DE20014114U1 - Illuminating or lighting device with Fresnel optics - Google Patents
Illuminating or lighting device with Fresnel opticsInfo
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Description
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Peter Berghaus GmbH 51515 Kürten-Herweq Peter Berghaus GmbH 51515 Kürten-Herweq
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.The invention relates to a lighting or illumination device with a light source and a Fresnel optic associated with the light source, wherein the Fresnel optic has rotationally symmetrical ring zones, each with a predetermined surface inclination.
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.In lighting or illumination devices, illuminants such as lamps are generally combined with optical components. This ensures that the emitted luminous flux is directed into a limited solid angle range and thus the luminous intensity in the direction of use is increased. In many areas, refracting Fresnel optics such as Fresnel lenses are used as optical components. Compared to glass optics, these can be manufactured with very large diameters and thus make a large aperture angle available for capturing a high luminous flux of the illuminant. Furthermore, such Fresnel optics offer the advantage that they can be manufactured cheaply with a small volume and weight.
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-The detected luminous flux must often be directed as homogeneously as possible onto a given surface or in a given direction. The starting point for the design of such a lighting or illumination device is the light source. If a point-shaped light source is present, this can be arranged in the focal point of a simple Fresnel lens in order to produce a parallel beam of rays, for example in traffic signal systems. While previously in the
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.While incandescent lamps and later halogen lamps were used for signalling systems, light-emitting diodes are increasingly being used, primarily for energy reasons and due to their increased service life, which brings with it the advantage of longer maintenance cycles.
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.However, the use of a single LED at the focal point of a lens is not practical because the luminous flux is far too low. For this reason, for example, up to 100 LEDs are arranged on a motherboard to make an area appear evenly illuminated. When viewed from a great distance, however, the large number of LEDs used can be seen, which can be at least disruptive in terms of the signaling effect and, under certain circumstances, irritating for the viewer. It must also be taken into account that the use of such a high number of LEDs does not have any great advantages over an incandescent lamp or, in particular, a halogen lamp system. A disadvantage of using a large number of LEDs and an imaging Fresnel lens with a focal point is that the light from the outer LEDs in particular is refracted into high angular ranges due to the transverse distance from the optical axis.
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.The invention is therefore based on the object of providing a lighting or illumination device with which a homogeneous luminous flux or homogeneous illumination is ensured without great effort.
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.The invention solves this problem with a lighting or illumination device having the features of claim 1. The device according to the invention has an activatable light or illuminant, i.e. a light or illuminant that can be excited to emit light, and a Fresnel optic associated with this means, wherein the Fresnel optic comprises rotationally symmetrical ring zones, each with a predetermined surface inclination.
Dadurch, dass die Ringzone im Abstand RO von der Symmetrie-Because the ring zone is at a distance RO from the symmetry
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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.axis of the Fresnel optics has a surface inclination of essentially zero and the surface inclination of the ring zones increases in the direction of the axis of symmetry, i.e. in the direction of the center of the Fresnel optics and in the direction of the edge, on the one hand it is achieved that a light source arranged rotationally symmetrically at a distance RO from the axis of symmetry of the Fresnel optics is converted by the Fresnel optics into a substantially parallel bundle of rays if the distance from the light source to the Fresnel optics is predetermined. Because the light source can be arranged on a circular ring, in contrast to placing a light source at a focal point, a much larger total luminous flux is possible, which is converted into a substantially axis-parallel and homogeneous bundle of rays. According to the invention, the circular ring can also have a radial extension, which is however small in comparison to the radius RO.
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.In the same way, the lighting or illumination device according to the invention enables the conversion of a parallel beam of rays from the light source into a homogeneous light ring arranged at a distance RO from the axis of symmetry of the Fresnel optics, said light ring having a predetermined distance from the Fresnel optics.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.
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-To design a light or lighting device according to the invention with ideal properties for the transformation of an incident parallel beam into a focal ring arranged at a predetermined distance from the Fresnel optics or the transformation of a ring-shaped light source arranged at a predetermined distance from the Fresnel optics into parallel beams, the surface inclination of the ring zone at the radial distance Rl from the symmetry axis of the Fresnel optics can be set identically to the surface inclination of the ring zone at the radial distance R2 = 2 RO - Rl, where Rl > RO and R2 < RO. In order to distinguish the focal lengths of conventional refractive
den Fresneloptiken zu dem vorgegebenen Abstand der erfindungsgemäßen Fresneloptik herauszustellen, wird dieser im Folgenden als zirkuläre Brennweite fz bezeichnet.the Fresnel optics to the predetermined distance of the Fresnel optics according to the invention, this is referred to below as the circular focal length fz.
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.To produce a parallel beam, the light source in the light or lighting device according to the invention can be arranged at a distance fz from the Fresnel optics on a concentric circular ring with a radius RO, with the axis of the circular ring coinciding with the axis of symmetry of the Fresnel optics. The light or lighting device according to the invention can thus be used excellently for light or lighting problems in which the light of a light source arranged on a concentric circular ring is to be converted into a parallel beam or the light of a distant light source is to be converted into a concentric circular ring.
