WO2004068447A1 - Optikelement für wechselverkehrszeichen - Google Patents

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WO2004068447A1
WO2004068447A1 PCT/AT2003/000385 AT0300385W WO2004068447A1 WO 2004068447 A1 WO2004068447 A1 WO 2004068447A1 AT 0300385 W AT0300385 W AT 0300385W WO 2004068447 A1 WO2004068447 A1 WO 2004068447A1
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WO
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light
optical element
element according
housing
area
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PCT/AT2003/000385
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English (en)
French (fr)
Inventor
Franz Silhengst
Alexander Otto
Original Assignee
Swarco Futurit Verkehrssysteme Ges.M.B.H.
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Publication date
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Priority to DE50311404T priority patent/DE50311404D1/de
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    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09F—DISPLAYING; ADVERTISING; SIGNS; LABELS OR NAME-PLATES; SEALS
    • G09F9/00—Indicating arrangements for variable information in which the information is built-up on a support by selection or combination of individual elements
    • G09F9/30—Indicating arrangements for variable information in which the information is built-up on a support by selection or combination of individual elements in which the desired character or characters are formed by combining individual elements
    • G09F9/33—Indicating arrangements for variable information in which the information is built-up on a support by selection or combination of individual elements in which the desired character or characters are formed by combining individual elements being semiconductor devices, e.g. diodes
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09F—DISPLAYING; ADVERTISING; SIGNS; LABELS OR NAME-PLATES; SEALS
    • G09F13/00—Illuminated signs; Luminous advertising
    • G09F13/04—Signs, boards or panels, illuminated from behind the insignia
    • G09F13/0418—Constructional details
    • G09F13/0472—Traffic signs
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21W—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO USES OR APPLICATIONS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS
    • F21W2111/00—Use or application of lighting devices or systems for signalling, marking or indicating, not provided for in codes F21W2102/00 – F21W2107/00
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08G—TRAFFIC CONTROL SYSTEMS
    • G08G1/00—Traffic control systems for road vehicles
    • G08G1/09—Arrangements for giving variable traffic instructions
    • G08G1/095—Traffic lights

Definitions

  • the invention relates to an optical element, which can usually be used in an arbitrarily arranged number of Niels in essentially vertically arranged front surfaces of variable message signs for the representation of symbols or graphic information, consisting of at least one controllable light source, usually an LED, which can sit on a circuit board, one Lens element with light entry surface, outer surface and outlet surface and preferably a housing surrounding at least part of the outer surface, with essentially horizontal to downward inclined light radiation, the outer surface having a maximum light-absorbing absorption surface.
  • LED light-emitting diodes
  • Light-emitting diodes differ from conventional incandescent lamps not only in the way they produce light using semiconductor technology, which generates almost monochromatic colored light, but also in the form of integrated optical measures for light control, which on the one hand improve the proportion of ambient light and on the other hand produce universal, favorable light distribution characteristics in narrow and wide-angle versions, so that the LED can be used directly as signal light without any further optical measures.
  • the LEDs are used directly in traffic engineering without additional optical measures, the light color, brightness and uniformity usually meet the requirements, the required light distribution can often only be achieved by adding additional lenses, but the main problem is the high phantom light.
  • the lens tip of the usually crystal-clear transparent LED body bundles incident sunlight directly onto the highly reflective internals inside the LED, such as the reflector and reflector edge, connecting lugs and contact points, from where it is reflected. Because of the crystal-clear LED body, the phantom light is also relatively whitish and unfiltered and may appear brighter than the actual signal light when the sun is unfavorable.
  • Another measure consists in the use of lenses or LED bodies colored in the signal color.
  • the sunlight has to pass through the colored component twice, whereby the foreign color components of the light are filtered out, the LED light only once, whereby the coloring is as transparent as possible for the actual signal color.
  • the sunlight is significantly weakened, the useful light is reduced to a much lesser extent.
  • a disadvantage is not only the lower useful light intensity, which has to be compensated for by a higher number of light points, but also the phantom light in signal color, which is regarded as particularly critical in many applications compared to white phantom light.
  • Another disadvantage is the usually circular-symmetrical light emission of the light-emitting diodes, so that a large proportion of the light is emitted unused into irrelevant areas unless optical measures are also taken.
