DE20014114U1 - Leucht- oder Beleuchtungsvorrichtung mit Fresneloptik - Google Patents

Description

LIPPERT, STACHOW, SCHMIDT & PARTNER Ju/pa

Patentanwälte European Patent Attorneys European Trademark Attorneys

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Peter Berghaus GmbH 51515 Kürten-Herweq

Leucht- oder Beleuchtungsvorrichtung mit Fresneloptik

Die Erfindung betrifft eine Leucht- oder Beleuchtungsvorrichtung mit einem Lichtmittel und einer dem Lichtmittel· zugeordneten Fresneloptik, wobei die Fresneloptik rotationssymmetrisch ausgebildete Ringzonen mit jeweils vorgegebener Flächenneigung aufweist.

In Leucht- oder Beleuchtungsvorrichtungen sind im Allgemeinen Leuchtmittel· wie beispieisweise Lampen mit optischen Baueie-0 menten kombiniert. Damit wird erreicht, dass der abgegebene Lichtstrom in einen begrenzten Raumwinkeibereich geienkt und so die Lichtstärke in der Benutzungsrichtung erhöht wird. In vieien Bereichen werden ais optische Bauelemente brechende Fresneloptiken wie Fresneilinsen verwendet, die im Vergleich zu Giasoptiken mit sehr großen Durchmessern herstellbar sind und damit einen großen Aperturwinkel· zur Erfassung eines hohen Lichtstromes des Leuchtmittels verfügbar machen. Weiterhin bieten derartige Fresneioptiken den Vorteil·, dass sie bei geringem Volumen und Gewicht biilig herstellbar sind.

Häufig muss der erfasste Lichtstrom mögiichst homogen auf eine vorgegebene Fläche oder in eine vorgegebene Richtung geführt werden. Ausgangspunkt bei der Gestaltung einer derartigen Leucht- oder Beleuchtungsvorrichtung ist die Lichtquelle. Beim Vorliegen einer punktförmigen Lichtgue^e kann diese in dem Brennpunkt einer einfachen Fresnellinse angeordnet werden, um zum Beispiel· in Signal·anl·agen für den Straßenverkehr ein paralleles Strahlenbündel· zu erzeugen. Während früher in der-

artigen Signalanlagen Glühlampen und später Halogenleuchten verwendet wurden, kommen in zunehmendem Maße vor allem aus energetischen Gründen und aufgrund der erhöhten Lebensdauer Leuchtdioden zum Einsatz, was den Vorteil längerer Wartungszyklen mit sich bringt.

Die Verwendung einer einzelnen Leuchtdiode im Brennpunkt einer Linse ist jedoch nicht praktikabel, da der Lichtstrom viel zu gering ist. Deshalb werden beispielsweise auf einer Grundplatine bis zu 100 Leuchtdioden angeordnet, um eine Fläche homogen ausgeleuchtet erscheinen zu lassen. Bei der Ansicht aus einem großen Abstand lassen sich jedoch die verwendeten vielen Leuchtdioden erkennen, was bezüglich der Signalwirkung zumindest störend, unter Umständen für den Betrachter auch irritierend sein kann. Zusätzlich ist zu berücksichtigen, dass der Einsatz einer derart hohen Zahl von Leuchtdioden gegenüber einem Glühlampen- und insbesondere einem Halogenleuchtensystem keine großen Vorteile besitzt. Ein Nachteil bei der Verwendung einer hohen Anzahl von Leuchtdioden und einer abbildenden Fresnellinse mit einem Brennpunkt besteht darin, dass insbesondere das Licht der äußeren Leuchtdioden aufgrund des transversalen Abstandes von der optischen Achse in hohe Winkelbereiche gebrochen wird.

Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Leuchtoder Beleuchtungsvorrichtung bereitzustellen, mit welcher ohne großen Aufwand ein homogener Lichtstrom beziehungsweise eine homogene Beleuchtung sichergestellt wird.

