BR112013012109A2

BR112013012109A2 - sistema óptico convergente de mistura de cores

Info

Publication number: BR112013012109A2
Application number: BR112013012109-2A
Authority: BR
Inventors: Michael Schuch; Wolfgang Ernst; Alexander Otto
Original assignee: Swarco Futurit Verkehrssignalsysteme Ges.M.B.H
Priority date: 2010-11-23
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2020-09-01
Also published as: BR112013012109B1; US9268078B2; US20130258700A1; RU2592720C2; AT510824B1; DK2643717T3; AT510824A1; EP2643717B1; EP2643717A1; WO2012068603A1; SI2643717T1; RU2013128472A

Abstract

  SISTEMA ÓPTlCO CONVERGENTE DE MISTURA DE CORES. A presente invenção refere-se a uma óptica para uma irradiação de luz enfeixada que pode ser empregada como pixel com capacidade integral de cores em uma disposição reticulada, principalmente para sinais cambiantes de tráfego e painéis de indicação eletrônica ao ar Iivre. Como fonte luminosa (1) funciona, entre outros, um LED normalmente comerciado do tipo FullColor ou na forma de construção SMD com cristal LED vermelho,verde e azul. imediatamente na frente encontra-se a face de entrada (3), eventualmente da mesma extensão, de uma vara condutora de luz (2) de seção transversal constante a qual apresenta uma face lateral constituída de planos adjacente em arestas agudas. Esta unidade capta a luz amplamente em forma completa e produz, de maneira muito eficiente sem auxílio de uma difusão, uma mistura completa das diferentes cores e claridades. A saída da luz (4) da vara condutora de luz (2) está situada no foco de uma lente convergente (5) que enfeixa a luz em saída. A lente convergente (5) e a vara condutora de luz (2) podem ser constituídas de forma inteiriça. A luz que abandona a vara condutora de luz poderá ser adicionalmente adequada na sua distribuição por faces de ação óptica ou estruturas difusoras sobrepostas a lente convergente.

Description

Relatório Descritivo da Patente de lnvenção para "SISTEMA m . ÓPTlCO CONVERGENTE DE MISTURA A presente invenção DEaCORES". refere-se uma óptica convergente que

W " mistura cores e luz, especialmente pixel compatível com cores integrais para 5 placas indicadoras reprodutoras de imagem ao ar livre, para Iuzes tipo spot ' ou sinalização, constituído de uma fonte de luz LED, bem como de uma vara condutora de luz e uma lente convergente prevista na frente, de acordo com o preâmbulo da reivindicação 1. Até agora, para painéis indicadores ao ar Iivre que precisam 10 mostrar conteúdos variáveis como, por exemplo, indicações de alteração no , tráfego para influenciar o tráfego, entre outros pontos luminosos, que abran- gem uma fonte de luz, especialmente um LED. Pela ativação eletrônica das G' LEDS podem ser ligados e desligados pontos de luz, bem como também podem ser representadas diferenças de claridade graduais. Estes pontos ' 15 luminosos serão dispostos em cores luminosas variadas, ou de acordo com sÍmbolos a serem mostrados como, por exemplo, sinais de trânsito ou em áreas maiores em uma integração reticulada para assim, apresentar gráfi- cos, textos ou também imagens que podem ser programados aleatoriamen- te. Aqui os pontos luminosos agem como os chamados pixels.

20 Contrário a telas de vídeo de áreas grandes na base de LED, que requerem uma irradiação luminosa larga para o público que se encontra na sua frente, imagens sobre o trânsito são Iimitadas a ângulos de irradiação ou de observação muito mais estreitos porque frequentemente somente pre- cisam ser vistos a partir de uma via de deslocamento a partir de grande dis- 25 tância. Além disso, apresentam normalmente indicações constantes e ima- gens fixas que mudam apenas raramente. Além disso, resultam considerá- veis simplificações na eietrônica de ativação e no consumo de energia e, portanto, custos de aquisição de operação bem menores. Todavia, grandes distâncias de visualização e influências meteorológicas também requerem 30 intensidades luminosas maiores, sendo que também são estipuladas normas determinadas no âmbito técnico de luminosidade. Enquanto que, até agora, pontos luminosos monocromáticos são

W geralmente suficientes e as poucas apresentações de imagem, constituidas

W eventualmente de uma combinação de um ponto luminosos vermelho, verde

K - e azul, são reunidas e apresentadas como pixel coIorido em uma disposição " reticulada, no futuro deve-se esperar que sejam desejadas cada vez maiores 5 apresentações coloridas em uma resolução cada vez maior e uma disposi- ção de pixel de 3 pontos Iuminosos monocromáticos ficaria demasiado gran- de e dispendiosa. Em comparação, nas telas de vÍdeos de imagens grandes LED, são usados LED especialmente produzidos para estas unidades que contém 10 as três cores básicas vermelho, verde e azul, na forma de três cristais LED em um alojamento conjunto, comum, sendo que cada cor pode ser acessada .. individualmente. No caso, as três cores apresentam uma característica de .. · irradiação idêntica que é lograda eventualmente pelo acréscimo de meios difusores nos LED. Este chamado LED FullColor ou Multi-LED apresentam ' 15 uma face de incidência luminosa plana e estão integradas na retícula do pi- xel. lrradiação a sua luz como chamados irradiadores de cosseno sendo que a luz no centro é mais intensa e até a borda com aproximadamente 90° di- minui progressivamente de acordo com a funçâo de uma curva de cosseno declina para 0. Como a luz é irradiada em forma semiesférica em uma área 20 muito grande, a claridade também no centro é reduzida e devido ao emprego crescente de energia e de arrefecimento também não pode ser aumentada, razão porque estas telas de imagens são usadas apenas em áreas intemas. Na área externa, telas de vídeo de imagens grandes também são construí- das com uma capa de lente especial, que enfeixa em forma integrada LEDs 25 especiais, individualmente vermelhas, verdes e azuis, e de construção ova- lada e irradiação luminosa porque a claridade de luz de dia necessária de outro modo não poderia ser alcançada de uma maneira econômica. Em todas as telas de imagens grandes de LED é especialmente importante conformar na maior extensão possÍvel de modo idêntico a irradia- 30 ção luminosa dos LED porque do contrário, com observação lateral, surgem defasagem de cores, linhas de cores ou manchas de cores. É muito comple- xo construir LEDS monocromáticos com uma tampa de lente de tal maneira que estejam todos alinhados um em relação ao outro de forma precisa, es- . pecialmente quando os LEDS ainda estão posicionados em pés de arame.

