WO2003027397A1 - Fahrbahn-markierungsleuchte in led-technik - Google Patents

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WO2003027397A1
WO2003027397A1 PCT/AT2002/000282 AT0200282W WO03027397A1 WO 2003027397 A1 WO2003027397 A1 WO 2003027397A1 AT 0200282 W AT0200282 W AT 0200282W WO 03027397 A1 WO03027397 A1 WO 03027397A1
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WO
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light
glass body
exit surface
entry
marker
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PCT/AT2002/000282
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English (en)
French (fr)
Inventor
Franz Silhengst
Alexander Otto
Original Assignee
Swarco Futurit Verkehrssignalsysteme Ges. Mbh
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01F—ADDITIONAL WORK, SUCH AS EQUIPPING ROADS OR THE CONSTRUCTION OF PLATFORMS, HELICOPTER LANDING STAGES, SIGNS, SNOW FENCES, OR THE LIKE
    • E01F9/00—Arrangement of road signs or traffic signals; Arrangements for enforcing caution
    • E01F9/50—Road surface markings; Kerbs or road edgings, specially adapted for alerting road users
    • E01F9/553—Low discrete bodies, e.g. marking blocks, studs or flexible vehicle-striking members
    • E01F9/559—Low discrete bodies, e.g. marking blocks, studs or flexible vehicle-striking members illuminated
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01F—ADDITIONAL WORK, SUCH AS EQUIPPING ROADS OR THE CONSTRUCTION OF PLATFORMS, HELICOPTER LANDING STAGES, SIGNS, SNOW FENCES, OR THE LIKE
    • E01F9/00—Arrangement of road signs or traffic signals; Arrangements for enforcing caution
    • E01F9/20—Use of light guides, e.g. fibre-optic devices

Definitions

  • Such lights have been known for a long time.
  • the use of commercially available LEDs in such luminaires led to fillings and performance parameters which have hitherto only permitted limited use.
  • the brightness values achieved are so insufficient that these luminaires have so far only proven themselves in tunnels or at night and in fog.
  • these lights are only suitable for supporting signaling of the lane boundaries or lanes, since they do not survive long rolling over by vehicles.
  • the effect of such marker lights is often supported by built-in reflective tape or reflectors.
  • Some versions are powered by built-in solar cells and rechargeable batteries, which saves a cable feed, but means a severe reduction in brightness.
  • Purely passive marker lights are also known which light up according to the reflector principle when they are illuminated by vehicle headlights.
  • Versions with reflective support or with self-sufficient power supply are predetermined in their function, there is no possibility for active control, for example by switching on or off.
  • Luminaires are also known which have the necessary stability for continuous rolling over by vehicles and a very high brightness for daytime visibility. They are therefore preferred for use on airstrips and are correspondingly large and expensive, they also have a conventional lamp that has to be replaced regularly and either have a relatively large protrusion above the level of the road or the light exit is in a recess, which preferably has its own drainage having.
  • Such lights are not particularly suitable for general use in road traffic because they can endanger some road users such as pedestrians or cyclists and also require special maintenance.
  • the installation in common road surfaces is also associated with considerable effort, since very large and deep recesses and slots for connecting cables affect the road structure quite strongly. Attempts have recently been made to create a standard for marking lights in road traffic.
  • a certain mechanical Stability and a certain light distribution set A very high light value is required in the longitudinal direction of the carriageway in a narrow angular range directly above the road surface, which may gradually decrease to a small value laterally up to a certain angle.
  • the brightness should decrease faster upwards and above a defined angle the light intensity must not exceed a certain absolute light value.
  • a maintenance-free marker light in LED technology is therefore required, which has a very high axial light intensity and light distribution according to current specifications, but at the same time is as small and inexpensive as possible and protrudes as little as possible from the road surface.
  • the luminaire must be designed with maximum wear protection and snow plow-proof. Incoming extraneous light should not lead to annoying lighting, but the luminaire should be able to have retroreflective properties for use in hazardous areas. Installation should be possible with little effort and without significant intervention in the pavement. The smallest possible, low light emission window meets almost all optical-geometric requirements.
  • the size and shape of the LED lens domes are made so small that the prescribed light distribution is essentially solely due to the relative size ratio to the LED chip resulting divergence of the entire light bundle and scattered light components of the LED light source is generated.
  • the lens domes direct the divergent light passing through at every point of their surface against a vitreous body in such a way that after refraction at the entrance surface and passage through the vitreous body it hits the exit surface completely or with the greatest possible proportion of light.
  • Entry and exit surfaces of the vitreous body and the cross-section located between them are essentially of such a height as the optically effective diameter of the lens domes, the entrance surface directly adjoins the lens domes and the ratio of the height of the entrance or exit surface to the length of the beam path in the vitreous body is less than or equal to the radian of the divergence angle of the light beam that prevails in the vitreous.
  • a special design of the LED lens dome and glass body allows, compared to a simple flat glass pane, a substantial reduction in the height of the exit surface with undiminished light transmission, as well as a structurally and weather-favorable arrangement of the light sources inside the marker lamp.
  • LEDs with lenses have no design options for the optics and are relatively large. They are therefore generally not suitable. So-called high-performance chip LEDs without optics are therefore provided, which are then provided with specially matched lens domes. As the smallest LED designs, chip LEDs can also be arranged very closely together, so that by adding the lighting effect, a higher light density can be achieved than with conventional designs. The lens caps placed in front should therefore also allow an arrangement with maximum packing density.
  • chip-on-board is also suitable, where LED chips are glued, wired and encapsulated directly on printed circuit boards and are provided with the special lens tips in the casting mold.
  • FIG. 1 shows a vertical section through the invention
  • FIG. 2 shows the schematic beam path in vertical section
  • FIG. 2a shows a poorer version in comparison
  • FIGS. 5a, 5b and 5c 6 the invention in vertical section with exposure to extraneous light
  • FIG. 7, a variant of the invention as a reflector in vertical section
  • FIG. 8, a further variant of the invention in vertical section.
  • Fig. 1 shows a vertical section through the invention.
  • On a somewhat inclined circuit board 1 which contains the power supply, at least one chip LED 2 with a built-in LED chip 3 is attached. This emits light in all directions, but mainly in the axial direction.
  • a lens dome 4 is attached to the chip LED 2 and directs the light onto the immediately adjacent entry surface 5 of an obliquely arranged glass body 6.
  • the light is passed on obliquely upwards and emerges from the glass body 6 at the exit surface 7.
  • the exit surface 7 essentially forms an angle W with the roadway 8, which is approximately 45 degrees on average and has a slight convex curvature.
  • the inclination of the glass body 6 is chosen such that the beam path is deflected just above the roadway 8 when it passes through the exit surface 7, where it produces the desired light distribution.
  • the arrangement is surrounded by a housing 9 which is built into the carriageway 8 to such an extent that the lower edge of the exit surface 7 is flush with the carriageway 8.
  • the housing 9 has, in a known manner, ramps 13 projecting directly next to the exit surface 7 to protect the exit surface from damage by snow plows.
  • the glass body is positioned by means of an adhesive 10 and cast in a weatherproof manner.
  • the lamp is powered by a cable 11.
  • the LED chip 3 In the case of a very small lens dome 4, the LED chip 3 must not be regarded as a punctiform light source; a correspondingly large divergence of the light rays already arises here. If the lens dome 4 were designed as imaging optics, a projection image of the LED chip 3 of the appropriate size would result in accordance with known optical laws. With the most complete use possible of all the light rays emitted by the LED chip 3 via the solid angle and the scattered light produced by the surrounding LED surfaces, and slight deviations from the imaging geometry, however, only a blurred light spot with a bright center of a similar size is produced.
  • This blurred representation is particularly interesting here. It can be matched quite well with the required light distribution of a marker lamp, which can be viewed as a horizontally oriented section of a rotationally symmetrical light distribution in the form of a bell curve, if the size the lens dome 4 is in the appropriate ratio to the size of the LED chip. Then no additional scattering or collecting effect has to be provided and a very small lens tip 4 with high effectiveness is obtained. Subsequently, one only needs an essentially uninfluenced passage of light through an exit window without any particular optical effect. However, in order to further minimize the height of the exit window and to achieve lighting properties described later, it is advisable to provide a certain optic which also has an effect on the design of the lens tip 4. Fig.
  • the LED chip 3 has the width B and emits light in all directions.
  • An arbitrary point P of the attached lens dome 4 receives rays from the entire area B of the chip 3, which include a divergence angle D1. Border light rays form the angle D2 in the space between the lens tip 4 and the entry surface 5 of the glass body 6 according to optical laws and in the glass body 6 the angle D3.
  • the design of the lens dome 4 and the entry surface 5 is now carried out in such a way that all light rays within the angle D3 reach the exit surface 7.
  • the entry surface 5 is initially expediently assumed to be a plane and the lens dome inclination is suitably defined in each point P.
