ES2326389T3 - Modulo de iluminacion por led. - Google Patents

Abstract

Módulo de iluminación por LED con un diodo luminoso (LED) (23), así como un sistema óptico antepuesto (10) transparente a la luz, de una sola pieza y con simetría de rotación, con una parte interior de lente colectora (14) y una parte reflectora exterior (16), con un orificio posterior (11) a modo de agujero ciego que está limitado por una superficie envolvente (12) cónica o con sección curvada, y una superficie base (13) de abombamiento convexo, y que tiene un diámetro de envolvente que permite un desplazamiento axial longitudinal del cuerpo del LED (23) en el orificio (11) a lo largo del eje óptico (20) de la lente antepuesta (10), estando formada la parte de lente conectora (14) por la superficie base (13) de abombamiento convexo como superficie de entrada de la luz y una cara anterior también abombada convexa de superficie de salida de la luz (15), y la parte reflectora (16) formada esencialmente por la superficie envolvente (12) del orificio como superficie de entrada de la luz, una superficie envolvente exterior (17) en forma de casquete, con superficie reflectante total de la luz y una superficie anterior de forma cónica de salida de la luz (18), caracterizado porque el diámetro menor del orificio cónico es >= 9 mm y/o la altura total del sistema óptico antepuesto está entre 9 mm y 16 mm, de modo que todas las superficies de entrada de luz y de salida de luz (12, 13, 15, 18) refractan los rayos de luz que inciden oblicuamente, de tal modo que la luz radiada por el LED se radia esencialmente en su integridad, pero en particular en más del 85% hacia adelante, y porque mediante el desplazamiento axial longitudinal del LED (23) se puede obtener una variación del cono de luz desde un cono de luz con un ángulo de conicidad = 20º, y donde por lo menos en una posición del LED respecto al orificio (11) del sistema óptico antepuesto (10) se ilumina homogéneamente una zona interna de cono luminoso a través de una superficie de sección perpendicular al eje óptico, iluminando preferentemente de modo homogéneo a 2,5 m de distancia un círculo de 0,80 m de diámetro.

Description

Módulo de iluminación por LED.

La invención se refiere a un módulo de iluminación por LED con un LED y con un sistema óptico antepuesto de una sola pieza transparente a la luz con simetría de rotación que lleva una parte interior de lente colectora y una parte exterior reflectora, así como un orificio ciego en la parte posterior.

Esta clase de módulos de iluminación por LED se emplean por ejemplo en linternas de bolsillo. Las linternas conocidas por el estado de la técnica que están equipadas con una bombilla incandescente llevan en parte una cabeza de linterna que se ensancha cónicamente hacia la superficie frontal en cuyo interior está situado un espejo cóncavo, generalmente de forma parabólica, en cuyo foco está situada la bombilla incandescente o su filamento incandescente. Mediante esta disposición se trata de asegurar un rendimiento lumínico óptimo. El inconveniente es que estas superficies de espejo cóncavas pueden ensuciarse con facilidad, o la superficie especular puede palidecer por efectos de corrosión, de modo que se va debilitando la reflexión de la luz.

En época más reciente han aparecido en el mercado linternas de bolsillo equipadas con un diodo luminoso. Los diodos luminosos tienen un consumo de corriente considerablemente menor que las bombillas incandescentes, y generalmente pueden trabajar con una tensión de trabajo menor, por lo que basta utilizar como fuente de alimentación baterías de cuerpo pequeño (pilas miñón). Mediante el empleo de diodos luminosos se pueden fabricar en particular linternas de bolsillo de tamaño menor, de modo que se pueden llevar cómodamente como colgantes de llavero o similares. Además del menor consumo de corriente, los diodos luminosos son también especialmente insensibles a los impactos y golpes, debido a su construcción. Además, los diodos luminosos tienen una vida útil extremadamente larga, de modo que puede prescindirse del cambio de bombillas incandescentes que antes era necesario realizar con frecuencia. También al utilizar diodos luminosos como fuente de luz se aprovecha óptimamente la emisión de luz existente. El empleo fundamentalmente posible de un reflector, que se encuentra en parte en las linternas, tiene los inconvenientes ya citados. Además es deseable poder evitar también este componente.

En algunas linternas de bolsillo conocidas por el estado de la técnica hay una lente colectora situada en la superficie de salida de la luz, que en una posición en la que el lugar de la emisión de la luz está situado en el foco de esta lente colectora permite emitir un haz de luz paralelo. En un perfeccionamiento se ha propuesto también una cabeza de lámpara desplazable longitudinalmente en dirección axial, que permite variar la posición de la lente colectora con respecto al LED. De este modo se puede modificar dentro de ciertos límites la característica del haz luminoso. Ahora bien, esta forma de construcción solamente se puede emplear con aquellos diodos luminosos cuya radiación ya esté concentrada hacia adelante. Si los diodos luminosos radian también partes importantes de la luz hacia los lados, es decir con un ángulo grande respecto a su eje, se desaprovecha esta luz. Los diodos luminosos de alto rendimiento actuales están construidos en parte de modo que la radiación salga únicamente bajo un gran campo angular respecto al eje. Para esta clase de diodos luminosos tiene sentido el empleo de sistemas ópticos antepuestos.