Diese Aufgabe löst die Erfindung mit einer Leucht- oder Beleuchtungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dabei weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ein aktivierbares, d.h. zum Abstrahlen von Licht anregbares Licht- oder Leuchtmittel und eine diesem Mittel zugeordnete Fresneloptik auf, wobei die Fresneloptik rotationssymmetrisch ausgebildete Ringzonen mit jeweils vorgegebener Flächenneigung umfasst.

Dadurch, dass die Ringzone im Abstand RO von der Symmetrie-

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achse der Fresneloptik eine Flächenneigung im Wesentlichen von null aufweist und die Flächenneigung der Ringzonen in Richtung zur Symmetrieachse, d. h. in Richtung zur Mitte der Fresneloptik und in Richtung zum Rand zunimmt, wird einerseits erreicht, dass ein rotationssymmetrisch im Abstand RO von der Symmetrieachse der Fresneloptik angeordnetes Leuchtmittel durch die Fresneloptik in ein im Wesentlichen paralleles Strahlenbündel umgesetzt wird, wenn der Abstand vom Leuchtmittel zur Fresneloptik vorgegeben ist. Dadurch, dass das Lichtmittel auf einem Kreisring angeordnet werden kann, ist im Gegensatz zu der Platzierung eines Leuchtmittels in einem Brennpunkt ein viel größerer Gesamtlichtstrom möglich, der in ein im Wesentlichen achsenparalleles und homogenes Strahlenbündel umgewandelt wird. Erfindungsgemäß kann der Kreisring auch eine radiale Ausdehung aufweisen, die jedoch klein im Vergleich zum Radius RO ist.

In gleicher Weise ermöglicht die erfindungsgemäße Leucht- oder Beleuchtungsvorrichtung die Umwandlung eines parallelen Strahlenbündels von dem Lichtmittel in einen im Abstand RO von der Symmetrieachse der Fresneloptik angeordneten homogenen Leuchtring, wobei dieser Leuchtring einen vorgegebenen Abstand zur Fresneloptik aufweist.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Zur Gestaltung einer erfindungsgemäßen Leucht- oder Beleuchtungsvorrichtung mit idealen Eigenschaften für die Umformung eines einfallenden parallelen Strahlenbündel in einen im vorgegebenen Abstand zur Fresneloptik angeordneten Brennring oder die Umformung eines im vorgegebenen Abstand zur Fresneloptik entfernten ringförmig angeordneten Lichtmittels in parallele Strahlenbündel kann die Flächenneigung der Ringzone im radialen Abstand Rl von der Symmetrieachse der Fresneloptik identisch mit Flächenneigung der Ringzone im radialen Abstand R2 = 2 RO - Rl eingestellt sein, wobei Rl > RO und R2 < RO ist. Um den Unterschied zu Brennweiten herkömmlicher brechen-

den Fresneloptiken zu dem vorgegebenen Abstand der erfindungsgemäßen Fresneloptik herauszustellen, wird dieser im Folgenden als zirkuläre Brennweite fz bezeichnet.

Zur Erzeugung eines parallelen Strahlenbündel kann bei der erfindungsgemäßen Leucht- oder Beleuchtungsvorrichtung das Leuchtmittel im Abstand fz zur Fresneloptik auf einem konzentrischen Kreisring mit dem Radius RO angeordnet sein, wobei die Achse des Kreisrings mit der Symmetrieachse der Fresneloptik zusammenfällt. Die erfindungsgemäße Leucht- oder Beleuchtungsvorrichtung lässt sich damit hervorragend auf Leuchtoder Beleuchtungsprobleme anwenden, bei welchen das Licht eines auf einem konzentrischen Kreisring angeordneten Lichtmittels in ein paralleles Strahlenbündel überführt werden soll oder das Licht einer weit entfernten Lichtquelle in einen konzentrischen Kreisring übergeführt werden soll.