  • the thickness and length of the glass body 6, the divergence angle D3 and the size of the lens tip 4 are in a geometrical relationship.
  • the thickness of the glass body 6 is approximately the diameter of the lens tip 4, the length of the glass body 6 is dimensioned such that the divergence D3 does not become greater than the height of the exit surface 7. If the same design considerations are made for all points P 2, a bundle of rays results which, in spite of diverging light rays, can pass completely through the exit window 7, even if the glass body 6 is not thicker than the lens tip 4 itself.
  • a suitable curvature of the exit surface 7 can therefore align the emerging divergent light beams in a coherent manner and a very good overall bundling can be obtained in this way.
  • the curvature is determined according to known optical laws, in that the focal point F comes to lie in the middle of the entry surface 5. In other words: a bundle of light rays passing through any point of the entry surface 5, such as F, is directed parallel to the exit surface 7.
  • FIG. 2a shows, for comparison, the conditions in a glass body 6a with a flat entry and exit surface 5a and 7a, such as, for example, in known marker lights with a glass prism inserted.
  • the lens dome 4a must align the light bundles passing through any points on the surface in parallel. This task corresponds to that of an imaging optic and produces an unfavorable, sharper image of the LED chip 3. It can also be seen that the glass body 6a at the exit surface 7a is about twice as high as before in order to let the light pass through undiminished essentially only the same divergence angle D4 can be achieved. This also shows that the curvature of the exit surface 7 and the low height of the glass body 6 in FIG. 2 have hardly any influence on the light distribution that can be achieved; there are only slight differences in the way in which the lens tips 4 are bundled.
  • Fig. 3 shows in vertical section that the glass body 6 have any shape while maintaining the entry and exit surfaces 5 and 7 and over the entire Arrangement can extend so that glass body 6 and housing 9 together form a single, transparent, tight, extremely scratch and wear-resistant component 6 + 9.
  • the lateral surfaces 15 can be made mirror-like. This can be done by mirroring, but it can also reflect an exposed glass body 6 by total reflection on the lateral surfaces 15.
  • the lateral surfaces 15 can be made light-absorbing. In this way, scattered light, but also external light incident from outside, can be destroyed. This is advantageous if certain areas of the light distribution are to be kept as dark as possible, so as not to impair the surroundings by stray light, but also to achieve the lowest possible retroreflective behavior of the luminaire. Such behavior can be achieved in practice if the glass body 6 is fastened in the housing 9 with a black adhesive 10. Here, the outer surfaces of the glass body 6 can also be rough, which promotes the adhesion of the adhesive 10.
  • Fig. 4 shows an embodiment in vertical section.
  • the lateral surfaces are then either partially mirrored, or a protective cover 12 prevents adhesive 10 from reaching this area of the lateral surface and also into the air space around the lens tips 4.
  • the other areas are wetted by the adhesive 10 and absorb any light incident thereon.
  • 5a shows a horizontal section through the arrangement.
  • the glass body 6 is preferably arranged exactly in the direction of radiation and therefore there is no bending of the beam path at the exit surface 7.
  • any number of units can be used side by side in the horizontal direction until the lamp reaches its maximum width or the amount of light emitted is sufficient.
  • These may well be individually arranged, similar glass bodies 6i, each with a chip LED 2 behind it with lens dome 4, which guides the light onto the exit surfaces 7i. For manufacturing and cost reasons, however, the question arises whether it is not possible to find sufficiency with a single glass body 6.
  • Fig. 5b shows a Glaskö ⁇ er in horizontal section, which has been created by moving the individual arrangements together.
  • significantly more chip LED 2 can be accommodated in the same space, which means that more light is possible with the same space requirement.
  • the difficulty lies in the production of the optical structure at least on the exit surface 7. This can be compression-molded and flame-polished, for example. In this way, however, no sharp edges can be produced, which is why the exit surface 7 would have to be enlarged by the edge radii.
  • 5c shows an alternative embodiment in horizontal section.
  • the glass body 6 now only has a cylindrical or flat entry and exit surface 5, 7. These surfaces can be mechanically polished with simple tools, the edges of the glass body 6 being retained.
  • a broad, shared light channel is formed horizontally, which makes the horizontal focusing of the light on a narrow light outlet superfluous, the light can pass straight through like a flat pane.
  • the required horizontal light distribution can therefore be designed directly through the geometry of the lens domes 4, the light passes through the area of the neighboring units when passing through the glass body 6.
  • Such an embodiment therefore usually has lens domes 4 with a non-round, elliptical shape or so-called free-form surfaces.
  • the Glasgro ⁇ er 6 is a bit wider than the lens top arrangement to use edge rays.
  • a parallel arrangement of the same optical components leads to an addition of the brightness values with unchanged light distribution.
  • any other arrangement in particular a circular or circular arc, is also possible. This allows, for example, warning lights to be designed with all-round light, but also lights with multiple radiation directions, in particular 180 degrees opposite.
  • a switchable marker light An important design criterion for a switchable marker light is the retroreflective behavior. It should be as unrecognizable as possible in the switched-off state, so as not to provoke any incorrect information by the road user.
  • the sun must not generate reflections or even false signal light during the day, which is generally referred to as phantom light, and on the other hand, the headlights of the motor vehicles must also not cause any reflected light in the marker lamp at night.
  • the direction of observation is mainly in the longitudinal axis of the lights, from 0 degrees to a few degrees diagonally from above, i.e. the area from which the majority of the lights and the course of the road are seen by the vehicle driver.
  • FIG. 6 shows the facts again in vertical section.
  • incident sunlight S can only be reflected as Sa in the direction of observation if the sun is perpendicular to the marker lamp. This is not possible at all in most highly developed countries, in the area of the equator only for a short period of noon.
  • the curvature of the exit surface 7 prevents extreme lighting up by scattering the reflected portion of the sunlight, so that the reflection still shows the switching state of the lights.
  • Sunlight Sb penetrating into the lamp falls directly on the lateral surfaces 15 and is absorbed.
  • the entrance surface 5 is not reached and cannot generate any reflections, as are all the optically active parts behind it. Even sunlight during the day can only penetrate a little into the glass body 6 and then falls onto the outer surface 15, where it is absorbed.
  • the majority of the incident light enters the lens domes 4 from the entry surface 5 and partially falls on the LED chips 3 as Ld. Depending on their properties or the internal structure of the chip LED 2, the light then becomes a proportion accurate thrown back in the direction of observation.
  • Lenticular dome 4 or glass body 6 can be transparently colored to match the emitted light color, so that only the useful light color is largely let through unhindered. Incident light from the outside is largely absorbed, only the color components corresponding to the filter color are let through. A further improvement can be achieved by filtering the useful light color itself. The useful light only has to overcome this obstacle once, but penetrating extraneous light twice when reflected and is therefore weakened more. An anti-reflective coating that is evaporated onto the entry surface also reduces its reflections. Of course, an additional filter disk can also be provided in the beam path instead of the coloring. For luminaire versions with one-piece glass cover 6 + 9, there are no immediate outer surfaces. The light is therefore transmitted through total reflection on the walls inside the glass cover until it emerges or is absorbed undifferentiated at suitable other locations. In any case, it cannot leave the lamp directly in the direction of observation.
  • the retro reflection can be improved for certain lights, which should always be recognizable, for example, for the identification of danger spots.
  • the incident light rays have to be reflected in such a way that they can exit the exit surface 7 as completely as possible.
  • a known principle can be used for this.
  • the exit surface 7 again has a curvature, the focal point F of which lies in the middle of the entry surface 5, the entry surface a radius R, the center M of which lies in the middle of the exit surface.
  • Fig. 7 shows the principle in vertical section.
  • this design can also be used horizontally according to FIG. 5a or 5b and in any other direction.
  • the effect of the surface reflection of the entrance surface 5 is increased according to optical laws by using a glass with a high refractive index.
  • a significant reinforcement can be achieved by mirroring. With complete mirroring, fluoroscopy is no longer possible and you get a pure reflector in the same design as a lamp.
  • the non-mirrored part of the entrance surface 5 can be illuminated.
  • a semi-transparent mirroring of the entire entrance surface 5 is also possible.
  • a selective mirror layer can also be evaporated, a luminaire with a retroreflective effect in the complementary color is obtained. There is a wide range of possible combinations here.
  • the glass body 6 can be made thinner than the diameter of the lens tips 4 in order to achieve an even closer vertical light bundling or a smaller overall height.
  • the light from the upper and lower edge areas of the lens tips is lost and the vertical light distribution becomes lower, but the horizontal light distribution is retained.
  • a similar effect with an undiminished overall height can be achieved if the glass body is extended.
  • the most divergent portion of the useful light already reaches the lateral surfaces 15 and is absorbed.
  • the exit surface 7 then acts together with the surrounding absorbent jacket surfaces like a light-limiting diaphragm.
  • An essential embodiment of the invention relates to the installation of a deflecting mirror in the form of a generally known deflecting prism in the glass body.
