MEZCLADOR OPTICO DE ALTA EFICIENCIA CON SALIDA DE HAZ DIRIGIDO.

La presente invención consiste en un sistema óptico capaz de mezclar y dirigir eficientemente luz de varios LEDs mediante unos colectores-colimadores que recogen la luz proveniente de los LEDs eficientemente y la dirigen a un concentrador que la inyecta en una guía.

La guía mezcla la luz ya que posee una estructura estriada en su superficie. Una vez mezclada la luz es dirigida mediante una óptica de salida particular.

MEZCLADOR ÓPTICO DE ALTA EFICIENCIA CON SALIDA DE HAZ DIRIGIDO

La presente invención consiste en un sistema óptico que mezcla y dirige

eficientemente luz proveniente de varios LEDs, el cual está dirigido

principalmente al campo de la iluminación.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los inicios de la tecnología LED se sitúan en 1962 con un desarrollo práctico de un LED. En 1968 se introdujo en el mercado el primer LED rojo que proporcionaba 0.001 1m. Más de 30 años tuvieron que transcurrir para la aparición en el mercado del LED verde, azul y blanco. Desde los orígenes de la tecnología los LED ha experimentado un progreso espectacular análogo al predicho por Ley de Moore para la tecnología de silicio. La tendencia en la evolución de la tecnología LED es apuntada por la Ley de Haitz, que indica que en los últimos 34 años se dobla el flujo luminoso del LED cada 18-24 meses.

Los esfuerzos principales han sido dirigidos a la fabricación en masa de LEDs que proporcionen un elevado flujo mediante la mejora de su eficacia (lm/W) y el aumento del amperaje con el que se puede alimentar el LED. En menos de 8 años la evolución del flujo ha sido de 17 1m (LED blanco de Lumiled, febrero 2001) a 400 1m con 2 amperios de corriente eléctrica (Nichia, diciembre 2006) . El desarrollo en la tecnología LED está abriendo muchos mercados en displays, automoción, móviles, cámaras digitales, y aplicaciones de iluminación.

ESTADO DE LA TECNOLOGÍA

El LED posibilita aplicaciones de iluminación con cambio de color dinámico. Existen muchos sistemas RGB (rojo, verde y azul) , WRGB (blanco, rojo, verde y azul) , ARGB (ámbar, rojo, verde y azul) , basados en LEDs. Los sistemas actuales de mezclado de luz presentan deficiencias en el propio mezclado de luz, en la eficiencia del sistema y/o en el control y direccionamiento del haz resultante. Un sistema muy habitual consiste en una matriz RGB que posee un sistema óptico anidólico simple. Este tipo de sistemas posee problemas de color. Cada fuente está posicionada espacialmente en sitios distintos del sistema óptico y, por consiguiente, su luz será transmitida en direcciones distintas. Este efecto provoca distintas sombras de distintos colores debido a las distintas fuentes.

Una de las formas de reducir estas sombras es mediante una superficie difusora que esparce la luz. Sin embargo, con esta solución se destruye la direccionabilidad del haz y, por tanto, el control de la luz, además de reducir la eficiencia óptica del sistema.

Existen otros sistemas ópticos capaces de mezclar adecuadamente la luz basados en superficies dicroicas que permiten transmitir sólo ciertas longitudes de onda. Estos sistemas son excesivamente caros y su eficiencia no es óptima.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

El objeto de la invención consiste en un sistema óptico de mezclado de luz efectivo, eficiente, con salida del haz dirigido y que puede ser implementado con costes reducidos, con lo que resuelve las deficiencias de los sistemas de mezclado actuales.

VENTAJAS DE LA INVENCIÓN

La presenta invención permite:

• mezclar la luz procedente de varios LEDs de forma efectiva.

• un control de la luz mezclada, pudiéndola distribuir y dirigir según convenga.

• obtener un sistema eficiente, con reducidas pérdidas ópticas.

• una fabricación con un coste final del sistema reducido, pudiendo obtenerse en una sola pieza de un material transparente realizado mediante molde de inyección.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Para una mejor comprensión de la presente memoria se acompañan los dibujos adjuntos que muestran ejemplos de realización, no limitativo, del objeto de la invención y en los que:

Figura 1. Un esquema que describe las etapas ópticas en el mezclador de alta eficiencia con salida de haz dirigido. Cada etapa adecúa la luz para la siguiente etapa.

Figura 2. Presenta un esquema de los procesos ópticos que intervienen en el mezclador de alta eficiencia con salida de haz dirigido.

Figura 3. Se ilustra un mezclador de alta eficiencia con salida de haz dirigido.

Figura 4. Se presenta la geometría de un concentrador (5) óptimo.

Figura 5. ilustra la sección transversal de una guía y las reflexiones de un rayo en su interior.

Figura 6. Describe la transmisión de luz en el interior de la guía en donde son inyectados dos haces de distintos colores.

Figura 7. Se representa un ejemplo particular de un mezclador de alta eficiencia con salida de haz dirigido para 6 LEDs en una sola pieza de metacrilato transparente.

Figura 8. Se ilustra la diferencia de un mezclador de alta eficiencia con salida de haz dirigido pero sin estrías superficiales en la guía (Figura 8a) y un mezclador de alta eficiencia con guía mezcladora y salida de haz dirigido (Figura 8b) . En el primero la luz no está mezclada mientras que en la Figura 8b se observa un mezclado de la luz.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA:

El funcionamiento del sistema se basa en recoger la luz de distintos LEDs e introducirla en una guía que la mezcla eficientemente, minimizando pérdidas ópticas. Una vez mezclada, la luz es dirigida.