D Os LED FullColor ou Multi-LED são soldados como uma forma ~ - construída SMD de maneira simples na retícula sobre uma pIaca de circuitos 5 adequada, com o que é proporcionado um alinhamento plano exato, e a irra- diação da Iuz dos três cristais LED também é uniforme. É viável agora usar a forma de construção simples e de custo vantajoso de um LED FullColor ou Multi-LED também para potenciais de luminosidade elevados, sendo que a luz irradiada em faixa larga simples- IO mente será enfeixada pela lente convergente precedente. Este modo fracas- sa, todavia, porque a luz dos três cristais de cores, devido à lente frontal, q não pode ser enfeixados identicamente em sentido recíproco, porque cada .- cor está direcionado para outra direção, de modo correspondente à disposi- ção dos cristais no LED e das formas ópticas de acordo com as Ieis para ' 15 reprodução de imagem. Portanto, as cores precisam ser bem misturadas antes de um enfeixamento. já existem propostas para a mistura de cores de LED diferenci- ados. No documento JP 2008 047482 A (Epson) é apresentado uma ilumi- nação de display por irradiação de cantos com LEDS de cores diferenciadas, 20 filtro de polarização e mistura de cores. Aqui, a tarefa básica é diferente, sendo que a mistura das cores sem enfeixamento da luz já 'é formada no próprio Multi-LED. Também nos painéis de publicidade conhecido.s com irradiação de arestas por LED em cores diferenciadas apresenta-se automaticamente 25 uma mistura mu ito boa de cores sem enfeixamento, sendo que a luz de cada LED é distribuída por toda a face de indicação através de reflexão múltipla e difusão. Também Iuminárias de ambientes com LED vermelho, verde e azul geram uma cor branca mesclada uniformemente desde que utilizem 30 LEDS com uma característica de irradiação idêntica e por difusão adicional com discos de recobrimento estruturados sejam padronizados adicionalmen- te, de maneira que é formado um efeito Iuminoso e cores uniformes.

Uma mistura de cores sem enfeixamento de luz pode, portanto, r ser realizado de modo simples pela difusão da luz.

Deve-se mencionar tam- . . bém indicações de status em aparelhos eletrônicos, onde são usados LED com vários cristais que apresentam eventualmente vermelho e verde e como

5 cor misturada amarelo.

A luz desses LEDs será conduzida através de condutores de Iuz para uma superfície do alojamento onde serão irradiados em expansão lar- ga.

Esta expansão, ou seja, difusão significa basicamente também uma per- da de energia da luz que se expressa em uma capacidade de enfeixamento

10 menor, bem como implica em perdas pela luz que abandona pela difusão o sistema óptico prematuramente, não podendo ser utilizada. . Mas, também já passou a ser conhecida uma disposição para

.- luz misturada enfeixada.

Na patente US 2010 020565 Al (Seward) é propos- to que a luz colorida de forma diferenciada dos LEDS seja completamente

" 15 misturada em uma pequena esfera (Esfera de Ulbricht) e, sendo conduzida por uma vara coletora de luz para uma óptica convergente de enfeixamento intenso.

Na prática, esta proposta fracassa nas grandes perdas da luz de fusa das paredes da esfera, bem como no tamanho construído necessário e do esforço para esta disposição. 20 Basicamente já é conhecido de longa data uma transferência de luz através de condutores luminosos em uma de cujas extremidades irradi- am uma fonte de luz e cuja outra extremidade a luz refletida é distribuída por uma óptica.

Este sistema básico, todavia, pode ser modificado por um gran- de número diferenciado de parâmetros, de maneira que surge uma multipli-

25 cidade incomensurável de propriedades e possibilidades de conformação.

Considerando-se as especificidades de um condutor luminoso, além de muitas outras propriedades aceita-se geralmente que este condutor luminoso mistura a luz "per se" e, portanto, basicamente atua como um mis- turador de cores luminosas ou de intensidade, como eventualmente uma

30 superfície áspera ou um material transluzente de fuso, como, por exemplo, vidro leitoso.

Efetivamente, um condutor luminoso é um elemento óptico al- tamente transparente, realmente preciso, que não se diferencia em nada, na

" 5/18 sua fuhção, de uma lente óptica de um prisma óptico e de outros objetos ¥ ópticos.

No seu interior se produz uma irradiação que pode ser precisamente r

. determinada que depende apenas do tipo da fonte de luz e da sua ação so- bre a face de incidência. 5 A expressão de uma propriedade "misturadora" surge devido ao fato de que a luz é avançada por uma reflexão total múltipla nas paredes condutoras luminosas e, portanto, exercem tolerâncias de superfície de in- fluência muito grande sobre o resultado, porque mesmo as menores falhas de ângulo nas faces da parede serão duplicadas na reflexão total e "o circui-

lO to em série" que conduz numerosas reflexões resulta em outras tolerâncias da deflexão luminosa.

Portanto, condutores luminosos longos apresentam . realmente um efeito misturador que é formado por tolerância de fabricação

- - inevitável.

Todavia, condutores luminosos curtos, produzidos com muita pre- cisão, não apresentam qualquer efeito misturador, razão porque agem sobre

" 15 a luz como lentes ópticas ou prismas- Outro critério é a eficiência do sistema fonte de luz - condutor de luz, distribuição.