  • the light channel and the luminous flux can be bent at any point at any angle without changing the functional principle, the design of entry and exit surfaces or the lighting behavior.
  • a preferred embodiment is shown in FIG. 8.
  • the mirrored deflection surface 14 is located directly behind the exit surface 7, which is essentially vertical here and is preferably slightly inclined, the chip LED 2 and lens domes 4 radiate upwards.
  • the deflection angle is selected such that a lateral surface 15 of the glass body 6 connects tangentially to the exit surface 7, so that the glass body can be made of plane glass again despite the deflection surface 14.
  • the chip LED 2 and lens domes 4 are in a favorable position in terms of assembly, the housing 9 is much more solid and can be manufactured with almost all non-cutting manufacturing methods, because the recess for the glass body 6 is easy to demold.
  • the glass body 6 can also be glued in easily.
  • the housing forms a solid canopy for the pointed upper glass body edge.
  • the slightly inclined position means that any light beam arriving and reflected from any angle is directed towards the road and is absorbed there.
  • the version is therefore particularly suitable for equatorial countries. Because no snow removal is required there, the slightly downward inclined position of the exit surface 7 does not cause any problems in this regard either.
  • the invention can in principle be scaled up or down. Of particular interest is the use of large, high-performance LED chips using chip-on-board technology. The glass body dimensions, the luminaire diameter and the protrusion above the roadway level are increased to scale, however the brightness increases with the square of the underlying scale. Instead of large high-performance chips, two or more rows of small chip LEDs with lens domes can also be arranged one above the other. The same rules as explained above apply to the design of the individual lens tips as well as the entry and exit surfaces.
  • Such lights can already generate considerable brightness with a relatively small projection, which is why it can be used in special danger spots on the carriageway or on runways.

Abstract

Es wird eine ein- und ausschaltbare Markierungsleuchte mit Leuchtdioden zum Einbau in die Fahrbahn vorgestellt, welche einen besonders niedrigen Überstand bei gleichzeitig hoher Axiallichtstärke aufweist. Hierbei wird das Licht von Chip-LED (2) durch vorgesetzte Linsenkuppen (4) in einen unmittelbar vorgesetzten Glaskörper (6) gebündelt. Die Linsenkuppen (4) sind so klein dimensioniert, dass die durch die LED-Chip-Grösse bedingte Divergenz des Lichtbündels zusammen mit Streulichtanteilen bereits unmittelbar die benötigte Lichtverteilung erzeugt. Der Glaskörper (6) flührt das Licht aus dem geschützten Inneren der Leuchte schrag nach oben, wo es aus einer etwa 45 Grad geneigten Austrittsfläche (7) gebündelt nahezu horizontal austritt. Ein- und Austrittsfläche (5 und 7) des Glaskörpers (6) haben eine dem Durchmesser der Linsenkuppen (4) entsprechende Höhe, die Länge des Glaskörpers (6) entspricht dem Divergenzwinkel des Lichtbündels. Die Austrittsfläche (7) weist eine Krümmung auf, deren Brennpunkt im Bereich der Eintrittsfläche (5) liegt. Die Anordnung wird von einem Gehäuse (9) geschützt, in welches der Glaskorper (6) mit einem lichtabsorbierenden Klebstoff (10) dicht eingeklebt ist.

Description

Fahrbahn-Markierungsleuchte in LED-Technik.
Solche Leuchten sind schon länger bekannt. Die Verwendung handelsüblicher LED in solchen Leuchten führte jedoch zu Ausfül rungen und Leistungsparametern, welche bisher nur eine eingeschränkte Verwendung zugelassen haben. Einerseits sind die erzielten Helligkeitswerte so ungenügend, dass sich diese Leuchten bisher nur in Tunnels oder bei Nacht und Nebel bewähren. Andererseits sind diese Leuchten nur zur unterstützenden Signalisierung der Fahrbahnbegrenzungen oder Fahrspuren geeignet, da sie andauerndes Überrollen durch Fahrzeuge nicht lange überstehen. Die Wirkung solcher Markierungsleuchten wird oft durch eingebaute Reflexfolien oder Rückstrahler unterstützt. Manche Ausfuhrungen werden durch eingebaute Sonnenzellen und Akkus gespeist, was zwar eine Kabelzuführung erspart, aber eine starke Einschränkung der Helligkeit bedeutet. Es sind auch rein passive Markierungsleuchten bekannt, welche nach dem Rückstrahlerprinzip aufleuchten, wenn sie von Fahrzeugscheinwerfern angestrahlt werden.
Ausfuhrungen mit reflektierender Unterstützung oder mit autarker Stromversorgung sind in ihrer Funktion vorbestimmt, es besteht keine Möglichkeit zur aktiven Steuerung etwa durch Ein- oder Ausschalten.
Weiters sind Leuchten bekannt, welche die notwendige Stabilität für andauerndes Überrollen durch Fahrzeuge und eine sehr große Helligkeit für Tagessichtbarkeit aufweisen. Sie werden deshalb bevorzugt auf Flugpisten eingesetzt und sind entsprechend groß und teuer, sie besitzen auch eine herkömmliche Lampe, welche regelmäßig ausgewechselt werden muss und haben entweder einen relativ großen Überstand über das Fahrbahnniveau oder der Lichtaustritt befindet sich in einer Vertiefung, welche vorzugsweise eine eigene Entwässerung aufweist. Solche Leuchten sind für einen allgemeinen Einsatz im Straßenverkehr nicht besonders geeignet, da sie manche Straßenbenützer wie Fußgänger oder Radfahrer gefährden können und auch einer besonderen Wartung bedürfen. Der Einbau in gebräuchliche Straßendecken ist auch mit erheblichem Aufwand verbunden, indem sehr große und tiefe Ausnehmungen und Schlitze für Verbindungskabel das Fahrbahngefüge ziemlich stark beeinträchtigen. In letzter Zeit wurde versucht, einen Standard für Markierungsleuchten im Straßenverkehr zu schaffen. Hierbei wurde unter anderem eine bestimmte mechanische Stabilität und eine bestimmte Lichtverteilung festgelegt. Es wird in Längsrichtung der Fahrbahn in einem engen Winkelbereich unmittelbar über der Straßenoberfläche ein sehr hoher Lichtwert verlangt, der seitlich bis zu einem bestimmten Winkel allmählich auf einen geringen Wert abfallen darf. Nach oben soll die Helligkeit rascher abnehmen und oberhalb eines festgelegten Winkels darf die Lichtstärke einen bestimmten absoluten Lichtwert nicht überschreiten.