  • commercially available light-emitting diodes have radiation characteristics that generally do not match the required light distribution of the light points well. As a result, disproportionately more LEDs often have to be used without additional optics, only to have enough light in poorly lit areas. In many cases, the required light distribution cannot be achieved at all without additional measures. Therefore, good devices consistently use front lenses, which can achieve the desired distributions very effectively. At the same time, measures are also taken against phantom light.
  • the light of an LED is focused by means of a converging lens either onto a diverging lens or in particular onto an aperture between the collecting and diffusing lenses and directed into the prescribed range by means of the diverging lens.
  • Sun rays are absorbed either on the housing wall or the panel.
  • This version has the advantage that practically no sunlight can get into the LED.
  • the LEDs can be wired individually or sit together on a circuit board. Any arrangement of individual optics is also possible.
  • the optics diameter is relatively small.
  • a disadvantage is, however, a variety of components that have an unfavorable impact on costs and also make automatic production very difficult, but also the large number of interfaces that light must penetrate and suffer from loss of brightness, in particular that sunlight also creates surface reflections at least on the one - and exit surface of the scattering lens before it is absorbed. This creates phantom light again, which affects visibility.
  • EP 1 227 458 A2 discloses a display and / or signal device for light-optical information.
  • This device comprises a carrier plate or a housing part with light sources arranged thereon.
  • a lens body provided here is provided with a light guide extension which is arranged in corresponding recesses in the carrier plate.
  • the surface on which the light guide projections rest is provided with a light absorption layer.
  • a module is presented which is made of transparent material and has integrated a large number of similar scattering lenses, which direct the light of the LEDs, which are seated on a common circuit board, into the observation area.
  • the inside of the module has a light-absorbing black coating, except for the light entry surfaces, which are located on extensions to save material, so that incident sun rays are absorbed.
  • This version has the economic advantage that it consists of only one component and a circuit board with LED.
  • the light only penetrates the entry and exit surface of the module, which means that losses are minimal.
  • Sunlight coming in from outside only creates a surface reflection on the front surface, then it is already absorbed on the inside wall of the module.
  • a disadvantage is the fixed arrangement in a grid, which restricts the use to graphic displays.
  • a separate module is required for each grid dimension. It is particularly disadvantageous that, due to the transparent base body, the transition surfaces between the lenses must be inclined upwards or downwards at any point on the outer surface so that no reflections can occur in the direction of observation, but this results in a highly jagged, particularly dirt-prone surface. Furthermore, by dispensing with a metallic matrix plate, only limited protection against electromagnetic interference or lightning is possible. Nevertheless, a support structure with a vertical sealing surface is required, to which the modules are attached.
  • the aim of the invention is an inexpensive optics for variable message signs, which fulfills the standardized light distributions and has the lowest possible phantom light. It should consist of as few components as possible and should be fully automatic. It should be able to be mounted tightly and precisely both in freely selectable arrangements and in any grid, preferably using a metallic matrix plate, and should have the highest possible packing density.
  • the absorption surface directly adjoins the light entry and exit surface of the lens element, that the length of the lens element is greater than its diameter and that the curvature of the exit surface is formed at each surface point so that essentially all of the light source Coming light rays in a range below a predetermined angle S, preferably less than or equal to 10 °, with respect to the horizontal and essentially all light rays incident from outside with an angle greater than or equal to S with respect to the horizontal are directed onto the absorption surface.
  • EP 1 227 458 A2 the surface of the carrier plate and its depressions are provided with a light absorption layer. Since the lens bodies completely cover the light absorption layer with their wall areas, this does not border on the light exit surface at any point.Unwanted scattered light can reach neighboring lens bodies via these wall areas, where it produces undesirable effects such as phantom images, similar to a light guide. According to the present invention, this is excluded from the outset, and pulling the absorption layer from the light entry surface to the light exit surface brings about a more extensive light absorption of any external light sources. Further advantageous refinements and embodiments of the invention are identified and illustrated in more detail in the subclaims and the description below, including the associated drawing figures.
  • FIG. 1 shows a vertical section through an optical element according to the invention
  • FIG. 2 shows a vertical section through another optical element before insertion
  • FIG. 3 shows a vertical section through a third optical element and a cross section
  • FIG. 4 shows preferred outlines of the installation holes
  • FIG. 5 and 6 show combinations of the optical element according to the invention in vertical section.
  • Fig. 1 the optical element according to the invention in its simplest embodiment is shown in vertical section.
  • a light source 2 in the form of an LED sits coaxially directly behind a lens element 3 with a light entry surface 4 and an exit surface 5, connected by a lateral surface 6.
