SISTEMA OPTICO DE COLIMACION O CONCENTRACION DE RADIACION LUMINOSA.

Sistema óptico de colimación o concentración de radiación luminosa.

La presente invención se refiere a un sistema óptico que permite obtener un alto nivel de colimación procedente de una fuente de luz o bien permite la concentración de la radiación con distintos grados de colimación sobre una superficie determinada. El sistema comprende dos zonas: la zona 1 incluye una superficie (1) que tiene la geometría de un elipsoide cartesiano, capta la luz procedente de la fuente luminosa (4) del sistema y colima dicha luz mediante una única refracción; la zona 2 incluye dos partes: una parábola (2) que refleja la luz colimada en la zona 1 y una superficie (3) cónica de sección recta donde la luz reflejada en la parábola (2) sufre una refracción y sale paralela al eje óptico (5) del sistema. Cuando el sistema de colimación trabaja en sentido inverso, se comporta como un concentrador de radiación. Con esta configuración básica se pueden optimizar los parámetros que definen el sistema mediante el empleo de modelos matemáticos.

Sistema óptico de colimación o concentración de radiación luminosa.

Objeto de la invención La presente invención se refiere a un sistema óptico que permite obtener un alto nivel de colimación procedente de una fuente de luz o bien, en caso de que trabaje en sentido inverso, permite la concentración de la radiación luminosa con distintos grados de colimación sobre una superficie determinada.

Antecedentes de la invención La colimación de la luz generada por una fuente luminosa permite la obtención de elevadas intensidades de luz en la dirección de colimación y por tanto hace posible su percepción a grandes distancias o la iluminación de superficies desde lugares alejados con gran eficiencia. Si el sistema trabaja en sentido inverso, es decir como concentrador de luz, permite concentrar la luz de una fuente colimada sobre una pequeña superficie, tal y como se hace en los sistemas fotovoltaicos de alta concentración en los que se intenta reducir al máximo la superficie de célula empleada.

La incorporación desde hace 10 años de los LED al campo de la señalética ha resultado imparable debido a las ventajas que incorporan respecto de otras fuentes de luz empleadas de forma histórica. Dichas ventajas se basan esencialmente en su bajo consumo, gran eficacia, emisión espectral, posibilidad de variación de flujo continua y seguridad frente a vibraciones.

La incorporación de los LED al mercado de la iluminación en arquitectura y la señalética en los últimos 3 años ha marcado una necesidad imperiosa por el desarrollo de sistemas ópticos que permitan su aplicación a dicho entorno. Podemos ver cómo los catálogos de las mejores casas han ido incorporando productos basados en este tipo de fuentes: Erco, LLedó, Philips, etc... En general este tipo de dispositivos no requieren un alto grado de colimación, aunque en determinados casos esto si es así. La colimación se hace imprescindible en sistemas de iluminación como son linternas, focos o balizas.

Dada la enorme competencia generada existen en la actualidad multitud de sistemas que permiten dicho objetivo y en particular la colimación de la luz. Son bastantes las casas que se han especializado en el desarrollo de ópticas específicas para LED y que buscan nuevos sistemas de colimación.

El colimador/concentrador se basa en un sistema de diseño óptico que ha sido ampliamente expuesto en multitud de publicaciones bajo la denominación de “nonimaging optics” (Wiston, Nonimaging optics, Elsevier (2005) ; J. Chaves Introduction to nonimaging optics, CRC Press, (2008) ; J.J. O’Gallagher Nonimaging optics in solar energy, Frank Kreith (2008) ) . En estos trabajos se exponen diversas metodologías para conseguir concentrar la luz en una superficie o bien colimar la luz emitida por una fuente luminosa.

Entre las patentes que forman parte del estado de la técnica cabe destacar la patente EP1880139B1. Se refiere a un sistema de doble lente para controlar el ángulo de radiación del LED e iluminar localmente a larga distancia.

Otra patente es la US2007263390A1, que se refiere a un sistema compuesto por una lente convergente en el interior y un reflector en el exterior.

La invención DE202005007500U1 es muy similar a la anterior tanto en concepción como en diseño.

La patente US2004070855A1 muestra un concepto desarrollado por Benítez y Miñano para concentradores solares y aplicado a colimadores. Es un dispositivo parecido a los anteriores, aunque la geometría no es exactamente equivalente. En este caso, los rayos sufren dos reflexiones internas en el dieléctrico que rodea a la fuente de luz, aunque no está en contacto directo con ella, antes de salir colimadas.

La patente US2003075167A1 es completamente diferente y desarrolla una serie de superficies dentadas que trabajan en reflexión total y se desarrollan en un perfil curvado para evitar apantallamientos de unas sobre otras.

A la patente US2005129358A1 le sucede otro tanto, aunque presenta otra versión en la que existen varias reflexiones totales y la superficie de salida se encuentra en la periferia. Además, esta solución solamente trabaja con luz que en el emisor sale lateralmente, y por tanto, descarta la emisión frontal de la fuente.

En EP1266255B1 la colimación se produce por reflexión interna de la radiación proveniente de la fuente, situada en el eje óptico del sistema. Las caras del dispositivo pueden ser “suaves”, o bien estar compuestas por microfacetas. Como en casos anteriores, este dispositivo puede funcionar como concentrador de radiación si opera en sentido inverso.