El sistema está implementado por cuatro etapas ópticas. Éstas son coleccióncolimación, concentración, mezclado, y orientación. La luz proveniente de una etapa es adecuada para la etapa siguiente. En la Figura 1 se describen las cuatro fases ópticas que son implementadas por los componentes que constituyen el sistema, mientras que en la Figura 2 se ilustran dichas etapas.

Los LEDs (1) generan luz muy divergente (2) en una sección relativamente pequeña. Ésta es transformada en luz colimada (4) , con una sección mayor, tras pasar por los colectores-colimadores (3) . La luz colimada de todos los LED es concentrada en una sección pequeña e inyectada en la guía mezcladora con alta divergencia mediante un concentrador (5) . La luz resultante tiene una densidad espacial no uniforme. Esta luz es mezclada (8) tras pasar la guía mezcladora (7) . Por último, la luz mezclada es dirigida (10) mediante una óptica de salida (9) .

El mezclador está constituido por varios colectores-colimadores (3) , un concentrador (5) , una guía mezcladora (7) y una óptica de salida (9) . El sistema puede ser implementado por uno o varios elementos transparentes -materiales dieléctricostrabajando por refracción y reflexión total interna, por elementos reflectores, con superficies espejada, o bien por un sistema híbrido compuesto por componentes tanto transparentes como reflexivos. También es mostrado un trazado de rayos proveniente de uno de los LEDs.

El concentrador (5) está basado en un perfil parabólico que asegura que toda la luz proveniente de los colectores-colimadores (3) sea inyectada al interior de la guía mezcladora (7) con una divergencia del haz controlada.

En la Figura 5a la guía no posee una estructura mezcladora superficial. El rayo siempre viaja a la largo de la guía en el mismo plano. Sin embargo, en una guía con una estructura mezcladora superficial (Figura 5b) , el rayo es dispersado en cada reflexión en el plano paralelo a la sección de la guía, mediante sus estrías longitudinales (11) . El ángulo que forma la dirección del rayo con el eje de la guía permanece constante en todo el recorrido del rayo por la guía.

Cuando la superficie de la guía no tiene estructura mezcladora (11) , no hay un mezclado de luz (Figura 6a) mientras que una estructura mezcladora en la guía proporciona un mezclado de la luz transmitida (8) , tal y como se ilustra en la Figura 6b.

Cada colector-colimador (3) recoge la luz (2) de su correspondiente LED (1) de manera eficiente (minimizando pérdidas de luz) y la dirige colimada (4) al concentrador (5) , que puede homogenizar ligeramente los haces -según el diseño-, e inyecta la luz concentrada (6) en la guía mezcladora (7) . La guía mezcladora dispersa la luz proveniente de cada LED en su interior sin variar la divergencia del haz, proporcionando una densidad espacial de la luz uniforme y, correspondientemente, un mezclado de la luz (8) . Seguidamente la luz mezclada es dirigida mediante la óptica de salida (9) con una distribución específica (10) al exterior. Puede no ser necesaria la óptica de salida, si la distribución de la luz obtenida de la guía mezcladora es válida, según la aplicación.

El sistema puede ser implementado por uno o varios elementos transparentes materiales dieléctricos-trabajando por refracción y reflexión total interna, por elementos reflectores, con superficies espejada, o bien por un sistema híbrido compuesto por componentes tanto...

REiVINDICACIONES

Primera: Mezclador óptico de alta eficiencia con salida de haz dirigido capaz de mezclar y dirigir eficientemente luz de varios LEOs caracterizado por constar de colectores-colimadores que recogen la luz proveniente de los LEOs y la dirigen a un concentrador, basado en perfiles, que la inyecta en una guía. La guía mezcla la luz, a través de una geometría cilíndrica con una estructura longitudinal estriada en su superficie, de forma que la luz es esparcida en su interior sin variación de la divergencia del haz de luz. Una vez mezclada la luz es dirigida mediante una óptica de salida que puede ser una lente o un reflector.

Segunda: Mezclador óptico de alta eficiencia con salida de haz dirigido capaz de mezclar y dirigir eficientemente luz de varios LEOs, según la primera reivindicación, caracterizado por constar de colectores-colimadores que recogen la luz proveniente de los LEOs y la dirigen a un concentrador, basado en concentradores generados por perfiles cónicos (hiperbólicos o elípticos) , polinómicos o parabólicos, que la inyecta en una guía. La guía mezcla la luz, ya que posee una geometría cilíndrica con una estructura longitudinal estriada en su superficie, de forma que la luz es esparcida en su interior sin variación de la divergencia del haz de luz. Una vez mezclada la luz es dirigida con una distribución particular mediante una óptica de salida que puede ser una lente o un reflector.

Tercera: Mezclador óptico de alta eficiencia con salida de haz dirigido capaz de mezclar y dirigir eficientemente luz de varios LEOs según las reivindicaciones primera y segunda caracterizado por no tener óptica de salida, sino que la luz mezclada sale de la guía fuera del dispositivo.

Cuarta: Mezclador óptico de alta eficiencia con salida de haz dirigido capaz de mezclar y dirigir eficientemente luz de varios LEOs según las reivindicaciones primera y segunda caracterizado por que el concentrador posee una estructura estriada superficial que homogeniza la luz proveniente de los LEOs.