  • the exact positioning of the circuit board 1 with the LED is carried out in any manner outside the illustration.
  • the lens element is installed in a vertically arranged, metallic matrix plate 7 and fastened and sealed with an adhesive 8.
  • the outer surface 6 is coated black in the entire lower region between the light entry surface 4 and the exit surface 5, so that any light beam incident thereon is absorbed. This area is referred to as the absorption surface 9.
  • the light entry surface 4 functions as a converging lens, captures as much light as possible from the LED and bundles it onto the exit surface 5, from which it is directed with the required intensity and distribution into the prescribed observation area. This range is expediently determined in such a way that the greatest intensity occurs in the horizontal axis direction and decreases more or less rapidly towards zero to the side and downwards. No light radiation is required at the top. In addition to the influence of the light source 2 and the light entry surface 4, this radiation characteristic is achieved above all by a suitable design of the exit surface 5 by means of different curvature zones, which are not dealt with in detail here.
  • the light rays 10 drawn are only directed horizontally and more or less downwards. This is supported here by a slight downward inclination of the light entry surface 4.
  • the curvature of the exit surface 5 is on each surface point is designed such that essentially all of the light rays 10 coming from the light source 2 fall into a range below a defined angle S, preferably less than or equal to 10 °, with respect to the horizontal and essentially all from the outside with an angle greater than or equal to S with respect to of the horizontal incident light rays 11 are directed onto the absorption surface 9.
  • the rays of light coming in from outside e.g. Sun rays 11 are drawn in, which reach the exit surface 5 parallel to one another at an angle S (vertical angle of the sun) which is fixed to the horizontal. They penetrate into the lens element and are directed through the exit surface 5 onto the absorption surface 9, where they are absorbed.
  • a sunbeam 11a is drawn in, which is incident at a smaller vertical angle than S. It reaches the reflector of the LED, where it is reflected and scattered and creates the dreaded phantom light.
  • a light beam 11b is also drawn in, which is incident at a larger vertical angle than S. Accordingly, it reaches the absorption surface 9 earlier and is absorbed.
  • the angle S defined for the incident sun rays represents a vertical critical angle. At this position of the sun, just no sun ray 11 can penetrate to the light source 2, it is destroyed on the absorption surface 9. It is immediately apparent that with every higher position of the sun the sun rays 11b hit the absorption surface earlier and that no phantom light is produced. At a lower position of the sun, however, some sun rays 11a already penetrate through the light entry surface 4 into the light source 2 and generate phantom light.
  • the design of the exit surface 5 is different with respect to the two
  • lens element 3 rotates according to optical laws Appearance of the bright light entry surface 4 with the black absorption surface on the head adjoining it below, so that it is depicted as a brightly illuminated observation area with a dark zone above it. If the alignment is suitable, no light is emitted upwards.
  • this value represents an essential design constant for the geometrical dimensioning of the system and the design of the exit surface 5 the light source 2 outgoing light beams 10 to be taken into account, but also to include reflected and scattered light components. A certain amount of scattered light escaping upwards will therefore be unavoidable. However, if care is taken to ensure that as far as possible no scattered light emerges at an angle S or more, then conversely no sunbeam 11 with the angle of incidence S can penetrate to the light source 2.
  • the exact dimensioning of the optical system and the design of the exit surface 5 is therefore preferably carried out by means of computer simulation because of the complexity of the light propagation.
  • the light sources 2 are then preferably all on the same circuit board 1, which also has other electrical components for voltage supply and control and also all conductor tracks.
  • FIG. 2 shows a modified optical element in vertical section.
  • the outer surface is designed entirely as an absorption surface 9.
  • the black coating consists of plastic and is thickened to form a solid covering of the lens element 3, which now forms a housing 12.
  • the housing 12 In the area of the exit surface 5, the housing 12 has a flange 13 as a contact surface.
  • Adjacent ribs 14 with sawtooth-like cross-section are attached to the housing periphery.
  • a precise receptacle 15 for the light source 2 is formed in the area of the light entry surface 4.
  • the light source 2 does not sit on a circuit board 1 here, but is directly wired and held by a snap hook 16 formed on the housing 12. Such a design saves the board costs for small quantities.
  • the illustration shows the optical element before pressing.
  • the ribs 14 have a slight oversize compared to the installation hole 17. When they are pressed in, they are deformed elastically / plastically in a known manner, hold the optical element firmly in the mounting hole 17 by means of frictional engagement, and seal at the same time.