Sendo conduzido de mesma maneira boa como cada raio luminoso da fonte luminosa através do condutor luminoso, sendo irradiada de uma forma útil, a eficiência é quase de 100%. Praticamente, nem todos

20 os raios Iuminosos encontram o condutor luminoso, elas perdem a face de incidência ou serão ali refletidas.

Os materiais e superfícies absorvem tam- bém uma parcela da luz e na distribuição também muitos raios luminosos irradiarão em áreas não necessárias.

Especialmente condutores luminosos de feixes de fibras apresentam as chamadas "perdas de nesgas" entre as

25 fibras redondas, sendo que a luz é para ali irradiada, porém, não é avança- da.

Da mesma maneira também a camada Iateral de uma fibra de material de fracionamento baixo não está condições de avançar a Iuz.

Outro critério é o efeito óptico de um condutor luminoso.

Alar- gando-se o condutor luminoso, a luz será enfeixada já que a cada reflexão

30 na parede o ângulo do eixo de cada raio Iuminoso será reduzido.

Estreitan- do-se, todavia, a luz será difundida, quando é ultrapassado de forma muito rápida "a abertura" do condutor luminoso.

A Iuz incidirá então sob ângulos cada vez mais Íngremes sobre as paredes de reflexão até que possa sair 0 Iateralmente e ser perdido lateralmente do condutor luminoso. b.

A patente europeia EP 0 596 865 A2 descreve um dispositivo

W . para irradiação de luz, sendo que é usado um elemento óptico e, como fonte 5 de luz, uma LED. No caso, deve-se observar que para transferir a luz são usadas linhas de fibras de vidro que também podem apresentar curvaturas aleatórias. Pela ativação seletiva de LEDS diferenciados, será influenciado o ângulo de irradiação do feixe de luz global. Além disso, estas linhas de fibras de vidro, preferencialmente feixes de fibras, considerados especificamente 10 apresentam uma seção transversal de formato circular. O documento US 2009/0052189 Al revela uma disposição para

V produzir um Spotlight com enfeixe elevado e simultânea mistura das cores básicas R, G, B. Este irradiador LED abrange uma fonte de luz LED com . vários cristais LED, uma lente em forma de vara com a função de uma vara - 15 condutora de luz e um elemento óptico. Neste sentido o documento US 2009/0052189 A1 revela o conjunto básico conhecido, complementado por uma "primeira" óptica enfeixada que enfeixa a luz irradiada pela fonte de luz LED na face de incidência de uma vara condutora de luz quadrada que se estreita conicamente e cuja face de saída está situada no foco de um refle- 20 tor. No caso, a lente convergente primária está disposta diante da vara con- dutora de luz e a luz do LED será enfeixada na sua face de incidência sendo que, além disso, a lente em forma de vara apresenta um formato transversal que se estreita desde a fonte luminosa LED na direção da lente. Desta ma- neira, no documento US 2009/0052189 Al é usado principalmente um refle- 25 tor porque a vara condutora de luz que se estreita conicamente irradia a luz para um hemisfério que é mais fácil de ser enfeixada por um refletor. Por outro lado, no segundo sistema convergente apresentado no documento US 2009/0052189 Al, através de um espelho dicroitico a luz já foi previamente misturada. Estas diferenças essenciais baseiam-se no objetivo do documen- 30 to US 2009/0052189 Al de Iograr um enfeixamento máximo, ao passo que com a presente invenção deve ser logrado uma distribuição de luz determi- nada.

Por outro lado, o documento WO 2006/054199 Al revela uma

W fonte de luz que apresenta um dínamo com ao menos uma LED e/ou ao me- . . nos um elemento emissor de luz Iaser para gerar e acoplar luz em ao menos - um condutor de luz que abrange ao menos um elemento desacoplador para 5 o desacoplamento da luz. Constitui objeto da invenção, construir uma óptica que mistura de tal forma completa a luz dos cristais LED diferenciados de um LED Full- Color ou Multi-color deste tipo, de maneira que sua intensidade e direção permanecem preservadas em um espaço pequeno, e, em seguida, podendo 10 ser enfeixado de forma conhecida sem conformar para o observador diferen- ças de cores, linhas de cores, ou manchas de cores, sendo que a disposição terá de apresentar custo vantajoso e deve ser de dimensão reduzida. lsto se verifica de acordo com a invenção pelo fato de que a fon- . te de luz LED contém vários cristais LED, sendo que a face de entrada da " 15 Iuz da vara condutora de Iuz está disposta diante da face de saída de luz da fonte de luz e capta a Iuz de cada cristal, estendendo-se a vara condutora de luz perpendicularmente para com a sua face de entrada, sendo constante a sua seção transversal ou aumenta progressivamente e a saída da Iuz da vara condutora de luz encontra-se na faixa do foco da lente convergente 20 prevista na frente. Quanto à formuiação "na área do foco" observa-se que, visto do ponto de vista técnico, a face de saída de luz coincide possivelmen- te com o foco, ou seja, está situada na área diretamente circundante o foco, Além disso, de acordo com a invenção, o comprimento da vara condutora de luz representa um múltiplo do diâmetro da face de entrada.

25 A presente invenção baseia-se no uso de um LED RGB normal- mente comercializado com cristais nas três cores básicas vermelho, verde e azul (R, G, B) para produzir luz com mistura de cores aleatória. Enquanto que o próprio LED cumpre as exigências de uma mistura de cores, sendo que irradia a luz de cada cristal como chamado irradiador cosseno sobre um 30 hemisfério, não mais estará cumprindo esta mistura de luz quando uma ópti- ca, ou seja, uma objetiva de enfeixe de luz for posto na sua frente para en- feixar a irradiação de luz em uma determinada direção e fazer assim o seu

— reforço. Ocorre que os cristais geram na projeção cada uma, uma mancha » colorida. Estas manchas de cores, todavia, em virtude da disposição dos r . cristais lado a lado não se encobrem reciprocamente e, portanto, a luz enfei- xada não aprece na cor da mistura, porém, como uma mancha de cor.