Bisher konnten nur mittels über Kopf angebrachten Fahrspursignalen einzelne Fahrspuren gesperrt oder umgeleitet werden. In letzter Zeit werden Wünsche laut, Fahrbahnen von Hochleistungsstraßen je nach Verkehrsdichte beispielsweise von drei auf vier Fahrspuren je Richtung umzuschalten, um die Straßenkapazität in der Stoßzeit zu erhöhen. Das soll mittels Reihen von Markierungsleuchten in der Fahrbahn visuell unterstützt werden, weil herkömmliche Straßenmarkierungslinien hierfür nicht sinnvoll einsetzbar sind. Hierdurch werden wesentlich höhere und völlig andere Anforderungen an solche Markierungsleuchten gestellt. Dieser Einsatz erfordert mehrere Leuchtenreihen in Längsrichtung der Fahrbahn, wobei aktuelle Fahrspuren abgrenzende Reihen eingeschaltet, die anderen Reihen ausgeschaltet sind. Es muss unbedingt Tagessichtbarkeit unter allen Wetterbedingungen vorliegen, die Leuchten müssen auch höchst ausfallsicher sein. Andererseits soll eine ausgeschaltete Leuchtenreihe für den Fahrer praktisch nicht wahrnehmbar sein. Hierdurch wird nicht nur eine Unterstützung der Leuchtenwirkung durch Reflexfolien oder andere Rückstrahleinrichtungen ausgeschlossen, es werden auch besondere Maßnahmen gegen das Aufleuchten der Leuchten durch Sonneneinwirkung oder nächtliches Anleuchten durch Fahrzeugscheinwerfer notwendig. Zudem ist klar, dass eine ausgeschaltete Leuchtenreihe mitten in einer aktivierten Fahrspur liegt und vom gesamten, dichten Verkehr permanent überrollt wird, was einerseits höchste Anforderungen an den Verschleißschutz stellt, andererseits die Leuchten so gering wie nur möglich aus der Fahrbahn hervorragen dürfen. Natürlich werden auch höchste Anforderungen an die Ausfallsicherheit dieser Leuchten gestellt, es ist unvorstellbar, bei einer solchen Menge an Leuchten bei aufrechtem, dichten Verkehr jährlich Glühlampen auswechseln zu müssen, die Lebensdauer sollte möglichst jener der Fahrbahndecke entsprechen. Daneben gibt es noch Anforderungen an die Beschaltung der Leuchten wie z.B. mehrere Schaltkreise zur Ausfallsicherheit, elektrische Funktionsüberwachung und gedimmter Betrieb in der Nacht. Es wird also eine wartungsfreie Markierungsleuchte in LED-Technik gefordert, welche eine sehr hohe Axiallichtstärke und Lichtverteilung nach aktuellen Vorgaben aufweist, gleichzeitig aber möglichst klein und kostengünstig ausgeführt ist und aus der Fahrbahn-decke geringstmöglich herausragt. Die Leuchte ist mit maximalem Verschleißschutz und schneepflugsicher auszuführen. Eindringendes Fremdlicht soll zu keinem störenden Aufleuchten fuhren, die Leuchte soll aber für die Verwendung bei Gefahrenstellen rückstrahlende Eigenschaften haben können. Der Einbau soll mit geringem Aufwand und ohne wesentlichen Eingriff in die Fahrbahndecke möglich sein. Ein möglichst kleines, niedriges Lichtaustrittsfenster wird nahezu allen optisch- geometrischen Anforderungen gerecht. Es ist Voraussetzung für eine geringe Baugröße, insbesonders aber auch für ein minimales Herausragen aus der Fahrbahn. Weiters erhöht sich die Leuchtdichte des abgestrahlten Lichtes, wodurch die Tagessichtbarkeit gesteigert wird. Und schließlich lässt ein kleines Fenster entsprechend wenig Fremdlicht ins optische System, was Rückstrahlwerte a priori verringert. Eine weitere geometrische Problematik besteht darin, dass über dem Austrittsfenster möglichst wenig Material angeordnet sein soll, um die Bauhöhe der Leuchte gering zu halten. Dabei sind LED und Ansteuerungselektronik im Inneren der Leuchte gut geschützt angeordnet, das Licht muss daher in der Leuchte eine bestimmte Strecke bis zum Austrittsfenster geleitet werden. Die lichttechnische Problematik besteht hauptsächlich darin, eine hohe Lichtmenge durch ein derart kleines Fenster in hoher Bündelung und in der erforderlichen Verteilung durchzubringen. Licht kann zwar sehr einfach auf einen engen Lichtdurchtritt, zumeist als Blende oder Fokus bezeichnet, gebündelt werden, jedoch divergiert es dahinter sofort wieder. Eine gebündelte Abstrahlung in die Ferne ist nur erzielbar, wenn in einem Abstand hinter dem Lichtdurchtritt eine Sammellinse angeordnet wird, welche das divergierende Licht wieder parallel richtet. Das ist jedoch hier nicht möglich, weil das Austrittsfenster selbst bereits das Ende des optischen Systems darstellt. Es war also eine besondere Form eines lichttechnischen Systems mit LED-Lichtquellen zu entwickeln, welche das Licht aus dem Leuchteninneren bis zu einem möglichst kleinen Lichtaustrittsfenster leitet und das austretende Licht im hohen Maß bündelt. Das wird erfindungsnach dadurch gelöst, dass die Größe und Form der LED- Linsenkuppen so klein ausgeführt sind, dass die vorgeschriebene Lichtverteilung im wesentlichen alleine durch die vom relativen Größenverhältnis zum LED-Chip herrührende Divergenz des gesamten Lichtbündels sowie Streulichtanteilen der LED- Lichtquelle erzeugt wird. Die Linsenkuppen lenken das in jedem Punkt ihrer Oberfläche durchtretende divergente Licht so gegen einen Glaskörper, dass es nach Brechung an der Eintrittsfläche und Durchgang durch den Glaskörper vollständig oder mit einem größtmöglichen Lichtanteil auf dessen Austrittsfläche trifft. Ein- und Austrittsflächen des Glaskörpers sowie der dazwischen befindliche Querschnitt weisen im wesentlichen eine solche Höhe wie der optisch wirksame Durchmesser der Linsenkuppen auf, die Eintrittsfläche schließt unmittelbar an die Linsenkuppen an und das Verhältnis von Höhe der Ein- oder Austrittsfläche zur Länge des Strahlenganges im Glaskörper ist kleiner oder gleich dem Bogenmaß des im Glaskörper vorherrschenden Divergenzwinkels der Lichtbündel.
Es sind also möglichst kleine LED mit dem bereits fertigen Lichtbündel erforderlich, welche den vorgesetzten Glaskörper nur mehr ähnlich einem dicken Fensterglas durchleuchten. Dieser besitzt dann hauptsächlich nur mehr eine Schutzfunktion gegen Witterung und Verschleiß.
Eine spezielle Ausgestaltung von LED-Linsenkuppe und Glaskörper erlaubt jedoch gegenüber einer simplen Planglasscheibe eine wesentliche Reduktion der Höhe der Austrittsfläche bei unvermindertem Lichtdurchgang, sowie eine statisch und witterungstechnisch günstige Anordnung der Lichtquellen im Inneren der Markierungsleuchte.
Handelsübliche LED mit Linse haben keine Gestaltungsmöglichkeit der Optik und sind relativ groß. Sie sind daher in der Regel nicht geeignet. Es werden daher sogenannte Hochleistungs-Chip-LED ohne Optik vorgesehen, welche dann mit speziell abgestimmten Linsenkuppen versehen werden. Chip-LED können als kleinste LED- Bauformen auch besonders eng aneinander gereiht werden, sodass durch Addition der Lichtwirkung eine höhere Lichtdichte erzielbar ist als mit konventionellen Bauformen. Die vorgesetzten Linsenkuppen sollten daher auch eine Anordnung mit maximaler Packungsdichte erlauben. Ebenso geeignet ist die sogenannte „Chip-on-board" Technik, wo LED-Chips direkt auf Leiterplatten geklebt, verdrahtet und vergossen und noch in der Gießform mit den speziellen Linsenkuppen versehen werden.
Linsengestaltung und Aufbau der Erfindung werden nun anhand der Fig. 1 bis 8 erläutert. Es zeigt Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch die Erfindung, Fig. 2 den schematischen Strahlengang im Vertikalschnitt, Fig. 2a eine schlechtere Ausführung im Vergleich, Fig. 3 und 4 Varianten der Erfindung im Vertikalschnitt, Fig. 5a, 5b und 5c Varianten der Erfindung im Horizontalsclmitt, Fig. 6 die Erfindung im Vertikalschnitt bei Fremdlichteinwirkung, Fig. 7 eine Variante der Erfindung als Rückstrahler im Vertikalschnitt und Fig. 8 eine weitere Variante der Erfindung im Vertikalschnitt. Fig. 1 zeigt einen Vertikalschnitt durch die Erfindung. Auf einer etwas geneigten Platine 1, welche die Stromversorgung enthält, ist wenigstens eine Chip-LED 2 mit eingebautem LED-Chip 3 angebracht. Dieser strahlt Licht in alle Richtungen, hauptsächlich jedoch in Achsrichtung ab. Auf der Chip-LED 2 ist eine Linsenkuppe 4 angebracht, welche das Licht auf die unmittelbar anschließende Eintrittsfläche 5 eines schräg angeordneten Glaskörpers 6 lenkt. Das Licht wird schräg nach oben weitergeleitet und tritt bei der Austrittsfläche 7 aus dem Glaskörper 6 aus. Die Austrittsfläche 7 bildet mit der Fahrbahn 8 im wesentlichen einen Winkel W, welcher im Mittel etwa 45 Grad beträgt und weist eine geringe konvexe Krümmung auf. Die Neigung des Glaskörpers 6 ist dabei so gewählt, dass der Strahlengang beim Durchtritt durch die Austrittsfläche 7 knapp über die Fahrbahn 8 abgelenkt wird, wo er die gewünschte Lichtverteilung erzeugt. Die Anordnung ist von einem Gehäuse 9 umgeben, welches so weit in die Fahrbahn 8 eingebaut ist, dass die Unterkante der Austrittsfläche 7 mit der Fahrbahn 8 abschließt. Das Gehäuse 9 weist in bekannter Weise unmittelbar neben der Austrittsfläche 7 vorstehende Rampen 13 zum Schutz der Austrittsfläche vor Beschädigung durch Schneepflüge auf. Der Glaskörper ist mittels eines Klebstoffes 10 positioniert und witterungsfest vergossen. Die Leuchte wird durch ein Kabel 11 mit Strom versorgt.
Der LED-Chip 3 darf bei einer sehr kleinen Linsenkuppe 4 nicht als punktförmige Lichtquelle angesehen werden, es entsteht hier bereits eine entsprechend große Divergenz der Lichtstrahlen. Würde die Linsenkuppe 4 als bildgebende Optik ausgeführt, so entstünde nach bekannten optischen Gesetzmäßigkeiten ein Projektionsbild des LED-Chips 3 in entsprechender Größe. Bei möglichst vollständiger Ausnutzung aller vom LED-Chip 3 über den Raumwinkel abgegebenen Lichtstrahlen und des durch umgebende LED-Oberflächen entstehenden Streulichts, sowie geringen Abweichungen von der bildgebenden Geometrie entsteht jedoch lediglich ein unscharfer Lichtfleck mit einem hellem Zentrum in ähnlicher Größe.