  • the flange 13 ensures the precise alignment by contacting the matrix plate 7.
  • the housing material is considerably tougher and more flexible than the material of the lens element 3, so that only the ribs 14, but not the lens element 3, are deformed when pressed in.
  • the optical element is longer here. This not only reduces the curvature of the exit surface 5 overall, the sun rays 11 have a greater path length in the lens element 3 to the absorption surface 9. Furthermore, the exit surface 5 is designed asymmetrically. The upper region is more strongly curved, as a result of which overhead light rays 10c are deflected more downward, and the overhead sun rays 11c, which otherwise reach the light entry surface 4 first, are more strongly refracted downward and thus reach the absorption surface 9 earlier. These two measures make it possible to achieve a lower sun angle S overall. The light area below the horizontal is therefore preferably illuminated by light beams 11c from the upper area of the exit surface 5.
  • the black housing 12 and the outer surface 6 of the lens element 3 must be optically effectively connected to one another, in particular by melting together. A mere putting together of two individual components would not result in an absorption of the sun rays 11, but rather their total reflection and thus considerable phantom light, despite an identical graphic representation.
  • Fig. 3 shows this embodiment in connection with a particularly wide light source 2 in the form of an SMD LED.
  • SMD LEDs are inexpensive and can be positioned particularly precisely on the circuit board 1, but only a partial area of the light can usefully be pre-bundled via the light entry surface 4.
  • Light rays lOd that exit particularly far away are therefore directed via a total reflection at the free area of the outer surface 6 through the exit surface 5 into the light distribution area, where, due to the stronger deflection, they brighten the edge areas or of the close range.
  • Inclination and curvature, or also optical surface structures, as well as a more complicated design of the outer surface 6 can be freely selected within reasonable geometric limits.
  • Sun rays l ld can also reach the totally reflecting lateral surface 6, in particular when irradiated from the side. However, they tend to have to be reflected downwards in order to subsequently be absorbed on the absorption surface 9. This is guaranteed at least if the outer surface 6 totally reflects only in the upper area.
  • the housing 12 has a bore 18 in the lower region, with which the circuit board 1 is positioned and held via a position hole 19 and screw 20.
  • this optical element is shorter and therefore more conical than in FIG. 2.
  • cross-section A-A it can be seen that the absorption surface 9 was created by flattening the lower region of the conical lens element 3. But it also extends a bit laterally up to about the middle. The flat area of the absorption surface 9 extends to the light entry surface 4, where it forms a horizontal edge 21.
  • This connecting edge 21 with respect to the optical axis is an essential determining feature for the size of the angle of incidence S of the sun rays.
  • the position and shape of the absorption surface 9 in the remaining area of the outer surface 6 are of secondary importance.
  • a flattening can be helpful in the orientation of the optical elements in the mounting holes 17 or in the manufacture of the components.
  • the cast-on of the lens element 3 or of the housing 12 can take place on the flattened zone.
  • the totally reflecting zone of the outer surface 6 should of course be as large as possible in order to use as much light as possible, on the other hand the absorption surface 9 must be present wherever sun rays 11 are absorbed on the outer surface 6 have to. More precise determinations can be made via light beam tracking in a computer simulation.
  • FIG. 4 shows a selection of mounting holes in the matrix plate with different properties.
  • a circular hole a allows any orientation of the optical element. Either it has to be circularly symmetrical or it has to be oriented by external measures.
  • the elliptical hole b allows attachment in two orientations. This makes sense if the optical element is symmetrical, but also if the orientation is easy to see.
  • Clear orientation is achieved through a flattened or drop-shaped hole c or d.
  • the outline is oriented, for example, on a flattened absorption surface 9 or the fastening hole 18 according to FIG. 3.
  • a constant curvature of the outline is essential for a tight fit.
  • Angular holes require gluing for fastening and sealing.
  • Fig. 5 shows a combination of optical elements of the same design, which are connected via a connecting surface 22 in any number, but preferably in a regular arrangement. They are pressed or glued together into the matrix plate 7. Each combination has at least one position pin 23 which projects through a suitable position hole 19 of the common circuit board 1 and holds it by means of commercially available fastening elements, such as the locking washer 24 shown.
  • the front of the connecting surface 22 is black, like the housing 12, and has a structure 25 that absorbs maximum light. As a result, the matrix plate 7 does not require a surface coating.
