具有发光二极管(LED)的信号灯 本发明涉及信号灯，它包括有一个开口的塑造盒形罩子、罩子中容纳若干LEDS、罩子的开口用一个展宽窗闭合。
这种信号灯本来已为大家所周知。特别地，它们利用发光信号来控制不同类型的交通信息，如象：交通灯。这种类型的灯包括大量的发光两极管(LEDS)，它们被规则地分布在罩子的整个内表面上。这种信号灯的展宽窗保证光强度的合适分布以及均匀的亮度分布，如果必需的话。请注意，在下文中“光强度分布”可理解为随角度而变的光强度分布。“亮度分布”在下文中可理解为在信号灯展宽窗表面上不随角度而变的光分布。
具有LEDS信号灯的展宽窗的结构是已知的，按这种结构方式每个LEDS备有一个自己的光学系统，被展宽窗汇集。由于这种光学系统呈现的优点，在灯工作时窗口地光亮度分布是最佳的。现今使用的信号灯包含400个以上的LEDS。然而有减小LEDS数目的趋势。引起上述趋势的原因是有高的光输出的LEDS已经得到这一事实。例如，最新的信号灯仅包含150-200个LEDS。
上述类型的信号灯有一个重要的缺点。业已发现，这种灯的一个或多个LEDS损坏时可以使展宽窗的表面上亮度分布的不均匀性增强。这个缺点表现为在灯的窗上自身形成暗点。由此，一个或多个LEDS损坏后，已知的信号灯已不再满足亮度均匀分布的要求。这个问题随每个灯所含的LEDS数目的减小而变严重。
本发明的一个目标就是排除上述缺点。本发明的更特别的目的在于提供一个上述类型的信号灯，其中一个或多个LEDS损坏时不引起或较少引起灯的展宽窗表面亮度分布的不均匀。
用开始段所提及形式的信号灯实现本发明的这些目标和其他目标，其特征在于LEDS围绕罩子的中心轴聚集，灯还包含一个正透镜。
本发明基于下面的见解，集结LEDS在灯外壳轴的周围并配合来用正透镜使信号灯的亮度均匀分布几乎不受也许完全不受一个或多个LEDS损坏的影响。和已知的信号灯不同根据本发明信号灯的LEDS不分布在罩子的整个内表面，而集结在灯外壳中心轴的周围。在根据本发明的灯中，由LEDS形成的透镜上的发光面积有大的重迭。由此，在一个或多个LEDS损坏时展宽窗表面上亮度分布的均匀性几乎不变差。
通常，本发明的灯的罩按盒子状塑造。该罩有一个(虚构的)中心轴，罩子围绕此轴按基本上旋转对称的方式构成。根据本发明的这个措施亦可用于其他类型的罩，例如开口是椭圆或大体上矩形的罩。在这种情况下，罩有中心轴，围绕此轴罩被安排得基本上为镜象对称。就两种情况而论，该中心轴基本上对正透镜成直角而延长，要指出的是，该透镜同时亦可用作展宽窗。最好该展宽窗被作为分离的光学元件包含在本发明的灯中。
根据本发明的信号灯的一个优选实施例的特征在于其透镜是菲涅耳透镜。这个措施使制造紧凑和便宜的信号灯成为可能。与球形正镜透相比，采用菲涅耳透镜的附加优点是在透镜的边缘上光损耗比一个球面正透镜要小。
仅在罩子内表面的一个较小部分上提供LEDS。根据本发明的优选实施例，集结LEDS的罩的内表面最大为透镜表面的25％。假如内表面的较大部分有LEDS，则最外面的LEDS对灯的光强度分布的贡献不够。当LEDS集结在5-15％的罩子的内表面时，可实现最佳结果。
根据本发明的信号灯的一个受关注的实施例，其特征在于透镜有焦距f，LEDS被安排在离透镜距离为V之处，同时0．55＜v／f＜0．975。
业已发现，LEDS排列在离透镜的距离为焦距的位置上对出现在灯的展宽窗上的光强度的想要的均匀分布有不利的影响。在这种情况下，展宽窗必须完成两种功能，亦即光强度分布的均质化作用和光亮度分布的均质化作用。这令窗的结构更复杂和更昂贵。但假如LEDS被安排在焦点的外面，以致0．55＜v／f＜0．975则出现在展宽窗的光强度达到比较均匀的分布。对于焦距和LEDS对透镜的距离这两者而言，如果应用比率v／f约为0．90，则光强度分布的均匀性最佳。这时，展宽窗仅实现一个作用，即亮度分布均质化作用。
仍是根据本发明的信号灯的另外有用的实施例，其特征在于LEDS的孔径角和LEDS在罩中的位置彼此按这样一种方式互相适应即当灯工作时LEDS发出的光基本上(即大于90％)入射到透镜。这种结构措施的应用使根据本发明的信号灯的光效率得到最大的利用。假如LEDS定位不准，LED发出的光的一部分也入射到罩的内表面上。作为罩子(的内表面)通常由黑色的吸收光的材料组成，不入射到透镜上的这部分光被损耗。从而，这种状态对信号灯的效率有不利的影响。