Als Leuchtmittel können z.B. prinzipiell alle Leuchteinrichtungen verwendet werden, welche sich auf einem Kreis bzw. einem Kreisring anordnen lassen. Beispielsweise kann das Lichtmittel eine kreisförmig ausgebildete Leuchtstoffröhre sein oder auch eine Vielzahl von auf dem Kreis mit dem Radius RO angeordnete Leuchtdioden aufweisen. Der gewünschte Eindruck einer homogen beleuchteten Fläche wird beispielsweise schon durch die Anordnung von 20 herkömmlichen Leuchtdioden auf dem beschriebenen Kreisring erreicht, was gegenüber üblichen Signalanlagen mit Leuchtdioden eine wesentliche Kostenersparnis bedeutet. Es sei betont, dass das Lichtmittel natürlich auch auf einem etwas ausgedehnten Kreisring angeordnet werden kann, beispielsweise können auch zwei nebeneinander liegende Ringe von Leuchtdioden platziert werden. Wenn die radiale Ausdehnung des Kreisrings klein ist, werden keine bedeutende Lichtanteile in hohe Winkelbereiche gebrochen.

Die Anwendung von Leuchtdioden hat weiterhin den Vorteil, dass u.U. Leuchtdioden unterschiedlicher Farbe Verwendung finden können, die je nach Signalstatus der erfindungsgemäßen Leuchtoder Beleuchtungsvorrichtung derart elektrisch angesteuert

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werden, dass immer nur Leuchtdioden einer einzelnen Farbe Licht abgeben. Auf diese Weise kann eine Lampe für unterschiedliche Signalisierungszuständen benutzt werden.

Die Verwendung einer Fresneloptik als lichtbrechendes Element hat auch den Vorteil, dass zur problemangepassten Überführung des einfallenden Lichtes an der beispielhaften Fresnellinse aufgrund von einfachen Herstellungsverfahren die Brechung auf die Eintrittsfläche oder die Austrittsfläche beschränkt oder auch auf beide Flächen der Linse verteilt sein kann, wobei zusätzlich die Brechung durch Einstellung einer aspährischen Brechnung optimiert werden kann.

Zur Erzeugung eines möglichst homogenen Strahlenbündels kann zwischen dem Leuchtmittel und der Fresneloptik eine divergierende Optik, insbesondere eine Streuvorrichtung angeordnet werden. Diese Steuvorrichtung kann je nach Anwendung auch farbig ausgebildet sein, um einen vorgegebenen Farbeindruck zu erzeugen. Beispielsweise lassen sich damit durch einfaches Austauschen der Streuscheibe Signallampem unterschiedlicher Signalfarbe realisieren.

Zur speziellen Gestaltung der Streuvorrichtung und zum Optimieren der Streuung des Lichtes einer jeden Leuchtdiode kann jeder der Leuchtdioden in der Streuscheibe eine Ausnehmung zugeordnet sein, welche den Kopf der Leuchtdiode kappenförmig umgibt. Es ist jedoch auch möglich, dass die divergierende Optik eine Vielzahl von einzelnen, jeweils einer Leuchtdiode zugeordneten Fresnel-Zerstreuungslinsen aufweist oder eine Kombination von Zerstreuungslinsen und Streuscheibe umfasst.
Damit lässt sich die Streuoptik optimal auf die jeweilige Abstrahlcharakteristik der verwendeten Leuchtdioden anpassen.

Die erfindungsgemäße Leucht- oder Beleuchtungsvorrichtung kann vorteilhafterweise auch als Modul ausgeführt sein, welches z.B. das aktivierbare Lichtmittel, die zugeordnete Streuvorrichtung und die Fresneloptik umfasst und als Ganzes in bestehende Signalanlagengehäuse einsetzbar ist.