  • FIG. 6 shows a combination of optical elements by structurally combining the housings 12.
  • a module which is inherently rigid even without a matrix plate, usually has connection means at its edges, such as the tongue and groove system 26 shown, in order to form display boards of any size by stringing together in a known manner to be able to.
  • a further advantage consists in the substantially smaller distance between the lens elements compared to the embodiment in FIG. 3 or 5.
  • the common circuit board 1 is here by means of at least one snap hook 16 held per module and positioned by means of positioning pins 23 and positioning holes 19.
  • the black front of the housing block has a structure 25 that absorbs maximum light.
  • a larger angle of incidence of the sun's rays can also be selected.
  • the optics and displays can generally be made smaller.
  • the light source 2 can consist of several individual light sources, which are arranged together behind a lens element 3. There can even be a specially designed light entry surface for each individual light source. This allows effective distribution of very special light distributions, a higher amount of light per optical element or safety in the event of an LED failure. In particular, this makes it possible to emit different colors with just one optical element, which lowers costs or permits higher image resolution. By means of a special configuration of the lens element 3, it can be achieved that the colors have approximately the same light distribution within a restricted observation area.

Abstract

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. Die Absorptionsfläche (9) grenzt unmittelbar an die Lichteintritts- (4) und Austrittsfläche (5) des Linsenelementes (3) an. Die Länge des Linsenelementes (3) ist grösser als sein Durchmesser und die Krümmung der Austrittssfläche (5) ist an jedem Flächenpunkt so ausgebildet, dass im wesentlichen alle von der Lichtquelle (2) kommenden Lichtstrahlen (10) in einem 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.

Description

Optikelement für Wechselverkehrszeichen
Die Erfindung betrifft ein Optikelement, das zumeist in einer beliebig angeordneten Nielzahl 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 Nielzahl 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 Νutzlichtanteil 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 (Nortäuschung 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 Nerkehrstechnik 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-Körpern. 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 kreissym-metrische 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 AI 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 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 Kriimmung 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, 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 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, fangt 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 11a 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 lOd 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 l ld 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 Einbaulöchern 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 Kriimmung 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 Einzel- Lichtquellen 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 lαiapper 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

Patentansprüche:
1. 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, 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.
2. Optikelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Mantelfläche (6) als Absorptionsfläche (9) ausgebildet ist.
3. Optikelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nur der untere Bereich der Mantelfläche (6) als Absorptionsfläche (9) ausbildet ist.
4. Optikelement nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die nicht als Absorptionsfläche (9) ausgebildete Mantelfläche (6) fallenden Lichtstrahlen (lOd) durch Totalreflexion zur Austrittsfläche (5) abgelenkt werden und im wesentlichen alle mit einem Winkel größer oder gleich einem festgelegten Winkel S, vorzugsweise kleiner oder gleich 10°, bezüglich der Horizontalen auf die Austrittsfläche (5) einfallenden Lichtstrahlen (11, lld) entweder direkt oder nach Totalreflexion an der Mantelfläche (6) auf die Absorptionsfläche (9) treffen.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. Optikelement nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusskante (21) der Absorptionsfläche (9) an die Lichteintrittsfläche (4) horizontal verläuft.
9. 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.
10. Optikelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Gehäuses (12) wesentlich zäher, elastischer und nachgiebiger als der des
Linsenelementes (3) ist.
11. Optikelement nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenmantel des Gehäuses (12) runden, ovalen, eiförmigen oder einen anderen kontinuierlich gel rümmten Querschnitt aufweist und das Einbauloch (17) dem Querschnitt angepasst ist.
12. 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.
13. 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.
14. Optikelement nach Ansprach 13, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Einpressen der Flansch (13) auf der Vorderseite der Matrixplatte (7) anliegt und die randumlaufenden Rippen (14) in an sich bekannter Weise das Optikelement durch elastisch-plastische Verformung festhalten, gegen Ausdrücken sichern und das Einbauloch (17) abdichten.
15. 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.
16. 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.
17. 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.
18. 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.
19. 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.
20. 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.
21. 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 Lochgrappe der Matrixplatte (7) dicht eingepresst oder eingeklebt sind.
22. 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.
23. Optikelement nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenflächen der Gehäuseflansche (13) und Verbindungsflächen (22) eine maximal lichtabsorbierende Straktur (25) und Farbe aufweisen.
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