5 Portanto, é necessário fazer uma espécie de "mistura de sepa- ração" das três cores luminosas e claridades por um elemento óptico adicio- nal entre LED e óptica a fim de obter uma cor de mistura uniforme. No caso deve ser obtida uma eficácia máxima e naturalmente uma forma de realiza- ção do custo vantajoso do elemento óptico que então será usado em grande 10 número de peças ind ividuais como pixel de um painel indicador. A eficiência elevada reduz o consumo de corrente e o aquecimento do painel indicador e, portanto, o esforço para o arrefecimento e os custos operacionais. O núcleo da invenção constitui, portanto, o emprego de uma va-

V . ra condutora de Iuz de conformação especial que está aplicada diretamente 15 na LED, acolhendo toda a sua luz, realizando uma "separação da mistura" e embocando diretamente, de forma inteiriça, na óptica convergente, com o que é proporcionada a maior possÍvel eficiência por um lado e por outro Iado também não é perdia a capacidade de enfeixamento da luz, de maneira que o diâmetro da óptica não será maior do que as ópticas convencionais com 20 LED monocromático da mesma forma de construção, ou seja, tamanho do alojamento. A luz que abandona a fonte de luz LED penetra logo na face de entrada no lado frontal da vara condutora de luz. A sua faixa angular será, portanto, reduzida de +/- 90° (hemisfério) pela fração da luz na dependência 25 do índice de refração do material condutor de luz, para um ângulo de, por exemplo, +/- 42° em relação ao eixo, eventualmente com o uso de Plexiglas. Como é conhecido, este ângulo é calculado como arco cosseno do valor re- cÍproco do Índice de refração. A vara condutora de luz pode ser produzida de materiais sintéticos transparentes adequados ou de vidros.

30 Com uma seção transversal constante da vara condutora de luz, a luz incidirá então sob o máximo de 42° nas paredes, razão porque total- mente refletida porque uma passagem pelas faces laterais aqui somente é possÍvel a partir de cerca de 48° para o eixo. Alcança, portanto, desta manei- . ra conhecida, através de uma reflexão total múltipla e sem perdas, as pare- . ~ des da vara condutora de luz até a sua saída de luz que pode perfeitamente - ter o mesmo tamanho como a face de entrada e será, portanto, misturada 5 pela conformação geométrica da vara condutora de Iuz. Sem outras medi- das, na saída a luz seria novamente difundia para +/- 90°. A saída da luz pode, portanto, como também a face de saída do LED, porém, vista com Iuz misturada, poderá ser enfeixada através de uma lente, convergente de forma conhecida. A mistura se verificará então essencialmente sem perdas de luz.

10 A mistura é uma sequência da conformação da camisa e do comprimento da vara condutora de luz. Devido ao grande número de possÍ- veis seções transversais, a explanação se restringe ao modo de ação para poucas formas simples, mas que não representa uma restrição da extensão . da proteção- - 15 Basicamente, cada condutor de Iuz mistura a luz incidente de- pois de cobrir um determinado percurso, o que é realizado de forma unifor- me pela saída da luz. Além da conformação geométrica, constituem causas especialmente pequenos desvios geométricos da superfície, aspereza da superfície, inclusões no material ou uma curvatura da vara condutor de luz 20 que influenciam o ângulo de deflexão e, portanto, contribuem para a mistura da luz. Estas difusões também abrangem perdas quando os ângulos reflexi- vos forem alterados em tal extensão que a luz não é mais totalmente refleti- da, sendo perdida por saída lateral. E quanto mais extenso for o condutor de luz, tanto mais luz é perdida pela absorção no material.

25 No emprego de acordo com a invenção, o comprimento da vara condutora de Iuz convenientemente é mantido o mais curto possÍvel. A mis- tura será exclusivamente realizada pela geometria do condutor de luz, sendo que desvios da geometria ou do material para aprimorar a mistura pelo efeito difusor reduz a eficiência e não são aqui nem desejáveis nem necessários.

30 Além disso, a vara condutora de luz distribui a luz de cada cristal dentro do mesmo comprimento condutor de luz uniformemente sobre a saída da luz, independente se um cristal está posicionado no centro ou na área marginal da face de entrada. y A invenção será, agora, explicada com base no desenho. A Fig.l

W . e Figu. 2 apresentam vistas por cima para retículas diferenciadas de ima- - gens especulares da fonte de luz, a Fig. 3 apresenta um corte por uma dis- 5 posição de acordo com a invenção juntamente com a passagem dos raios, as Fig. 4 e 5 apresenta ópticas de acordo com a invenção. Se considerarmos, inicialmente, uma vara condutora de luz com uma seção transversal retangular constante na frente de uma fonte de Iuz de saída de luz aproximadamente da mesma extensão como também mostrado 10 na Fig. 3, então a sua ação, baseado na Fig. 1, poderá ser descrita da se- guinte maneira: Quando se observar, em um modo imaginário, um ponto imedia- tamente dentro da saída de luz 4 da vara condutora de luz 2 contra a fonte . de luz 1, então — devido a reflexão total nos lados — a vara condutora de Iuz " 15 2 apresenta-se como um tubo retangular de espelhos planos. A fonte de luz 1 visível pela face de entrada de luz 3 se reflete não somente em todas as 4 paredes laterais, porém, surge - pela reflexão de espelhos múltiplos das fa- ces especulares paralelas opostas — uma padrão retangular de imagens es- peculares la, lb, lc, ... da mesma fonte de luz 1. Trata-se aqui de um efeito 20 comparável com uma visão para um chamado caleidoscópio. A fonte de luz 1 apresenta aqui três cristais, R, G, B de cor diferenciada, especialmente vermelho, verde e azul, cujas imagens refletidas Ra, Rb, Rc, ... Ga, Gb, Ge, ... Ba, Bb, Bc, ... também estão desenhadas. Se a vara condutora de Iuz 2 for conformada com arestas agudas, então a visão para todas as imagens 25 especulares é possÍvel de uma forma desobstruída. No caso de maiores rai- os de cantos, várias imagens refletidas seriam encobertas pelo raio, ou seja, resultariam reflexões nos próprios raios com o que a apresentação seria pre- judicada. Se o cristal LED R, G, B não se encontrar no centro da face de 30 entrada 3, então várias imagens especulares estão posicionadas mais estrei- tas entre si, outras mais distânciadas, sendo que na média nada se altera essencialmente porque cada imagem especular permanece naturalmente dentro de sua face de entrada retangular também incluída na reflexão espe- . cular.