Die Erfindung wird im Folgenden durch das Beschreiben einiger Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert, wobei

Fig. 1 in einer Querschnittsdarstellung eine erfindungsgemäße Leucht- oder Beleuchtungsvorrichtung zeigt,

Fig. 2 die relative Anordnung einer Fresnellinse zu den auf einem Kreis angeordneten Leuchtdioden verdeutlicht und 10

Fig. 3 in einer Querschnittsdarstellung den Aufbau der in der erfindungsgemäßen Leucht- oder Beleuchtungsvorrichtung verwendeten Fresneloptik zeigt.

Die erfindungsgemäße Leucht- oder Beleuchtungsvorrichtung 1 wird anhand einer gelb abstrahlenden Signalanlage beschrieben, welche insbesondere im Straßenverkehr Anwendung finden kann. Der prinzipielle Aufbau der Vorrichtung ist in Fig. 1 in einer Querschnittsansicht dargestellt. Die Vorrichtung 1 weist zwanzig auf einem Kreis mit dem Radius von 70 mm auf einer Platine angeordneten und gelbes Licht abstrahlende Leuchtdioden 3 auf, wobei die elektrische Verschaltung und Energieversorgung der Einfachheit halber nicht dargestellt ist. Die Leuchtdioden 3 weisen eine herkömmlicher Bauart mit einem Abstrahlwinkel von 5 Grad auf. In direkter Nachbarschaft zu dem Leuchtdioden-Ring ist eine Streuscheibe 4 angeordnet. Diese Streuscheibe weist für jede Leuchtdiode eine kappenförmige Ausnehmung 7 auf, um das Licht jeder einzelnen Leuchtdiode zu streuen, so dass die im Abstand der zirkulären Brennweite fz = 65 mm zu den Leuchtdioden angeordnete Fresneloptik homogen ausgeleuchtet ist. Die Ausnehmungen 7 liegen demnach auf einem Kreis mit dem Radius R0=70 mm in der Streuscheibe. Diese ist dabei so platziert, dass die Ebene, in der die kappenförmigen Ausnehmungen 7 liegen, parallel zur Ebene der Leuchtdioden 3 angeordnet sind.

Je nach Ausführungsform der Erfindung kann diese Fresneloptik mehrere hintereinander angeordnete oder wie im in Fig. 1 dar-

gestellten Beispiel eine einzelne Fresnellinse 2 aufweisen.

Fig. 2 zeigt die relative Anordnung der. ,Leuchtdioden 3 zur Fresnellinse 2 in einer Sicht von oben durch die Fresnellinse hindurch auf die Leuchtdioden, wobei zur Klarheit der Darstellung die Brechung des Lichtes vernachlässigt ist. Die auf dem konzentrischen Kreisring mit dem Radius r=R0 = 70 mm angeordneten Leuchtdioden sind so platziert, dass die Achse des Kreisrings mit der Symmetrieachse der Fresnellinse 2 zusammenfällt, wobei sich die Fresnellinse aus rotationssymmetrisch gebildeten Ringzonen mit jeweils vorgegebener Flächenneigung innerhalb einer einzelnen Ringzone zusammensetzt.

Der genaue Aufbau der Fresnellinse 2 ist in der Querschnittsdarstellung der Fig. 3 gezeigt. Die Gestaltung innerhalb einer einzelnen Zone bzw. benachbarter Zonen unterscheidet sich nicht von der herkömmlicher Fresnelinsen mit einem einzelnen Brennpunkt. Der grundsätzliche Unterschied besteht darin, dass im Abstand RO = 70 mm von der Symmetrieachse die Fresnellinse 0 eine Ringzone mit einer Flächenneigung von Null aufweist und ausgehend von dieser Ringzone in Richtung zum Rand der Linse die Flächenneigung der darauffolgenden Zonen zunimmt. In gleicher Weise nimmt die Flächenneigung der Zonen in Richtung zur Symmetrieachse A der darauf folgenden Ringzone auch zu. Beispielsweise ist die Flächenneigung einer Ringzone im Abstand Rl von der Symmetrieachse A identisch mit der Flächenneigung einer Ringzone mit dem Abstand R2 = 2 RO - Rl, wenn Rl > RO und R2 < RO ist. In der beispielhaften Ausführungsform beträgt die Zonenbreite 1 mm, wobei sich die Flächenneigung &agr; in den Ringzonen bestimmt durch die Beziehung