Diese unscharfe Darstellung ist hier besonders interessant. Sie kann mit der geforderten Lichtverteilung einer Markierungsleuchte, welche als horizontal orientierter Ausschnitt einer rotationssymmetrischen Lichtverteilung in Form einer Glockenkurve angesehen werden kann, ziemlich gut in Übereinstimmung gebracht werden, wenn die Baugröße der Linsenkuppe 4 im passenden Verhältnis zur Größe des LED-Chips steht. Dann muss keine zusätzliche Streu- oder Sammelwirkung vorgesehen werden und man erhält eine sehr kleine Linsenkuppe 4 mit hoher Effektivität. In weiterer Folge benötigt man nur mehr einen im wesentlichen unbeeinflussten Lichtdurchgang durch ein Austrittsfenster ohne besondere optische Wirkung. Jedoch ist es ratsam, zwecks weiterer Minimierung der Höhe des Austrittsfensters und zur Erreichung später beschriebener lichttechnischer Eigenschaften eine gewisse Optik vorzusehen, welche auch auf die Gestaltung der Linsenkuppe 4 zurückwirkt. Fig. 2 zeigt den Strahlengang im Vertikalschnitt in schematischer Darstellung. Der LED-Chip 3 besitzt die Breite B und strahlt Licht in alle Richtungen ab. Ein beliebiger Punkt P der aufgesetzten Linsenkuppe 4 empfängt dabei Strahlen aus dem gesamten Bereich B des Chips 3, welche einen Divergenzwinkel Dl einschließen. Grenzlichtstrahlen bilden im Raum zwischen Linsenkuppe 4 und Eintrittsfläche 5 des Glaskörpers 6 nach optischen Gesetzmäßigkeiten den Winkel D2 und im Glaskörper 6 den Winkel D3. Die Gestaltung der Linsenkuppe 4 und der Eintrittsfläche 5 erfolgt nun dermaßen, dass möglichst alle Lichtstrahlen innerhalb des Winkels D3 die Austrittsfläche 7 erreichen. Hierbei wird die Eintrittsfläche 5 zunächst zweckmäßigerweise als Ebene angenommen und die Linsenkuppenneigung in jedem Punkt P geeignet festgelegt. Man erkennt, dass die Dicke und Länge des Glaskörpers 6, der Divergenzwinkel D3 und die Größe der Linsenkuppe 4 in einem geometrischen Zusammenhang stehen. Gemäß Fig.2 weist die Dicke des Glaskörpers 6 etwa den Durchmesser der Linsenkuppe 4 auf, die Länge des Glaskörpers 6 ist so bemessen, dass die Divergenz D3 nicht größer wird als die Höhe der Austrittsfläche 7. Stellt man die gleichen Gestaltungsüberlegungen für alle Punkte P der Linsenkuppe 4 an, so ergibt sich gemäß Fig. 2 ein Strahlenbündel, das trotz divergierender Lichtstrahlen vollständig durch das Austrittsfenster 7 gelangen kann, sogar wenn der Glaskörper 6 nicht dicker als die Linsenkuppe 4 selbst ist.
Betrachtet man nun den oberen Punkt O der Austrittsfläche 7, so treten Lichtstrahlen von jedem Punkt der Eintrittsfläche 5 durch ihn durch, diese schließen einen Divergenzwinkel D3O ein, der ungefähr gleich groß ist wie der Divergenzwinkel D3, nach dem Durchtritt bilden sie den Divergenzwinkel D4O. Ebenso treten Lichtstrahlen von jedem Punkt der Eintritts fläche 5 durch den unteren Punkt U der Austrittsfläche 7, welche einen ähnlichen Divergenzwinkel D3U aufweisen und nach dem Durchtritt den Divergenzwinkel D4U bilden. Die beiden Divergenzwinkel D4O und D4U können durch eine passende unterschiedliche Neigung der Austrittsfläche 7 eine übereinstimmende Ausrichtung erhalten. Gleiches gilt auch für alle dazwischenliegenden Punkte der Austrittsfläche 7. Durch eine geeignete Krümmung der Austrittsfläche 7 können daher die austretenden divergenten Lichtbündel übereinstimmend ausgerichtet werden und man kann so eine sehr gute Gesamtbündelung erhalten. Die Krümmung bestimmt sich dabei nach bekannten optischen Gesetzmäßigkeiten, indem der Brennpunkt F in der Mitte der Eintrittsfläche 5 zu liegen kommt. Anders ausgedrückt: ein durch einen beliebigen Punkt der Eintrittsfläche 5 wie zum Beispiel F tretendes Bündel von Lichtstrahlen wird nach der Austrittsfläche 7 parallel gerichtet.
Die gleichen Gestaltungsüberlegungen gelten, wenn die Eintrittsfläche 5 des Glaskörpers 6 nicht plan ausgeführt ist. Es sind wieder Linsenkuppe 4 und Eintrittsfläche 5 in ihrer gemeinsamen Wirkung so zu bestimmen, dass möglichst alle Lichtstrahlen die Austrittsfläche 7 passieren können. Beispielsweise könnte die Eintrittsfläche 5 so gekrümmt sein, dass sie einen Brennpunkt in der Mitte der Austrittsfläche 7 aufweist. Die Linsenkuppe 7 müsste dann im wesentlichen das Licht parallel abstrahlen, dass es auf den Brennpunkt bei der Austrittsfläche 7 gelenkt wird. Für eine genaue Abstimmung der zu erwartenden Lichtverteilung empfiehlt sich jedenfalls die Anwendung eines Licht-Simulationsprogrammes. Fig. 2a zeigt zum Vergleich die Verhältnisse bei einem Glasköφer 6a mit planer Ein- und Austrittsfläche 5 a und 7a, wie beispielsweise bei bekannten Markierungsleuchten mit eingesetztem Glasprisma. Hier muss die Linsenkuppe 4a die durch beliebige Punkte der Oberfläche tretenden Lichtbündel parallel ausrichten. Diese Aufgabe entspricht der einer bildgebenden Optik und erzeugt ein ungünstigeres, schärferes Abbild des LED- Chips 3. Es ist auch zu erkennen, dass der Glasköφer 6a bei der Austrittsfläche 7a etwa die doppelte Höhe wie zuvor benötigt, um das Licht unvermindert durchzulassen, dabei ist im wesentlichen nur derselbe Divergenzwinkel D4 erzielbar. Hierdurch erkennt man auch, dass die Krümmung der Austrittsfläche 7 und die geringe Höhe des Glasköφers 6 in Fig. 2 auf die erzielbare Lichtverteilung kaum Einfluss haben, es gibt lediglich geringfügige Unterschiede in der Bündelungsweise der Linsenkuppen 4.
Die Ausführung der Mantelflächen 15 des Glasköφers 6 spielt für die bisherigen Betrachtungen keine Rolle, diese können daher prinzipiell beliebig gestaltet sein. Fig. 3 zeigt im Vertikalschnitt, dass der Glasköφer 6 unter Wahrung der Ein- und Austrittsflächen 5 und 7 beliebige Gestalt aufweisen und sich über die gesamte Anordnung erstrecken kann, sodass Glasköφer 6 und Gehäuse 9 zusammen ein einziges, transparentes, dichtes, äußerst kratz- und verschleißfestes Bauteil 6+9 bilden. Wird der Glasköφer 6 aus einem Planglas hergestellt, so ergeben sich ebenfalls mehrere unterschiedliche Gestaltungsmöglichkeiten. Einmal können die Mantelflächen 15 spiegelnd ausgeführt werden. Das kann durch ein Verspiegeln geschehen, es kann aber auch ein freiliegender Glasköφer 6 durch Totalreflexion an den Mantelflächen 15 spiegeln. Hierdurch kann auch bisher nicht erfasstes Licht außerhalb der betrachteten Divergenzwinkel oder Streulicht durch Reflexion an den Mantelflächen 15 wie in einem Lichtleiter weitergeleitet werden. Dieses Licht ist jedoch nicht in die Hauptabstrahlrichtung lenkbar, es tritt wieder als Streulicht aus der Leuchte aus, kann jedoch Randbereiche der Lichtverteilung aufhellen.
Andererseits können die Mantelflächen 15 lichtabsorbierend ausgeführt werden. Hierdurch kann Streulicht, aber auch von außen einfallendes Fremdlicht vernichtet werden. Das ist dann vorteilhaft, wenn bestimmte Bereiche der Lichtverteilung möglichst dunkel gehalten werden sollen, um nicht die Umgebung durch Störlicht zu beeinträchtigen, aber auch um möglichst geringes Rückstrahlverhalten der Leuchte zu erzielen. Praktisch ist so ein Verhalten erzielbar, wenn der Glasköφer 6 mit einem schwarzen Klebstoff 10 im Gehäuse 9 befestigt ist. Hierbei können die Mantelflächen des Glasköφers 6 auch rauh sein, wodurch die Haftung des Klebstoffes 10 begünstigt wird.