根据本发明的另一个被关注的实施例，其特征在于LEDS被对称地安排在罩中相对灯的中心轴所在的光学平面。由于不对称定位的LED集结在罩子中心轴的周面，一个重大的优点被实现。这个措施对发出的光束的光强度分布有重大的影响。在利用发光信号时，如交通灯，根据本发明的信号灯必须保证(虚设的)光学平面在水平方向延伸。借助于这个布局可以实现：在该平面下面所发出的光的一部分大于在所说平面上所发出的光的一部分。作为信号灯，这正是合于需要的。
根据和参照以下所述的实施例，本发明的这些方面和其他方面将是很明白的。
图中：
图1是根据本发明的信号灯的剖视图；
图2示出根据本发明的信号灯的若干光束分布；
图3示出若干配置，其中LEDS被不对称地放置在根据本发明的信号灯的罩中。
请注意，为了简单明了，图中没有绘标尺。
图1是根据本发明的信号灯的剖视简图。该信号灯包括一个吸收光的黑色合成树脂材料(例如：聚碳酸酯)的盒式塑造罩子(1)。罩子有开口(2)，它由展宽窗(3)闭合。在本例中，展宽窗用塑料材料构成，它的内表面构造符合所需要的样式。展宽窗保证辐射的光在信号灯的水平面上能准确传输。
罩内容纳有比较少数目(小于25)高功率LEDS(4)置于基片(5)上，基片被紧固到罩子上且构成一个部件。为了简单明了，紧固工具和LEDS的电触点都未示出。在所示的实施例中有18个高功率LED。请注意，高功率LEDS有至少3流明(1m)的光通量。随LEDS类型而言，信号灯可以发出红、绿或黄颜色的光。
已示出的信号灯有(虚设的)中心轴(6)，罩子按围绕这个轴基本上旋转对称的方法安排。轴(6)按对基片(5)和透镜(7)成直角的方向延伸，本例中透镜是菲涅耳透镜。LEDS(4)集结在轴的周围。在所示的实施例中，LEDS被集结，因此在其上固定LEDS的罩子的内表面比菲涅耳透镜的表面的25％要小。在现在这一情况下，该表面约为10％。业已发现，就据本发明的信号灯而言，一个或多个LEDS损坏导致展宽窗表面光分布的均匀性的减弱与没有菲涅耳透镜和LEDS分布在罩子整个内表面的信号灯相比是非常小的。
选择位于集结处边缘的LEDS(4)的孔径角使LEDS(4)发出的光整个地直接地入射到菲涅耳透镜(7)上。为了说明这个效应，位于集结处边缘的图1的两个LEDS的最外边光束的轨道被表示出来。假设LED(4)所发出的光的一部分被入射到能吸收光的罩子(1)的内表面上，则这部分光被损耗。罩子吸收光的效应减弱所谓的“幻影效应”。
菲涅耳透镜(7)的聚焦点(8)位于中心轴(6)上且距离为f之处。LEDS(4)在离菲涅耳透镜距离为V之处集结。在下文中将说明，比率v／f确定信号灯光强度分布均匀性的基本程度。在已示出的例子中，这个比率是0．90。如果这个比率范围在0．975和0．55之间，则可实现允许的光强度分布。
图2示出根据本发明的信号灯的不同实施例的若干(相对)光强度分布曲线图。在曲线图中，相对光强度工作为观察角(度)的函数被表示。在信号灯的这些实施例中，总计7个高功率LED被采用。每个LED对最邻近的LED的平均距离大约为5mm。透镜的焦距是10cm。为了实现上文中给出的v／f比率，物方的距离v是变化的。
图2-A到2-D示出根据本发明的信号灯的相对光强度分布，其比率分别为0．99，0．975，0．90和0．55。从这些图可以导出在v／f比率为0．99时，得到光束的非常不均匀的光强度分布。比率为0．975和0．55时光束的分布仅刚刚可接受。如果比率约为0．90，则达到最佳光束分布。图3示出在矩形基片(5)上18个(图3-A)和35个(图3-B)高功率LEDS的两种不对称安排，它们可以非常方便的用于根据本发明的信号灯中。中心轴沿对图示的平面垂直的角度延伸，用点(7)表示。
线(10)表示光学平面的方向，LEDS相对于它为不对称的排列。假如信号灯作为交通设备，则线(10)必须基本上按水平方向延伸。LEDS(4)围绕线(9)对称排列。线(10)对线(9)成垂直的角度延伸。围绕线(10)的不对称性保证信号灯在交通设备的垂直平面中产生不对称的光强度分布。如果信号灯被置于交通设备内，基片(5)必须被安置得使线(9)基本上在垂直方向延伸。这个围绕线(9)的对称性保证信号灯在交通设备的水平面上产生对称的光强度分布。
根据本发明的信号灯，在展宽窗的表面上提供最佳的亮度分布。