En el caso de la patente US7006306B2 se trata de producir iluminación homogénea a partir de una fuente puntual, en un ángulo de 180º, mediante reflexiones internas de la luz en un dieléctrico (también se habla del caso de 360º) . La fuente de luz se sitúa dentro de un cono truncado con las caras internas talladas en microfacetas de modo que la luz proveniente de la fuente se refleje y salga en dirección perpendicular al eje óptico. Este dispositivo no colima la luz sino más bien todo lo contrario: la reparte radialmente de manera homogénea.

En la patente US2004105171A1 se utiliza un diseño tipo lente TIR. Se utiliza la reflexión interna total en las facetas de la cara interna, junto con el desplazamiento angular del eje de simetría para alinear los rayos en una dirección que no sea paralela al eje óptico del sistema.

Existen por lo tanto muchos sistemas de colimación que ya se utilizan para LED, sin embargo hay particularidades que sigue siendo necesario mejorar como pueden ser la eficiencia y la eliminación o aminoración dé aberraciones cromáticas.

Descripción de la invención La presente invención se refiere a un nuevo sistema óptico de colimación de radiación luminosa mediante la combinación de diferentes geometrías y formas de trabajo para cada zona del sistema. El sistema se divide en dos zonas que trabajan de diferente manera: por una parte una zona 1 que es una superficie que capta directamente la luz emitida por la fuente luminosa y mediante una única refracción la colima, y por otra parte una zona 2 que refleja la luz hacia una superficie de salida que en sección es recta sufriendo la luz en esta parte primero una reflexión y luego una refracción. Como se puede ver en la figura 1, la zona 1 tiene la geometría de un elipsoide cartesiano (1) que capta la luz emitida por la fuente luminosa (4) ; la zona 2 comprende dos partes: una parábola inclinada (2) , cuyo tamaño angular está limitado por el máximo nivel de pérdida admitido en el sistema, y una superficie cónica de sección recta (3) inclinada un ángulo tal que hace que la luz reflejada en la parábola (2) salga, una vez refractada en la superficie cónica de sección recta (3) , paralela al eje óptico del sistema (5) .

La relación que deben guardar el giro de la parábola (2) y el de ángulo que forma la superficie cónica de sección recta (3) con el eje óptico del sistema (5) aparece representado en la figura 3, donde el eje de abscisas representa el ángulo de inclinación de la parábola y el de ordenadas el de la superficie cónica de sección recta.

Otro aspecto de la invención se refiere a un sistema de colimación de radiación luminosa que puede también diseñarse para trabajar en dirección inversa como un sistema de concentración.

Con respecto a otros sistemas conocidos en el estado de la técnica, una diferencia de la presente invención estriba en que en nuestro caso no empleamos una caja para el alojo de la fuente luminosa y la superficie de salida lateral es en nuestro caso cónica de sección recta. En la presente invención, al considerar la luz como proveniente del chip, aunque se tenga una lámina de aire, ésta es planoparalela y por tanto no desvía la luz, la superficie de salida exterior focaliza sobre la fuente.

Esta diferencia tiene dos consecuencias:

1. el sistema propuesto en la presente invención tiene menos aberraciones cromáticas que los sistemas ya conocidos;

2. tiene una ligera mayor eficiencia ya que la refracción en la caja se realiza con ángulos más reducidos.

El punto 1 tiene especial importancia cuando se aplica a LED blancos, de un uso muy extendido en la actualidad.

Esta invención viene además avalada por un desarrollo teórico que permite una modelización mediante la cual se optimiza la configuración final del sistema optimizando...

1. Sistema óptico de colimación de radiación luminosa que comprende dos zonas: -la zona 1 incluye una superficie (1) que tiene la geometría de un elipsoide cartesiano, capta la luz procedente de la fuente luminosa (4) del sistema y colima dicha luz mediante una única refracción;

- la zona 2 incluye dos partes:

- una parábola (2) que refleja la luz colimada en la zona 1;

- una superficie (3) cónica de sección recta donde la luz reflejada en la parábola (2) sufre una refracción

y sale paralela al eje óptico (5) del sistema.

2. Sistema óptico de colimación, según la reivindicación 1, que incluye una superficie (6) de entrada de la luz al sistema siendo dicha superficie (6) paralela a la superficie exterior de la fuente luminosa (4) .

3. Sistema óptico de colimación, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la superficie de sección recta de la parte cónica (3) pasa por el punto central de la fuente de luz (4) .

4. Sistema óptico de concentración de radiación luminosa que comprende dos zonas: -la zona 1 incluye una superficie (1) que tiene la geometría de un elipsoide cartesiano, capta la luz procedente de la fuente luminosa externa al sistema y concentra dicha luz mediante una única refracción; -la zona 2 incluye dos partes: -una superficie (3) cónica de sección recta donde la luz se refracta y se dirige hacia la parábola girada de la superficie (2) . Esta superficie forma un ángulo tal que la luz refractada se introduce en el sistema formando un ángulo igual al del giro del eje de la parábola (2) . -Una superficie parabólica (2) girada un ángulo respecto del eje del sistema (5) .