Schließlich kann .auch jede beliebige Kombination der Möglichkeiten angewandt werden. Fig. 4 zeigt eine Ausführung im Vertikalschnitt. Die Mantelflächen sind dann entweder teilweise verspiegelt, oder eine Schutzabdeckung 12 verhindert, dass Klebstoff 10 an diesen Bereich der Mantelfläche, sowie auch in den Luftraum um die Linsenkuppen 4 gelangt. Die anderen Bereiche werden vom Klebstoff 10 benetzt und absorbieren jedes darauffallende Licht. Hierdurch können manche Bereiche der Lichtverteilung aufgehellt, andere abgedunkelt werden, sodass eine genauere Anpassung an die Vorgaben möglich ist. Fig. 5a zeigt einen Horizontalschnitt durch die Anordnung. Die bisherigen Ausführungen können hier analog angewandt werden, der einzige Unterschied besteht darin, dass der Glasköφer 6 vorzugsweise genau in Abstrahlrichtung angeordnet ist und daher keine Abwinkelung des Strahlenganges an der Austrittsfläche 7 erfolgt. In horizontaler Richtung können beliebig viele Einheiten nebeneinander eingesetzt werden, bis eine maximale Breite der Leuchte erreicht oder die abgestrahlte Lichtmenge ausreichend ist. Das können durchaus einzeln angeordnete, gleichartige Glasköφer 6i mit je einer dahinterliegenden Chip-LED 2 mit Linsenkuppe 4 sein, welche das Licht auf die Austrittsflächen 7i leitet. Aus Herstellungs- und Kostengründen stellt sich jedoch die Frage, ob nicht mit einem einzigen Glasköφer 6 das Auslangen gefunden werden kann.
Fig. 5b zeigt einen Glasköφer im Horizontalschnitt, der durch Zusammenrücken der einzelnen Anordnungen entstanden ist. Hierdurch können auf gleichem Platz wesentlich mehr Chip-LED 2 untergebracht werden, wodurch mehr Licht bei gleichem Platzbedarf möglich ist. Die Schwierigkeit besteht jedoch in der Herstellung der optischen Struktur zumindest auf der Austrittsfläche 7. Diese kann beispielsweise formgepresst und flammpoliert werden. So sind aber keine scharfen Kanten herstellbar, weshalb die Austrittsfläche 7 um die Kantenradien vergrößert werden müsste. Fig. 5c zeigt eine alternative Ausführung im Horizontalschnitt. Der Glasköφer 6 weist nur mehr eine zylindrische oder plane Ein- und Austrittsfläche 5, 7 auf. Diese Flächen können mit einfachen Hilfsmitteln mechanisch poliert werden, hierbei bleiben die Kanten des Glasköφers 6 erhalten. Durch das Zusammenlegen der einzelnen Optiken wird horizontal ein breiter, gemeinsam nutzbarer Lichtkanal gebildet, der das horizontale Fokussieren des Lichts auf einen engen Lichtaustritt überflüssig macht, das Licht kann wie durch eine plane Scheibe geradeaus durchtreten. Die geforderte horizontale Lichtverteilung kann daher unmittelbar durch die Geometrie der Linsenkuppen 4 gestaltet werden, das Licht geht beim Durchgang durch den Glasköφer 6 auch durch den Bereich der benachbarten Einheiten. Eine solche Ausführung weist daher zumeist Linsenkuppen 4 mit unrunder, elliptischer Form oder sogenannten Freiformflächen auf. Der Glasköφer 6 ist ein Stück breiter als die Linsenkuppen- Anordnung, um auch Randstrahlen zu nutzen.
Eine parallele Anordnung der gleichen optischen Komponenten führt zu einer Addition der Helligkeitswerte bei unveränderter Lichtverteilung. Es ist aber klar, dass auch jede andere Anordnung, insbesonders eine kreis- oder kreisbogenförmige, möglich ist. Hierdurch können beispielsweise Warnleuchten mit Rundum-Licht gestaltet werden, aber auch Leuchten mit mehreren Abstrahlrichtungen, insbesonders 180 Grad entgegengesetzt.
Ein wesentliches Gestaltungskriterium einer schaltbaren Markierungsleuchte ist das Rückstrahlverhalten. Sie soll in abgeschaltetem Zustand möglichst unkenntlich sein, um keine Fehlinteφretationen durch den Verkehrsteilnehmer zu provozieren. Hierbei gibt es zwei relevante Störlichtquellen, zum einen darf bei Tag die Sonne keine Reflexe oder gar falsches Signallicht erzeugen, was allgemein als Phantomlicht bezeichnet wird, zum anderen dürfen bei Nacht die Scheinwerfer der Kraftfahrzeuge ebenfalls kein Reflexlicht in der Markierungsleuchte verursachen. Die Beobachtungsrichtung liegt dabei hauptsächlich in Längsachse der Leuchten, von 0 Grad bis zu einigen Grad schräg von oben, also jener Bereich, aus welchem der Großteil der Leuchten sowie der Straßenverlauf vom Fahrzeuglenker gesehen wird. Sehr schräge Draufsicht auf einzelne Leuchten in unmittelbarer Nähe kann außer Betracht bleiben, da keine Auswirkungen auf das Fahrverhalten mehr zu erwarten sind. Fig. 6 zeigt den Sachverhalt wieder im Vertikalschnitt. Bei einem mittleren Neigungswinkel W der Austrittsfläche 7 von etwa 45 Grad kann auftreffendes Sonnenlicht S nur dann als Sa in die Beobachtungsrichtung reflektiert werden, wenn die Sonne senkrecht über der Markierungsleuchte steht. Das ist in den meisten hochentwickelten Ländern überhaupt nicht möglich, im Bereich des Äquators nur während einer kurzen Zeitspanne zu Mittag. Hier verhindert die Krümmung der Austrittsfläche 7 ein extremes Aufleuchten, indem sie den reflektierten Anteil des Sonnenlichts streut, sodass die Reflexion den Schaltzustand der Leuchten noch erkennen lässt. In die Leuchte eindringendes Sonnenlicht Sb fällt unmittelbar auf die Mantelflächen 15 und wird absorbiert. Die Eintrittsfläche 5 wird nicht erreicht und kann keine Reflexe erzeugen, ebenso alle dahinterhegenden optisch wirksamen Teile. Auch Sonnenlicht tagsüber kann nur ein Stück weit in den Glasköφer 6 eindringen und fällt dann auf die Mantelfläche 15, wo es absorbiert wird.
Tiefstehende Sonne im Bereich der Leuchtenachse und Scheinwerferwirkung können gemeinsam betrachtet werden. Weil sich diese Lichtquellen innerhalb des Zentrums der Lichtverteilung befinden, können deren Lichtstrahlen L vollständig ins optische System eindringen. An der Austrittsfläche 7 sind keine Reflexionen erkennbar, weil das Licht als La nach oben gelenkt wird, anders jedoch die Eintrittsfläche 5. Sie reflektiert einen gewissen Anteil des eindringenden Lichtes Lb wieder in Richtung Austrittsfläche 7, wo es in Richtung des Betrachters abgestrahlt wird. Das kann einerseits verhindert werden, indem die Eintrittsfläche 5 um einen Winkel V etwas größer als 90 Grad gegenüber dem Strahlengang geneigt oder gekrümmt ist, sodass reflektierte Lichtstrahlen gegen die Mantelfläche 15 des Glasköφers 6 gelenkt und dort absorbiert werden. Bei bestimmten Geometrien können reflektierte Lichtstrahlen auch unter einem kleineren Winkel als dem Eintrittswinkel austreten und gegebenenfalls auf die Fahrbahnoberfläche treffen. Chip-LED 2 und Linsenkuppen 4 müssen bezüglich der geänderten Eintrittsfläche 5 ausgerichtet und angepasst sein.
Der Großteil des einfallenden Lichts tritt jedoch aus der Eintrittsfläche 5 in die Linsenkuppen 4 ein und fällt als Ld zum Teil auf die LED-Chips 3. Je nach deren Eigenschaften oder dem inneren Aufbau der Chip-LED 2 wird das Licht dann zu einem Anteil genau in Beobachtungsrichtung zurückgeworfen.