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.In principle, any lighting device that can be arranged on a circle or a circular ring can be used as a light source. For example, the light source can be a circular fluorescent tube or it can have a large number of LEDs arranged on a circle with a radius of RO. The desired impression of a homogeneously illuminated area can be achieved, for example, by arranging 20 conventional LEDs on the circular ring described, which represents a significant cost saving compared to conventional signaling systems with LEDs. It should be emphasized that the light source can of course also be arranged on a somewhat larger circular ring; for example, two rings of LEDs can be placed next to each other. If the radial extent of the circular ring is small, no significant portions of the light are refracted into high angles.
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 angesteuertThe use of light-emitting diodes also has the advantage that light-emitting diodes of different colors can be used, which can be electrically controlled depending on the signal status of the light or lighting device according to the invention.
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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.that only LEDs of a single color emit light. In this way, one lamp can be used for different signaling states.
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.The use of a Fresnel optic as a light-refracting element also has the advantage that, in order to adapt the incident light to the problem at the exemplary Fresnel lens, the refraction can be limited to the entrance surface or the exit surface or even distributed over both surfaces of the lens due to simple manufacturing processes, whereby the refraction can additionally be optimized by setting an aspherical refraction.
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.To produce a beam of rays that is as homogeneous as possible, a diverging optic, in particular a scattering device, can be arranged between the light source and the Fresnel optics. Depending on the application, this control device can also be colored in order to produce a predetermined color impression. For example, signal lamps of different signal colors can be produced by simply replacing the scattering disc.
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.For the special design of the scattering device and to optimize the scattering of the light of each LED, each of the LEDs in the scattering screen can be assigned a recess that surrounds the head of the LED in a cap-like manner. However, it is also possible for the diverging optics to have a large number of individual Fresnel scattering lenses, each assigned to a LED, or to comprise a combination of scattering lenses and scattering screen.
This allows the scattering optics to be optimally adapted to the respective radiation characteristics of the LEDs used.
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.The lighting or illumination device according to the invention can advantageously also be designed as a module which, for example, comprises the activatable light source, the associated scattering device and the Fresnel optics and can be used as a whole in existing signaling system housings.
Die Erfindung wird im Folgenden durch das Beschreiben einiger Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert, wobeiThe invention will be explained below by describing some embodiments with reference to the accompanying drawings, in which
Fig. 1 in einer Querschnittsdarstellung eine erfindungsgemäße Leucht- oder Beleuchtungsvorrichtung zeigt,Fig. 1 shows a cross-sectional view of a lighting or illumination device according to the invention,
Fig. 2 die relative Anordnung einer Fresnellinse zu den auf einem Kreis angeordneten Leuchtdioden verdeutlicht und 10Fig. 2 illustrates the relative arrangement of a Fresnel lens to the LEDs arranged on a circle and 10
Fig. 3 in einer Querschnittsdarstellung den Aufbau der in der erfindungsgemäßen Leucht- oder Beleuchtungsvorrichtung verwendeten Fresneloptik zeigt.Fig. 3 shows in a cross-sectional view the structure of the Fresnel optics used in the lighting or illumination device according to the invention.
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.The light or lighting device 1 according to the invention is described using a yellow-emitting signal system, which can be used in particular in road traffic. The basic structure of the device is shown in a cross-sectional view in Fig. 1. The device 1 has twenty light-emitting diodes 3 arranged on a circuit board on a circle with a radius of 70 mm and emitting yellow light, the electrical circuitry and power supply not being shown for the sake of simplicity. The light-emitting diodes 3 have a conventional design with a beam angle of 5 degrees. A diffuser 4 is arranged in the immediate vicinity of the light-emitting diode ring. This diffuser has a cap-shaped recess 7 for each light-emitting diode in order to scatter the light of each individual light-emitting diode, so that the Fresnel optics arranged at a distance of the circular focal length fz = 65 mm from the light-emitting diodes are homogeneously illuminated. The recesses 7 are therefore located on a circle with a radius R0 = 70 mm in the diffuser. This is positioned in such a way that the plane in which the cap-shaped recesses 7 are located is arranged parallel to the plane of the light-emitting diodes 3.
Je nach Ausführungsform der Erfindung kann diese Fresneloptik mehrere hintereinander angeordnete oder wie im in Fig. 1 dar-Depending on the embodiment of the invention, this Fresnel optics can comprise several consecutively arranged or as shown in Fig. 1.
gestellten Beispiel eine einzelne Fresnellinse 2 aufweisen.example, have a single Fresnel lens 2.
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.Fig. 2 shows the relative arrangement of the light-emitting diodes 3 to the Fresnel lens 2 in a view from above through the Fresnel lens onto the light-emitting diodes, whereby the refraction of the light is neglected for the sake of clarity of the illustration. The light-emitting diodes arranged on the concentric circular ring with the radius r=R0 = 70 mm are placed in such a way that the axis of the circular ring coincides with the axis of symmetry of the Fresnel lens 2, whereby the Fresnel lens is composed of rotationally symmetrical ring zones, each with a predetermined surface inclination within an individual ring zone.