O campo das imagens especulares é limitado pelo ângulo limite de- . - pendente do material da reflexão total com cerca de 42° para Plexiglas, sen- · do que imagens especulares de LED previstas mais exiernamente não mais 5 podem irradiar luz na direção da saída da luz e, portanto, são inexistentes.

Quanto mais longa a vara condutora de Iuz 2, tanto mais distante encontra- se o observador e tanto maior será o campo visível de imagens especulares, tanto menores serão as diferenças de ângulos de visualização entre as ima- gens especulares e tanto maiores serão a uniformidade como um todo.

A

10 restrição da visibilidade pelo ângulo (imite da reflexão total requer, portanto, um comprimento de tal ordem da vara condutora de luz que para a uniformi- dade desejada da mistura, o número suficiente de imagens especulares es- tão situadas no campo visual.

A representação no desenho pode no canto seNir como ponto de apoio, sendo que em uma direção 7, na outra direção

" 15 9, podem se reconhecer imagens especulares com original.

Mediante inclu- são do ângulo limite de cerca de 42° pode-se partir do pressuposto de que uma vara condutora de luz 2, que é de 8 a 10 vezes mais extensa como sua fàce de entrada 3, fornece resultados de separação de mistura muito bons.

No uso de LED FullColor normalmente comercializados para indicações de

20 vÍdeo de imagens grandes são apenas cerca de 20mm de comprimento de vara condutora de luz.

Como também o original, cada imagem especular irradia um fei- xe completo de raios luminosos dentro da área angular até cerca de 42°, portanto, também até aquele ponto da saída da luz.

Os feixes de luz se d ife-

25 renciam apenas com a intensidade e frequentemente também na sua cor, na dependência da sua direção de irradiação.

Na presença de imagens especu- lares em número suficiente surgirá, portanto, uma iluminação extraordinari- amente uniforme da saída da luz pela soma dos feixes de raio de luz de ca- da cor e de cada direção de uma imagem especular e da cIaridade indepen-

30 dente da direção dos cristais LED.

Mesmo as diferenças da posição dos cris- tais LED dentro da fonte de luz se compensam reciprocamente porque uma imagem especular na média está mais próxima, e a próxima imagem espe-

—

cular está mais distante, o que, no efeito global, praticamente se neutraliza. - Por um comprimento maior da vara condutora de luz, a qualidade da mistu- - · ra, devido ao aumento do número de imagens especulares, poderá ser adi- · cionalmente aprimorada. 5 A Fig. 1 que não somente a visão global das imagens especula- res, desperta a impressão de uma distribuição uniforme, porém, cada cor isoladamente está distribuído de forma relativamente uniforme e regular den- tro da visão global, como mostram as três vistas separadas de acordo com R, G, B. imediatamente antes da saída da luz da vara condutora de Iuz 2

10 reina, portanto, uma distribuição clara e uniforme da luz na cor misturada, dentro do ângulo limite de cerca de 42°. A visualização por dentro da saída da Iuz 4 para o campo das imagens especulares é realmente a soma das visualizações em todas as . direções possÍveis para a mesma fonte de luz 1, com o que surge uma im-

' 15 pressão global média de cor e de claridade, o que equivale perfeitamente a uma mistura física de todos os raios luminosos, eventualmente por difusão.

Todos os raios luminosos que penetraram na vara condutora de luz abandonam novamente a saída de Iuz de idêntica dimensão e no mesmo ângulo.

Assim sendo, apesar de perdas de faces limite bem como na condu-

20 ção luminosas fisicamente quase inevitáveis, a mistura das cores e da clari- dade se processa sem perdas, e, portanto, a eficiência de um enfeixamento subsequente é essencia|mente elevado de modo inalterado.

Fica evidenciado que tais campos de imagens especulares com formas geométricas da vara condutora de luz são formadas que podem pre-

25 encher um plano sem vãos e de modo uniforme, ou seja, representando um triângulo de faces idênticas, retângulo e quadrado, bem como um hexágono regular, como mostrado na Fig. 2. Essas seções transversais de varas con- dutoras geram sempre uma face sem vãos e sem superposições de imagens especulares com uma distribuição regular de retícula, desde que as faces

30 especulares também sejam adjacentes em arestas agudas.

A mistura das cores e as claridades é produzida conforme acima misturado nem pelos pro- cessos de mistura nem pelo efeito difusor, porém, através de uma disposi-

ção virtual regular de fontes de luz de construção idêntica com imagens es- . peculares da mesma fonte de Iuz que transmitem a sua luz para a saída da »' - luz.

A possibilidade da focalização permanece também preservada em toda - sua plenitude porque a seção transversal de entrada e de saída da vara 5 condutora de luz pode ser de idêntica dimensão.

E como a posição de cristal na sua ação na média é compensada amplamente, também a dependência dos resultados da mistura correlata é extremamente reduzida.

A mistura uniforme isoladamente não constitui único critério para a conformação óptica, porque também precisa ser Ievado em conta a dire-

lO ção de irradiação dos raios luminosos após a saída da luz.

No caso de uma disposição regular de imagens especulares discretas dos cristais LED, tam- bém são emitidos raios luminosos nas direções discretas pertencentes, em contrário a saída da fonte de luz não mais representam, portanto, um feixe de luz homogêneo divergente.

