen alle von der Lichtquelle (2) kommenden Lichtstrahlen (10) in einen Bereich unterhalb eines festgelegten Winkels S, kleiner oder gleich 10°, bezüglich der Horizontalen und im wesentlichen alle von außen mit einem Winkel größer oder gleich S bezüglich der Horizontalen einfallenden Lichtstrahlen (11) auf die Absorptionsfläche (9) gelenkt werden.
Optikelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Mantelfläche (6) als Absorptionsfläche (9) ausgebildet ist.
Optikelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nur der untere Bereich der Mantelfläche (6) als Absorptionsfläche (9) ausbildet ist.
Optikelement nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die nicht als Absorptionsfläche (9) ausgebildete Mantelfläche (6) fallenden Lichtstrahlen (10d) durch Totalreflexion zur Austrittsfläche (5) abgelenkt werden und im wesentlichen alle mit einem Winkel größer oder gleich einem festgelegten Winkel S, kleiner oder gleich 10°, bezüglich der Horizontalen auf die Austrittsfläche (5) einfallenden Lichtstrahlen (11, 11d) entweder direkt oder nach Totalreflexion an der Mantelfläche (6) auf die Absorptionsfläche (9) treffen.
Optikelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsfläche (4) unmittelbar vor der Lichtquelle (2) angeordnet ist und durch eine Krümmung das Licht der Lichtquelle (2) vorbündelt oder vorverteilt.
Optikelement nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionsfläche (9) durch partielles Schwarz-Beschichten oder durch Ablackieren des Linsenteiles (3) gebildet wird.
Optikelement nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionsfläche (9) durch Aufspritzen oder Aufschmelzen eines schwarzen Kunststoffes auf das Linsenteil (3) gebildet wird.
Optikelement nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusskante (21) der Absorptionsfläche (9) an die Lichteintrittsfläche (4) horizontal verläuft.
Optikelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der aufgespritzte oder aufgeschmolzene schwarze Kunststoff in weiterer Ausgestaltung einstückig ein im wesentlichen die Mantelfläche (6) des Linsenteiles (3) unmittelbar umhüllendes Gehäuse (12) ausbildet.
Optikelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Gehäuses (12) wesentlich zäher, elastischer und nachgiebiger als der des Linsenelementes (3) ist.
Optikelement nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenmantel des Gehäuses (12) runden, ovalen, eiförmigen oder einen anderen kontinuierlich gekrümmten Querschnitt aufweist und das Einbauloch (17) dem Querschnitt angepasst ist.
Optikelement nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es in einem Einbauloch (17) einer vorzugsweise ebenen Matrixplatte (7) mit einer Vielzahl von weiteren, vorzugsweise gleichartigen und gleich orientierten Einbaulöchern (17) dicht eingesetzt ist.
Optikelement nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) an seinem Außenumfang in unmittelbarer Nähe der Austrittsfläche (5) einen Flansch (13) als Anschlag und in Richtung der Lichteintrittsfläche (4) anschließend rundumlaufende Rippen (14) mit geringem Übermaß gegenüber dem Einbauloch (17) aufweist.
Optikelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Einpressen der Flansch (13) auf der Vorderseite der Matrixplatte (7) anliegt und die rundumlaufenden Rippen (14) in an sich bekannter Weise das Optikelement durch elastisch-plastische Verformung festhalten, gegen Ausdrücken sichern und das Einbauloch (17) abdichten.
Optikelement nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) an der Hinterseite mindestens eine axiale Bohrung (18) zur Befestigung der Platine (1) mittels geeigneter Verbindungsmittel aufweist.
Optikelement nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) an der Hinterseite mindestens einen axialen Positionszapfen (23) aufweist, der die Platine (1) über ein passgenaues Positionsloch (19) positioniert und auch deren Befestigung mittels handelsüblicher Befestigungselemente (24) ermöglicht.
Optikelement nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) an der Hinterseite mindestens einen Schnapphaken (16) aufweist, der die Platine (1) festhält.
Optikelement nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse an der Hinterseite eine spielarme Aufnahme (15) für die Lichtquelle (2) und mindestens einen Schnapphaken (16) aufweist, der die Lichtquelle (2) positioniert und festhält.
Optikelement nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere diskrete Lichtquellen (2) hinter einem gemeinsamen Linsenelement (3) angeordnet sind und dieses entweder eine gemeinsame oder einzelne zugeordnete Lichteintrittsflächen (4) aufweist.
Optikelement nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) als eine bauliche Vereinigung mehrerer, vorzugsweise unterschiedliche Farben abstrahlender und einzeln ansteuerbarer Einzellichtquellen ausgeführt ist.
Optikelement nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Optikelemente durch Verbindungsflächen (22) im Bereich der Gehäuseflansche (13) zusammengefasst und gemeinsam in eine passende Lochgruppe der Matrixplatte (7) dicht eingepresst oder eingeklebt sind.
Optikelement nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Optikelemente durch einstückige Ausführung ihrer Gehäuse (12) eine stabile selbstragende Struktur ohne Matrixplatte bilden und mit bekannten Mitteln zu einer größeren Anzeigefläche kombiniert werden können.
Optikelement nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenflächen der Gehäuseflansche (13) und Verbindungsflächen (22) eine maximal lichtabsorbierende Struktur (25) und Farbe aufweisen.