sin I &agr;
tan &agr; ~

n - cos &iacgr;&agr; tani

wobei r den Abstand der Ringzone von der Symmetrieachse, RO den Abstand der Ringzone mit einer Flächenneigung von Null von

der Symmetrieachse der Linse, &eegr; den Brechungsindex des Materials der Fresnellinse und fz den Abstand des Leuchtdiodenrings von der Linse angibt, wobei fz identisch ist mit der zirkulären Brennweite. Die angegebene Beziehung gilt für den Fall, dass achsenparallele Strahlen die Fresnellinse auf der planen Seite verlassen oder in diese eintreten. Es ist dem Fachmann leicht zugänglich, dass auch andere herkömmliche Berechnungverfahren für Fresnellinsen auf die erfindungsgemäße Leuchtoder Beleuchtungsvorrichtung übertragbar sind. Beispielsweise ändert sich die obenstehend angegebene Formel zur Festlegung des Winkels &agr; in bekannter Weise, wenn achsenparallele Strahlen die Fresnellinse nicht auf der planen Seite, sondern auf der Prismenseite verlassen oder in diese eintreten. In ähnlicher Weise werden in einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Signalanlage die Zonenflächen asphärisch berechnet .

Die Linse ist nach einem herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Fresnellinsen produzierbar. Dabei wird eine der Linse zugeordnete Messingmatrize durch mechanisches Abdrehen einer Messingscheibe hergestellt. Das Relief der Messingscheibe wird danach durch Anwendung von Druck und Hitze in eine dünne Kunststoffplatte aus einem optischen Material eingepresst. Hierdurch entsteht eine Fresnellinse, welche auf einer Seite plan ist und auf der anderen Seite die eingeprägte, beschriebene Struktur zum Brechen von Licht aufweist.

Die Fresnellinse wird in der Signalanlage im Abstand fz= 65 mm zu dem Leuchtdiodenring angeordnet. Die Linse ist dabei so angeordnet, dass ihre strukturierte Fläche in Richtung zu den Leuchtdioden zeigt, und die plane Fläche in Richtung zur transparenten Kunststoffabdeckung 6. Die optischen und elektrischen Einrichtungen sind durch ein Gehäuse 5 geschützt, wobei die transparente Kunststoffabdeckung 6 den Austritt des Lichtes aus der Vorrichtung ermöglicht.

Die Funktionsweise der in Fig. 1 gezeigten Signalanlage stellt sich damit zusammengefasst wie folgt dar. Das durch die auf