Sem uma óptica precedente, a Iuz irradiada

" 15 geraria um padrão de pontos Iuminosos claros, porque cada imagem espe- cular do LED produz o seu próprio feixe de luz pela saída de luz na respecti- va direção de irradiação.

Este efeito é uma sequência do método de mistura presente.

No caso de uma mistura real de todos os raios Iuminosos o feixe de luz seria da mesma forma homogênea como também na saída da própria

20 fonte de luz.

A Fig. 3 apresenta esta circunstância de uma forma simplificada para a luz de um cristal LED R, sendo que por motivos de visibilidade são apresentados apenas raios de luminosidade axial R, Ra, Rb, Rc,..., sempre representando um feixe de irradiação de luz estreito.

A luz refletida das ima-

25 gens especulares pela saída de luz 4 forma um conjunto de feixes individu- ais estreitos. lsto é representado para o ponto central F da saída de luz, bem como para um ponto P lateral aleatório da saída de luz, para o qual a direção da irradiação dos feixes de luz estreitos se modifica apenas em reduzida extensão. 30 Se após a vara condutora da luz 2 for posicionada uma lente convergente 5 de tal modo que a saída da luz 4 se encontre precisamente no seu foco F, então os feixes de raios Iuminosos divergentes e presentes em cada ponto P da saída de luz 4, seriam enfeixados pela lente convergen- . te na direção p, correspondente a este ponto P, pelo chamado ponto central P.

. H da lente convergente 5. Os feixes de raio de luz que atravessam o ponto central da saída de luz F serão axialmente alinhados em sentido paralelo. Os 5 feixes dos pontos laterais correlatos da saída da luz serão direcionadas em paralelo para com as direções p correspondentes. A salda da luz 4 será, por- tanto, de acordo com as leis ópticas, projetada para o infinito, sendo que ca- da ponto P da salda da luz 4 se reflete em uma determinada direção p de- terminada de acordo com as leis ópticas independente da direção que apre- lO sentam os diferentes raios luminosos que abandonam este ponto. A distribu- ição da luz desta disposição óptica é, portanto, uma área de claridade uni- forme, de cor idêntica, em posição invertida, na forma da saída de luz 4. Esta distribuição de luz poderá ser adicionalmente adequada as m . exigências por geometrias de ação óptica ou estrutura difusoras na área da 15 lente convergente 5. É evidente que a saída da luz deve ter já um formato favorável para a distribuição adicional de luz desejada inclusive difusão. Por exemplo, a distribuição por ser difundida por meios de nervuras no came 7 na face de saída 6 da Iente coletora 5 na largura. A cIaridade inicialmente uniforme será assim — relativamente a uma distribuição de claridade deseja- 20 da - modificada e alargada sem prejudicar a cor misturada. Em outra conformação da invenção, a vara condutora de luz 2 também pode se alargar conicamente. Como é conhecido, desta maneira a luz será enfeixada na barra condutora de Iuz, sendo que o pIano oblíquo de cada raio de luz será reduzido para o eixo a cada reflexão total na parede 25 pelo valor duplo do ângulo cônico ali reinante. No caso de uma seção trans- versal retanguiar, poderá ser feito um enfeixamento em direção horizontal, vertical ou em todas as direções. A saída da luz 4 aumenta, portanto, de modo correspondente diante da face de entrada 3. Observando-se agora através desta unidade na vara condutora deluz, em seu interior, então a dis- 30 posição em forma reticulada das imagens especulares se curvam em uma ou nas duas direções no sentido de afastamento do observador. No caso, a redução dos ângulos de irradiação de luz resultam em uma redução do nú-

mero de imagens especulares eficazes, o que pode ser compensado um » prolongamento adequado da vara condutora de luz 2. A própria mistura fun- . ciona, todavia, da mesma maneira como antes. O aumento da saída de luz 4 · possui uma redução de alíquota da densidade luminosa, portanto, tem como 5 consequência um maior enfeixamento de saída da luz. As versões esboçadas de seções transversais de varas conduto- ras de luz apresentam o mesmo principio de funcionamento. Mas podem também ser usados outras seções transversais aleatórias, também com fa- ces limitadoras curvas. As diferentes imagens especulares se transformam 10 depois para formas de figuras distorcidas que frequentemente não mais po- de ser reconhecidas como imagens especufares e a mistura somente poderá r.

ser vista na integra através de imagens especulares diferenciadas, verifican- do-se superposições ou vãos nas imagens especulares. A mistura, portanto, é geralmente nitidamente pior e no modo de funcionamento completamente 15 impossível de ser visualizada. O necessário comprimento de uma vara con- dutora de Iuz deste tipo poderá depois somente ser determinada através de uma simulação ou ensaio. Uma mistura muito deficiente apresenta, no caso, uma seção transversal em formato circular, já que um raio de luz que atravessa o cen- 20 tro, após cada reflexão atravessa somente o centro e um raio de luz que passa ao longo do centro será refletido sempre ao redor do círculo. Um a- primoramento dependerá, portanto, do efeito difusor adicional por meio de tolerâncias da geometria da aspereza de superfície, de irregularidades no material ou em uma curvatura da vara condutora de luz. Recomenda-se, por- 25 tanto, onde sempre for possível, selecionar polígonos com a seção transver- sal de acordo com a invenção, para não ficar exposto aos efeitos difusores caracterizados por perdas. Nessas seções transversais e outras, não circula- res, como raio deve ser estabelecido o raio equivalente. Este raio equivalen- te é aquele raio que apresenta um círculo de uma face transversal idêntica 30 da seção transversal observada. Em outra conformação da invenção, a saída da luz 4 pode estar presente apenas de maneira virtual, sendo que a lente convergente 5 segue-

se diretamente e de forma inteiriça a vara condutora de luz 2. Assim sendo, « a luz não mais precisará sair do condutor de luz e tornar a entrar na Iente