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 BeziehungThe exact structure of the Fresnel lens 2 is shown in the cross-sectional view of Fig. 3. The design within a single zone or adjacent zones does not differ from that of conventional Fresnel lenses with a single focal point. The fundamental difference is that at a distance RO = 70 mm from the axis of symmetry, the Fresnel lens 0 has a ring zone with a surface inclination of zero and, starting from this ring zone in the direction of the edge of the lens, the surface inclination of the subsequent zones increases. In the same way, the surface inclination of the zones in the direction of the axis of symmetry A of the subsequent ring zone also increases. For example, the surface inclination of a ring zone at a distance Rl from the axis of symmetry A is identical to the surface inclination of a ring zone with the distance R2 = 2 RO - Rl, if Rl > RO and R2 < RO. In the exemplary embodiment, the zone width is 1 mm, with the surface inclination α in the ring zones being determined by the relationship
sin I &agr;
tan &agr; ~ sin I ?
tan α ~
n - cos &iacgr;&agr; tani n - cos α tani
wobei r den Abstand der Ringzone von der Symmetrieachse, RO den Abstand der Ringzone mit einer Flächenneigung von Null vonwhere r is the distance of the ring zone from the axis of symmetry, RO is the distance of the ring zone with a surface inclination of zero from
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 .the axis of symmetry of the lens, η the refractive index of the material of the Fresnel lens and fz the distance of the light-emitting diode ring from the lens, where fz is identical to the circular focal length. The relationship given applies to the case where rays parallel to the axis leave or enter the Fresnel lens on the flat side. It is readily apparent to the person skilled in the art that other conventional calculation methods for Fresnel lenses can also be applied to the light or illumination device according to the invention. For example, the formula given above for determining the angle α changes in a known manner if rays parallel to the axis leave or enter the Fresnel lens not on the flat side but on the prism side. In a similar way, in another embodiment of the signaling system according to the invention, the zone areas are calculated aspherically.
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.The lens can be produced using a conventional process for manufacturing Fresnel lenses. A brass matrix associated with the lens is produced by mechanically turning a brass disc. The relief of the brass disc is then pressed into a thin plastic plate made of an optical material by applying pressure and heat. This creates a Fresnel lens that is flat on one side and has the embossed, described structure for refracting light on the other side.
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.The Fresnel lens is arranged in the signaling system at a distance fz = 65 mm from the LED ring. The lens is arranged so that its structured surface points towards the LEDs and the flat surface points towards the transparent plastic cover 6. The optical and electrical devices are protected by a housing 5, with the transparent plastic cover 6 allowing the light to exit the device.
Die Funktionsweise der in Fig. 1 gezeigten Signalanlage stellt sich damit zusammengefasst wie folgt dar. Das durch die aufThe functionality of the signal system shown in Fig. 1 can be summarized as follows. The signal generated by the
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.The light emitted by the light-emitting diodes arranged in a circular ring is scattered to achieve homogeneous illumination of the Fresnel lens 2 placed at a distance fz from the light-emitting diodes. The scattering cap assigned to each light-emitting diode 3 in the scattering disk 4 ensures that the light from an individual light-emitting diode is distributed over as large an area of the Fresnel lens as possible. The light scattered onto the Fresnel lens is converted by the refractive power of the lens into a parallel, narrow beam of light which leaves the signal system through the transparent plastic cover 6. The design of the device according to the invention ensures that, regardless of the distance of the observer from the signal system, the observer receives the impression of a uniformly illuminated area.
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.In a further embodiment of the invention, two radially adjacent concentric rings of light-emitting diodes are arranged on the circuit board at a distance of approximately 70 mm from the axis of symmetry of the Fresnel lens, with both light-emitting diode rings being electrically controllable independently of one another. This signal system can be used for two different signal states that differ in their luminous color. In order to provide homogeneous illumination for both signal colors, a plastic is used as the base material for the Fresnel lens, in which the refractive index is approximately the same for the two light frequencies. The design of the ring zones for generating the circular focal length fz is identical to the Fresnel lens shown in Fig. 3, apart from the refractive index dependence of fz. The diffusion disk now has two rings of cap-shaped recesses, so that each light-emitting diode is again assigned a diffusion cap for setting the most homogeneous illumination of the Fresnel lens 2 possible.
10 LIPPERT, STACHOW, SCHMIDT & PARTNER Ju/pa10 LIPPERT, STACHOW, SCHMIDT & PARTNER Ju/pa
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Peter Berghaus GmbH 51515 Kürten-HerwegPeter Berghaus GmbH 51515 Kürten-H erweg
1 Leucht- oder Beleuchtungsvorrichtung1 light or lighting device
2 Fresnellinse, Fresneloptik2 Fresnel lens, Fresnel optics
3 Leuchtdioden3 LEDs
4 Streuscheibe4 Diffuser
5 Gehäuse5 Housing
6 Abdeckung 7 Ausnehmung6 Cover 7 Recess
OFOF
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R207 | Utility model specification |
Effective date: 20001221 |
|
| R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 20031113 |
|
| R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |
Effective date: 20061122 |
|
| R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years |
Effective date: 20081105 |
|
| R071 | Expiry of right |