Diesem Umstand kann durch Filterung begegnet werden. Linsenkuppe 4 oder Glasköφer 6 können zur abgestrahlten Lichtfarbe passend transparent eingefäfbt sein, sodass nur die Nutzlichtfarbe weitgehend ungehindert durchgelassen wird. Von außen einfallendes Störlicht wird weitgehend absorbiert, nur die der Filterfarbe entsprechenden Farbanteile werden durchgelassen. Eine weitere Verbesserung kann durch eine gewisse Filterung der Nutzlichtfarbe selbst erzielt werden. Das Nutzlicht muss dieses Hindernis nur einmal überwinden, eindringendes Fremdlicht bei Reflexion jedoch zweimal und wird deshalb stärker geschwächt. Auch eine auf die Eintrittsfläche aufgedampfte Entspiegelungsschicht reduziert deren Reflexe. Natürlich kann anstelle der Einfärbung auch eine zusätzliche Filterscheibe im Strahlengang vorgesehen sein. Bei Leuchtenausführungen mit einteiliger Glasabdeckung 6+9 existieren keine unmittelbaren Mantelflächen. Das Licht wird daher durch Totalreflexion an den Wandungen innerhalb der Glasabdeckung weitergeleitet, bis es an geeigneten anderen Stellen undifferenziert austritt oder absorbiert wird. Es kann die Leuchte jedenfalls nicht unmittelbar in der Beobachtungsrichtung verlassen.
Andererseits kann die Retro-Reflexion für bestimmte Leuchten, welche etwa zur Kennzeichnung von Gefahrenstellen immer erkennbar sein sollen, verbessert werden. Hierfür müssen lediglich die einfallenden Lichtstrahlen so reflektiert werden, dass sie möglichst vollständig wieder aus der Austrittsfläche 7 austreten können. Hierfür kann ein bekanntes Prinzip verwendet werden. Die Austrittsfläche 7 erhält wie oben ausgeführt wieder eine Krümmung, deren Brennpunkt F in der Mitte der Eintrittsfläche 5 zu liegen kommt, die Eintrittsfläche einen Radius R, dessen Mittelpunkt M in der Mitte der Austrittsfläche liegt. Fig. 7 zeigt das Prinzip im Vertikalschnitt. Für eine echte Retro-Reflexion ist diese Gestaltung jedoch auch horizontal gemäß Fig. 5a oder 5b und in jeder anderen Richtung anzuwenden. Ein Glasköφer 6, der im Horizontalschnitt gemäß Fig. 5c keine horizontale Optik auf Ein- und Austrittsfläche aufweist, muss genau in Richtung des Betrachters bzw. der Fahrzeugscheinwerfer ausgerichtet sein, um noch einen erkennbaren Effekt zu erzielen. Ein Lichtstrahl L dringt als La in den Glasköφer 6 ein, wird zum Teil an der Eintrittsfläche 5 als Lb reflektiert. Nach dem Austritt als Lc liegt er parallel zum ursprünglichen Lichtstrahl L. Diese Form der Retro-Reflexion kann mit einem Lichtdurchtritt verbunden werden, die Geometrie der Linsenkuppen 4 ist dafür lediglich mit dem Radius R der Eintrittsfläche 5 wie weiter oben erwähnt abzustimmen.
Die Wirkung der Oberflächen-Reflexion der Eintrittsfläche 5 wird nach optischen Gesetzen durch Verwendung eines Glases mit hohem Brechungsindex gesteigert. Eine wesentliche Verstärkung kann aber durch Verspiegeln erzielt werden. Bei vollständiger Verspiegelung ist eine Durchleuchtung nicht mehr möglich und man erhält einen reinen Rückstrahler in gleicher Bauform wie eine Leuchte. Bei partieller Verspiegelung kann der unverspiegelte Teil der Eintrittsfläche 5 durchleuchtet werden. Auch eine halbdurchlässige Verspiegelung der ganzen Eintrittsfläche 5 ist möglich. Je nach Lichtfarbe kann auch eine selektive Spiegelschicht aufgedampft sein, man erhält eine Leuchte mit einem Rückstrahleffekt in der Komplementärfarbe. Hier besteht ein weites Feld möglicher Kombinationen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Glasköφer 6 zur Erzielung einer noch engeren vertikalen Lichtbündelung oder geringeren Bauhöhe dünner als der Durchmesser der Linsenkuppen 4 ausgeführt werden. Hierdurch geht zwar das Licht aus dem oberen und unteren Randbereich der Linsenkuppen verloren und die vertikale Lichtverteilung wird niedriger, die horizontale Lichtverteilung bleibt jedoch erhalten. Ein ähnlicher Effekt bei unverminderter Bauhöhe lässt sich erzielen, wenn der Glasköφer verlängert wird. Hierdurch gelangt der am meisten divergierende Anteil des Nutzlichtes bereits an die Mantelflächen 15 und wird absorbiert. Die Austrittsfläche 7 wirkt dann zusammen mit den umgebenden absorbierenden Mantelflächen wie eine lichtbegrenzende Blende. So eine Abstimmung ist dann sinnvoll, wenn die Lichtverteilung eine besonders starke Einschränkung nach oben verlangt, oder wenn das Licht der sehr tiefstehenden Sonne vom Erreichen der Chip-LED 2 abgehalten werden soll, um Reflexionen zu minimieren. Eine wesentliche Ausgestaltung der Erfindung betrifft den Einbau eines Umlenkspiegels in Form eines allgemein bekannten Umlenkprismas in den Glasköφer. Hierdurch können Lichtkanal und Lichtstrom an beliebiger Stelle um einen beliebigen Winkel abgeknickt werden, ohne dass sich am Funktionsprinzip, der Gestaltung von Ein- und Austrittsflächen oder dem lichttechnischen Verhalten etwas ändert. Eine bevorzugte Ausführungsform zeigt Fig. 8. Die verspiegelte Umlenkfläche 14 befindet sich unmittelbar hinter der Austrittsfläche 7, welche hier im wesentlichen senkrecht steht und vorzugsweise leicht vorgeneigt ist, die Chip-LED 2 und Linsenkuppen 4 strahlen nach oben. Der Umlenkwinkel ist so gewählt, dass eine Mantelfläche 15 des Glasköφers 6 tangential an die Austrittsfläche 7 anschließt, sodass der Glasköφer trotz der Umlenkfläche 14 wieder aus Planglas gefertigt werden kann. Die Chip-LED 2 und Linsenkuppen 4 befinden sich montagetechnisch in einer günstigen Position, das Gehäuse 9 ist viel massiver und kann mit nahezu allen spanlosen Herstellungsweisen gefertigt werden, weil die Ausnehmung für den Glasköφer 6 leicht entformbar ist. Auch kann der Glasköφer 6 leicht eingeklebt werden. Das Gehäuse bildet ein massives Schutzdach für die spitze obere Glasköφerkante.
In optischer Hinsicht besteht ein wesentlicher Unterschied auch in der Orientierung der Austrittsfläche 7. Die leicht vorgeneigte Position bewirkt, dass jeder aus beliebigem Winkel eintreffende und reflektierte Lichtstrahl gegen die Fahrbahn gelenkt und dort absorbiert wird. Die Ausführung eignet sich daher besonders für Äquatorialländer. Weil dort keine Schneeräumung erforderlich ist, verursacht die leicht abwärts geneigte Position der Austrittsfläche 7 diesbezüglich auch keine Probleme. Die Erfindung kann prinzipiell maßstäblich vergrößert oder verkleinert ausgeführt werden. Insbesonders interessant ist die Verwendung großer LED-Hochleistungschips in Chip-on board-Technik. Die Glasköφerdimensionen, der Leuchtendurchmesser sowie der Überstand über das Fahrbahnniveau werden entsprechend maßstäblich vergrößert, allerdings wächst die Helligkeit mit dem Quadrat des zugrunde liegenden Maßstabes. Anstelle großer Hochleistungschips können aber auch zwei oder mehr Reihen kleiner Chip-LED mit Linsenkuppen übereinander angeordnet werden. Für die Gestaltung der einzelnen Linsenkuppen sowie Ein- und Austrittsfläche gelten die gleichen Regeln wie oben erläutert.
Solche Leuchten können bereits erhebliche Helligkeiten bei noch immer relativ geringem Überstand erzeugen, weshalb ein Einsatz an besonderen Gefahrenstellen der Fahrbahn oder auf Start- und Landebahnen möglich wird.