einem Kreisring angeordneten Leuchtdioden emittierte Licht wird zum Erreichen einer homogenen Beleuchtung der im Abstand fz zu den Leuchtdioden plazierten Fresnellinse 2 gestreut. Die in der Streuscheibe 4 jeder Leuchtdiode 3 zugeordnete Streukappe sorgt dafür, dass das Licht einer einzelnen Leuchtdiode über eine möglichst große Fläche der Fresnellinse verteilt wird. Das auf die Fresnellinse gestreute Licht wird durch die Brechkraft der Linse in ein paralleles, enges Lichtbündel umgewandelt, das die Signalanlage durch die transparente Kunststoffabdeckung 6 verlässt. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Vorrichtung wird erreicht, dass unabhängig von der Entfernung des Betrachters zur Signalanlage dieser den Eindruck einer gleichmäßig beleuchteten Fläche erhält.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind zwei radial benachbarte konzentrische Ringe von Leuchtdioden im Abstand von etwa 70 mm zur Symmetrieachse der Fresnellinse auf der Platine angeordnet, wobei beide Leuchtdiodenringe unabhängig voneinander elektrisch ansteuerbar sind. Diese Signalanlage kann für zwei verschiedene, sich durch die Leuchtfarbe unterscheidende Signalzustände genutzt werden. Um für beide Signalfarben eine homogene Beleuchtung bereitszustellen, wird als Grundmaterial für die Fresnellinse ein Kunststoff verwendet, bei welchem der Brechungsindex für die beiden Lichtfrequenzen annähernd gleich ist. Die Gestaltung der Ringzonen zur Erzeugung der zirkulären Brennweite fz ist abgesehen von der Brechungzahlabhängigkeit von fz identisch mit der in Fig. 3 gezeigten Fresnellinse. Die Streuscheibe weist nun zwei Ringe von kappenförmigen Ausnehmungen auf, so dass wieder jeder Leuchtdioden eine Streukappe zum Einstellen einer möglichst homogenen Beleuchtung der Fresnellinse 2 zugeordnet ist.

10 LIPPERT, STACHOW, SCHMIDT & PARTNER Ju/pa

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Leucht- oder Beleuchtungsvorrichtung mit Fresneloptik Bezugszeichenliste

1 Leucht- oder Beleuchtungsvorrichtung

2 Fresnellinse, Fresneloptik

3 Leuchtdioden

4 Streuscheibe

5 Gehäuse

6 Abdeckung 7 Ausnehmung

OF

Claims (8)

1. Leucht- oder Beleuchtungsvorrichtung mit einem aktivierbaren Lichtmittel und einer dem Lichtmittel zugeordnete Fresneloptik, insbesondere eine Fresnellinse, wobei die Fresneloptik rotationssymmetrisch ausgebildete Ringzonen mit jeweils vorgegebener Flächenneigung umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringzone im Abstand R0 von der Symmetrieachse der Fresneloptik (2) eine geringe Flächenneigung, insbesondere eine Flächenneigung von null aufweist und die Flächenneigung der Ringzonen in Richtung zur Symmetrieachse und in Richtung zum Rand der Fresneloptik zunimmt.

2. Leucht- oder Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenneigung der Ringzone im radialen Abstand R1 von der Symmetrieachse (A) der Fresneloptik 2 im Wesentlichen identisch ist mit der Flächenneigung der Ringzone im radialen Abstand R2 = 2 R0 - R1, wobei R1 > R0 und R2 < R0 gilt.

3. Leucht- oder Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtmittel in einem vorgegebenen Abstand fz zur Fresneloptik 2 auf einem konzentrischen Kreisring mit dem Radius R0 angeordnet ist, wobei die Achse des Kreisrings mit der Symmetrieachse A der Fresneloptik 2 zusammenfällt.

4. Leucht- oder Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtmittel eine Vielzahl von auf dem Kreisring angeordnete Leuchtdioden 3 aufweist.

5. Leucht- oder Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, gekennzeichnet durch eine divergierende Optik, die zwischen dem Lichtmittel und der Fresneloptik angeordnet ist.

6. Leucht- oder Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die divergierende Optik als Streuvorrichtung mit einer einzelnen Streuscheibe 4 ausgeführt ist, welche in direkter Nachbarschaft zu den Leuchtdioden 3 angebracht ist, wobei den Köpfen der Leuchtdioden zugeordnet und benachbart zu diesen jeweils eine Ausnehmung 7 in der Streuscheibe 4 ausgebildet ist.

7. Leucht- oder Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die divergierende Optik für jede Leuchtdiode 3 eine zugeordnete und benachbart zu dieser angeordnete Fresneloptik umfasst.

8. Leucht- oder Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, gekennzeichnet durch zumindest zwei mit unterschiedlicher Lichtfrequenz strahlenden und unabhängig voneinander ansteuerbaren Leuchtdiodenarten.