H - convergente, porém, poderá continuar sem perdas de áreas limites até que - abandone a lente convergente. Esta forma de construção é muito compacta 5 e eficiente. Outra modalidade se refere ao uso de geometrias opticamente atuantes na área da lente coIetora. Se, por exemplo, a face de salda da lente coletora estiver sobreposta por uma estrutura, então a imagem Iuminosa por esta estrutura será modificada, difundida. Mas, também é possível entre a 10 saída de Iuz virtual e a face de saída da lente convergente, direcionar, even- tualmente através de faces de reflexão total, uma parcela da luz para outras zonas que normalmente pemanecem escuras. A geometria da seção trans- versal do condutor de luz a ser selecionada de tal maneira que juntamente com medidas simples condutoras da luz, seja lograda precisamente a distri- 15 buição de luz desejada, pode ser solucionada especialmente através de uma simulação computadorizada. A Fig. 4 apresenta uma óptica com as conformações menciona- das diante de uma fonte de luz LED de FullColor. A vara condutora de luz 2 alarga-se conicamente em direção horizontal, sendo que em sentido vertical 20 é mantido em nível constante. A posição da saída da luz 4 será determinada pela extremidade inferior e superior da vara condutora de luz 2. A saída da luz 4 é apenas presente de maneira virtual porque o material estende-se mais adiante até a tampa de saída 6 da lente convergente 5 cujo foco está situado na salda da luz 4 virtual. Em sequência a vara condutora luz 2, na 25 superfície está aplicada uma face 8 inclinada que gera uma imagem especu- lar da saída de luz virtual diretamente acima em posição limítrofe, e da mesma maneira serão continuadas as faces laterais da vara condutora de luz, sendo que também estas geram uma imagem especular limítrofe da saí- .da de luz virtual. A projeção da saída de luz 4 pela lente convergente 5 para 30 o infinito inverte as direções e, portanto, ela aponta lateralmente e abaixo do retângulo projetado ainda faces luminosas 9, 9a que se estendem adicio- nalmente e que são formadas pelo reflexo da saída nas faces 8 e 8a, razão porque aqui no somatório surge uma distribuição de luz essencialmente tri- . angular.

As faces 9, 9a refletidas estão, portanto apenas dispostas parcial- . · mente e também apresentam um grad iente de claridade porque apenas uma · parte dos raios luminosos pode alcançara da saída de luz 4, através da limi- 5 tação angular, cerca de 42° das faces reflexivas 8, 8a.

Uma grande perda dessas faces especulares limltrofes é a convergência sem costura na distri- buição da luz entre a imagem da saída da luz e das faces 9, 9a especulares.

A tampa 6 da Iente convergente 5 podem estar superposta por uma estrutura difusora 7 a qual, ao todo, produz um ligeiro efeito difusor e, portanto, não

10 apenas uma uniformização da distribuição de luz, mais também um percurso nas bordas na distribuição luminosa.

A seleção da melhor possÍvel seção transversal e a disposição dos cristais LED na própria fonte de luz é uma questão das condições mar- . ginais e da distribuição de luz necessária, bem como da formação das ópti-

" 15 cas- Uma seção transversal livremente fixada pode ter a sua confir- mação especialmente na forma da sua geometria de saída, onde, juntamen- te com a lente convergente 5, é exigida uma distribuição luminosa especial.

Assim sendo, é eventualmente, possÍvel, conforme mostrado na Fig. 5, sele-

20 cionar para a seção transversal do condutor luminoso, um formato cruzado ou em foma de seta ou outro sÍmbolo aleatório, o qual será depois projetado pela lente convergente 5 para uma tela ou para o infinito, sendo que isto o- corre com claridade uniforme e cor padronizada e alterável de modo aleató- rio.

Contrário a uma solução com uma máscara de cobertura, a geração dire-

25 ta do sÍmbolo Iuminoso é sem perdas e correspondentemente de intensidade luminosa.

No caso de uma seção transversal condutora de luz, de confor- mação aleatória, também deve-se examinar se a mistura dos cristais LED no centro, comparado com cristais nas áreas marginais, se verifica de modo

30 diferenciado satisfatório.

Eventualmente terá de ser previsto uma vara con- dutora de Iuz 2 mais longa.

Ao invés de LEDS de FullColor ou Multi-LED também podem ser usados LEDS individuais pequenos, eventualmente os chamados Chip-LED ^ em uma disposição adensada.

No caso, podem ser combinadas cores indi- . · viduais aleatoriamente.

Também é possÍvel a utilização de cores idênticas a · fim de aumentar a claridade geral, mas também para montar uma fonte lu- 5 minosa redundante com vários cristais, eventualmente para tarefas de segu- rança.

No caso de falha de um LED ou reversão para o outro, não se pode reconhecer uma modificação da distribuição da luz ou na imagem apresen- tada.

Todavia, em caso de necessidade, também a cor pode ser trocada de acordo com o que for desejado. 10 A fonte luminosa da óptica pode naturalmente também ser equi- pada apenas com um único cristal LED.

Desta maneira, também para uma cor individualizada, será gerada a mesma distribuição de luz com custos

. · menores, porque frequentemente painéis de indicação de cores integrais apresentam, em posição Iimítrofe regiões monocromáticas, eventualmente

15 para texto adicional.

No caso dos LEDS brancos frequentemente apresenta-se a falha de que no centro é refletido uma luz azulada do cristal LED azul na direção da margem, todavia, luz amarelada da massa de conversão a óptica de a- cordo com a invenção também mistura completamente estas diferenças de

20 cores resultantes pela construção do LED, porque a face luminosa hetero- gênea da luz LED branca sempre poderá ser considerada como um conjunto global de vários cristais LED com cores e claridades diferenciadas.

A presente invenção, também, pode ser empregada em outros empregos aleatórios, por exemplo, podem ser empregadas ópticas em uma

25 disposição adensada como refletores para palco com trocadores de calor, ou podem ser usados como SpotLight na área da iluminação geral ou de efei- tos, mas também como lanternas de bolso ou como sinalizadores.