Claims

Patentansprüche:
1. Markierungsleuchte zum niveaugleichen Einbau in die Fahrbahndecke mit minimalem Überstand, mit einer Lichtverteilung mit hellem Zentrum unmittelbar über der horizontalen Leuchtenachse, zur Seite hin allmählich abfallend und mit stark abnehmender Helligkeit nach obenhin, mit mindestens einer auf einer Platine mit elektrischer Beschaltung sitzender LED-Lichtquelle mit Linsenkuppe, welche das Licht bündelt und mindestens einem vorgesetzten transparenten Glasköφer mit einer Ein- und Austrittsfläche von geringer Höhe, dadurch gekennzeichnet, dass Größe und Form der Linsenkuppe (4) so klein ausgeführt ist, dass die vorgeschriebene Lichtverteilung im wesentlichen alleine durch die vom relativen Größenverhältnis zum LED-Chip (3) herrührende Divergenz des gesamten Lichtbündels sowie Streulichtanteilen der LED-Lichtquelle erzeugt wird, dass die Linsenkuppe (4) durch geeignete Formgebung das in jedem Punkt ihrer Oberfläche durchtretende divergente Licht so gegen den Glasköφer (6) lenkt, dass es nach
Brechung an der Eintrittsfläche (5) und Durchgang durch den Glasköφer (6) vollständig oder mit einem größtmöglichen Lichtanteil auf die Austrittsfläche (7) trifft, dass die Ein- und Austrittsfläche (5, 7) des Glasköφers (6) sowie der dazwischen befindliche Querschnitt im wesentlichen eine solche wirksame Höhe quer zum Strahlengang aufweisen, wie der im Vertikalschnitt optisch wirksame
Durchmesser der Linsenkuppe (4) beträgt, dass die Eintrittsfläche (5) plan oder geringfügig gekrümmt ist und unmittelbar an die Linsenkuppe (4) anschließt und dass das Verhältnis von wirksamer Höhe der Ein- oder Austrittsfläche (5, 7) zur mittleren Länge des Strahlenganges im Glasköφer (6) kleiner oder gleich dem Bogenmaß des im Glasköφer (6) vorherrschenden Divergenzwinkels (D3) der
Lichtbündel ist.
2. Markierungsleuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für jede LED- Lichtquelle mit Linsenkuppe (4) die Austrittsfläche (7) des Glasköφers (6) im Bereich des Strahlenbündels eine konvexe Krümmung mit einem Brennpunkt F im zugehörigen Lichteintrittsbereich der Eintrittsfläche (5) aufweist.
3. Markierungsleuchte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Vertikalschnitt die Austrittsfläche (7) des Glasköφers (6) eine konvexe Krümmung aufweist, die einen Brennpunkt F im mittleren Bereich der Eintrittsfläche (5) aufweist.
4. Markierungsleuchte nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Vertikalschnitt die Austrittsfläche (7) des Glasköφers (6) eine mittlere Neigung von etwa 45 Grad zur Fahrbahnfläche (8) aufweist.
5. Markierungsleuchte nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der wirksame Querschnitt des Glasköφers (6) in Abhängigkeit vom Brechungsindex eine solche vertikale Neigung aufweist, dass das Strahlenbündel nach Durchtritt durch die
Austrittsfläche (7) in die vorgeschriebene Richtung der Lichtverteilung abgelenkt wird.
6. Markierungsleuchte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Horizontalschnitt die Richtung des Strahlenganges geradlinig von der LED- Lichtquelle bis durch die Lichtaustrittsfläche (7) verläuft und Eintrittsfläche (5) und Austrittsfläche (7) im Mittel gerade und senkrecht zum Strahlengang stehend erscheinen.
7. Markierungsleuchte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass horizontal beliebig viele Einheiten, bestehend aus LED-Lichtquelle mit Linsenkuppe (4) zugehöriger Ein- und Austrittsfläche (5, 7), vorzugsweise parallel zueinander, oder in mehreren Gruppen mit jeweils paralleler Anordnung mit gleicher oder unterschiedlicher Orientierung, aber auch kreis- oder bogenförmig oder beliebig anders angeordnet sind.
8. Markierungsleuchte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beliebig viele Einheiten, bestehend aus LED-Lichtquelle mit Linsenkuppe (4) mit zugehöriger Ein- und Austrittsfläche (5, 7) ihr Licht durch einen gemeinsamen Glasköφer (6) abstrahlen.
9. Markierungsleuchte nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Horizontalschnitt die LED-Lichtquelle mit Linsenkuppe (4) im wesentlichen die gewünschte horizontale Lichtverteilung erzeugt und sowohl Eintrittsfläche (5) als auch Austrittsfläche (7) gerade und senkrecht zum Strahlengang stehend erscheinen.
10. Markierungsleuchte nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere LED- Lichtquellen mit Linsenkuppe (4) horizontal und achsparallel zueinander angeordnet sind und die Eintrittsfläche (5) des gemeinsamen Glasköφers (6) eine plane Oberfläche oder eine zylindrische Kontur und die Austrittsfläche (7) eine zylindrische Kontur mit jeweils horizontaler Achse senkrecht zum Strahlengang aufweist.
11. Markierungsleuchte nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der Linsenkuppen (4) eine im wesentlichen ellipsoidförmige Gestalt aufweisen oder als mathematisch beschriebene Freiformflächen festgelegt sind.
12. Markierungsleuchte nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Glasköφer (6) aus optischem Mineralglas mit hoher Härte und Verschleißfestigkeit ausgeführt ist.
13. Markierungsleuchte nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Glasköφer (6) aus einer planen Glasscheibe mit passender Stärke gefertigt ist.
14. Markierungsleuchte nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Glasköφer (6) mit seinen Mantelflächen (15) in ein Gehäuse (9) dicht und schlagfest eingebaut und vorzugsweise eingeklebt ist.
15. Markierungsleuchte nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff (10) schwarz ist und benetzte Stellen der Mantelflächen (15) des Glasköφers (6) lichtabsorbierend sind.
16. Markierungsleuchte nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelflächen (15) des Glasköφers (6) optisch glatt und in manchen Bereichen hauptsächlich durch eine vorhandene Schutzabdeckung (12) nicht von Klebstoff (10) benetzt sind, sodass dort Totalreflexion möglich ist.
17. Markierungsleuchte nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Glasköφer (6) an einer oder mehreren Mantelflächen (15) teilweise oder vollständig verspiegelt ist.
18. Markierungsleuchte nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass Glasköφer (6) und/oder Linsenkuppe (4) in der jeweiligen Nutzlichtfarbe transparent eingefärbt sind.
19. Markierungsleuchte nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Filterscheibe beliebiger Ausführung vorzugsweise zwischen Linsenkuppe (4) und Eintrittsfläche (5) eingesetzt ist.
20. Markierungsleuchte nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekemizeichnet, dass im Vertikalschnitt die Eintrittsfläche (5) bezüglich der Senkrechten auf den Strahlengang an jeder Stelle eine solche Abweichung aufweist, dass ein beliebig durch die Austrittsfläche (7) einfallender Lichtstrahl nach Reflexion an der Eintrittsfläche (5) die Austrittsfläche (7) gerade nicht mehr erreichen kann und an den Mantelflächen absorbiert wird.
21. Markierungsleuchte nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass alle Eintrittsflächen (5) entspiegelt sind.
22. Markierungsleuchte nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Vertikalschnitt für jede LED-Lichtquelle mit Linsenkuppe (4) die Austrittsfläche (7) des Glasköφers (6) im Bereich des Strahlenbündels eine konvexe Krümmung mit einem Brennpunkt F im zugehörigen Lichteintrittsbereich der Eintrittsfläche (5) aufweist und die Eintrittsfläche (5) einen konvexen' Radius R mit dem geometrischen Mittelpunkt M in der Mitte der Austrittsfläche (7) besitzt.
23. Markierungsleuchte nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Lichteintrittsflächen (5) eine halbdurchlässige, selektive oder partiell vollständige Spiegelschicht aufgebracht ist.
24. Markierungsleuchte nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichteintrittsflächen (5) vollständig verspiegelt und keine Lichtquellen eingebaut sind.
25. Markierungsleuchte nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Glasköφer (6) an beliebiger Stelle mit Hilfe eines Umlenkspiegels (14) auf bekannte Weise um einen beliebigen Betrag abgewinkelt ist.
26. Markierungsleuchte nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkspiegel (14) unmittelbar an der oberen Kante der Austrittsfläche (7) beginnt, dass die Austrittsfläche (7) im wesentlichen senkrecht angeordnet und vorzugsweise einige Grad schräg nach vor geneigt ist und dass der Umlenkwinkel so festgelegt ist, dass eine Mantelfläche (15) des Glasköφers (6) tangential an den unteren Rand der Austrittsfläche (7) angrenzt.
27. Markierungsleuchte nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass bei maßstäblichem Vergrößern der Geometrie anstelle einer horizontalen Reihe auch zwei oder mehr Reihen von LED-Lichtquellen mit geometrisch neu abgestimmten Linsenkuppen (4) übereinander angeordnet sind.
28. Markierungsleuchte nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite des Glasköφers (6) durch einen ins Gehäuse (9) integrierten, massiven Deckel mit keilförmigem Querschnitt vor Beschädigung geschützt ist.
29. Markierungsleuchte nach einem der Ansprüche 1 bis 24 und 27 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass Glasköφer (6) und Gehäuse (9) zu einem gemeinsamen, transparenten Bauteil (6+9) einstückig zusammengefasst sind.
30. Markierungsleuchte nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass jede Austrittsfläche (7) durch unmittelbar neben ihr befindliche, vorzugsweise vorstehende Rampen (13) des Gehäuses (9) vor Beschädigung oder Verschleiß durch Schneepflüge, Steine, Reifen, Spikes, Bürsten oder andere scheuernde Gegenstände geschützt ist.
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