Para tan- to, a óptica pode ser aleatoriamente graduada, de maneira que podem ser empregados LEDS de potência forte que também podem ser obtidos com

30 vários cristais LED em um alojamento conjunto ou na construção de Chip- on-8oard com uma face de saída pIana.

Claims

REIVINDICAÇÕES ^ 1. Óptica convergente misturadora de cores e de luz, especial- . - mente como pixel compatível com cores integrais para painéis indicadores, - reprodutores de imagens, ao ar livre, para Iuzes Spot ou sinalização, consti- 5 tuído de uma fonte de luz LED bem como de uma vara condutora de luz dis- posta na sua frente e uma lente convergente, caracterizado pelo fato de que, a fonte de luz LED (1) contém vários cristais LED (R, G, B), a face de entra- da de luz (3) da vara condutora de luz (2) está disposta diante da face de saída de luz da fonte de luz LED (1) e capta a luz de cada cristal LED, sendo 10 que a vara condutora da luz (2) se estende perpendicularmente para com a face de entrada (3) e sendo constante a sua seção transversal ou aumenta progressivamente e a saida da luz (4) da vara condutora de Iuz (2) se encon-

P tra na área do foco (F) da lente coletora (5).
2. Óptica convergente de acordo com a reivindicação 1, caracte- 15 rizado pelo fato de que, a vara condutora de Iuz (2) apresenta um compri- mento que é um múltiplo do diâmetro da face de entrada (3).
3. Óptica convergente de acordo com a reivindicação 1, caracte- rizado pelo fato de que, os cristais LED irradiam cores diferenciadas.
4. Óptica convergente de acordo com a reivindicação 1, caracte- 20 rizado pelo fato de que, a fonte de luz (1) é um LED FullColor ou Multi-LED com um número de cristais e/ou cores em um alojamento conjunto.
5. Óptica convergente de acordo com a reivindicação 4, caracte- rizado pelo fato de que, a fonte luminosa (1) é um LED FullColor ou Multi- LED com três cristais nas cores básicas vermelho, verde e azul.
25 6. Óptica convergente de acordo com a reivindicação 1, caracte- rizado pelo fato de que, a fonte de luz (1) é constituída de vários LEDS com cristais individuais e mesma direção de irradiação em uma disposição aden- sada.
7. Óptica convergente de acordo com a reivindicação 1, caracte- 30 rizado pelo fato de que, a fonte de luz (1) é constituída de vários cristais em uma placa de circuito comum na técnica Chip-on-8oard.
8. Óptica convergente de acordo com a reivindicação 1, caracte-
rizado pelo fato de que, os cristais LED são operados em fontes de corrente ^ eletricamente separadas e na interferência de um circuito ou outro ou o pró- 4 - ximo cristal LED continua a ficar aceso e desta maneira é conseguido uma - segurança contra falha ou também de uma troca de cores na irradiação. 5 9. Óptica convergente de acordo com uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que, as faces de saída de luz dos LED são imediatamente adjacentes da face de entrada (3) da vara condutora de luz (2)-
10. Óptica convergente de acordo com uma das reivindicações 1 10 a 9, caracterizado pelo fato de que, a face da vara condutora de luz (2) é formada de planos que são limítrofes em arestas agudas e, portanto, cada seção transversal apresenta a forma de um pollgono.
11. Óptica convergente de acordo com a reivindicação 10, ca- . racterizado pelo fato de que, a seção transversal do condutor de luz é um 15 triângulo de faces idênticas ou hexágono regular, um quadro ou retângulo.
12. Óptica convergente de acordo com a reivindicação 10 ou 11, caracterizado pelo fato de que, a seção transversal da vara condutora de luz (2) permanece constante no seu comprimento ou se alarga progressivamen- te.
20 13. Óptica convergente de acordo com uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que, a vara condutora de luz (2) em todas as suas superfícies é opticamente polida em forma Iisa com alto brilho e o seu material está isento de componentes difusores de luz.
14. Óptica convergente de acordo com uma das reivindicações 25 10 a 13, caracterizado pelo fato de que, a saída da luz (4) da vara condutora de luz (2), nos seus contornos, corresponde amplamente a distribuição de luz que é necessária e que é invertida, sendo que pela luz em passagem pela lente convergente (5) precedida, de acordo com a lei da projeção óptica é feita uma irradiação na forma de um contorno verticalizado.

30
15. Óptica convergente de acordo com uma das reivindicações 12 a 14, caracterizado pelo fato de que, a seção transversal do condutor de luz apresenta o formato de uma seta de uma cruz ou de um símbolo seme-

^ lhante.
16. Óptica convergente de acordo com uma das reivindicações 1 4 - a 15, caracterizado pelo fato de que, a lente coIetora possui em sequência - estrutura ópticas pelas quais a distribuição da luz é alterada ou difundida. 5
17. Óptica convergente de acordo com a reivindicação 16, ca- racterizado pelo fato de que, as estruturas ópticas (7) estão superpostas na face externa (6) da lente convergente (5).
18. Óptica convergente de acordo com uma das reivindicações 1 a 17, caracterizado pelo fato de que, a saída da luz (4) da vara condutora de 10 luz (2) está presente apenas em forma virtual e a vara condutora de luz (2) converge imediatamente na lente convergente (5)- . 19. Óptica convergente de acordo com uma das reivindicações 1 a 18, caracterizado pelo fato de que, em prolongamento de faces (8, 8a),
N opticamente atuantes em probngamento do condutor de luz (2), ou estrutu- 15 ras de superfície (7) estão adjacentes que enfeixam, defletem ou difundem a luz emitida pela refração ou pela reflexão total.
20. Óptica convergente de acordo com a reivindicação 1, carac- terizado pelo fato de cjue, a fonte de Iuz (1), pelo emprego de material de conversão, apresenta uma face de saída de Iuz com uma disposição sem 20 vãos de cristais LED que possuem propriedades localizadas diferenciadas de cores e de claridade.