Por el estado de la técnica se conocen cuerpos de lentes que están realizados a modo de prisma o radiante, macizos con una superficie frontal plana o con un abombamiento ligeramente convexo. En la cara posterior estos cuerpos de lente tienen una escotadura en la que penetra el cuerpo de vidrio del LED. La superficie anular de la base del LED asienta en este caso plana contra la correspondiente superficie anular del cuerpo de la lente, con lo cual se dispone el punto de emisión de luz del LED en una posición fija de modo que la luz emitida en la zona del eje óptico hacia la apertura se refracta debido al efecto colimador formando un haz de rayos luminosos paralelos. La luz emitida con un ángulo superior respecto al eje óptico se refleja totalmente al rebasar el llamado ángulo límite y se desvía de acuerdo con la curvatura de la superficie, así como del ángulo de reflexión resultante. En un sistema óptico antepuesto de esta clase, conocido por ejemplo por el documento US 6.478.453 B2 o el US 6.547.423 B2, la característica de radiación de la lámpara es fija.

Otro cuerpo de lente se conoce por el documento US 2.254.962. La lente presenta un orificio para alojamiento de una fuente luminosa. Además hay una parte de lente colectora dispuesta centrada en la lente, la cual está rodeada de un reflector de forma elíptica.

El objetivo de la presente invención es el de perfeccionar un módulo de iluminación compuesto por un LED y por un sistema óptico antepuesto.

Este objetivo se resuelve por el módulo de iluminación por LED según la reivindicación 1.

El sistema óptico antepuesto transparente a la luz, de una sola pieza y con simetría de rotación presenta una parte interior de lente colectora y una parte exterior reflectora, así como un orificio ciego en la cara posterior, que está limitado por una superficie envolvente cónica o de sección cónica en arco y una base convexa abombada, y que tiene un diámetro de envolvente que a lo largo del eje óptico de la lente antepuesta permite el desplazamiento axial longitudinal del cuerpo del LED en el orificio. Esto quiere decir que el desplazamiento axial longitudinal del conjunto compuesto por el cuerpo de vidrio del LED y la base se puede desplazar dentro del orificio ciego, de modo que mediante un movimiento relativo del LED respecto al orificio ciego a lo largo del eje óptico se pueden ajustar de modo variable diferentes características de radiación con distintos ángulos de cono de los haces de radiación luminoso. De acuerdo con la invención está previsto que el diámetro más pequeño del orificio cónico sea \geq 9 mm, y que la altura total del sistema óptico antepuesto está entre 9 mm y 16 mm. De este modo resulta posible que dentro del orificio se puedan desplazar axialmente en dirección longitudinal todos los diodos luminosos corrientes incluidas sus bases, incluso de modo que se pueda introducir el LED con la base en el orificio posterior. La altura total del sistema óptico antepuesto debe de estar entre 9 mm y 16 mm, lo cual resulta posible por la combinación de una parte de lente colectora con una parte reflectora exterior.

La parte de lente colectora tiene como superficie de entrada de la luz una superficie base abombada convexa y una superficie de salida de luz también abombada convexa en la parte anterior. La parte reflectora que sigue inmediatamente por el exterior dentro del marco del sistema óptico antepuesto está formada esencialmente por la superficie envolvente del orificio ciego como superficie de entrada de la luz, por una superficie envolvente exterior en forma de casquete como superficie que refleja totalmente la luz, y por una superficie anterior de salida de luz de forma cónica. Todas las superficies de entrada de la luz y de salida de la luz refractan los rayos luminosos que inciden oblicuamente de tal modo que la luz emitida por el LED es radiada esencialmente en su integridad, pero en particular en más del 85% hacia adelante, y mediante un desplazamiento axial longitudinal del conjunto del LED se puede conseguir una variación del cono luminoso desde un cono luminoso con un ángulo de cono \leq 12º hasta un ángulo de cono \geq 20º. Por lo menos en una posición relativa del LED respecto al orificio ciego del sistema óptico antepuesto se puede iluminar una zona de cono luminoso interior perpendicular al eje óptico de modo homogéneo a través de una superficie transversal, preferentemente de tal modo que a 2,5 m de distancia se ilumine de forma homogénea un círculo de 0,80 m de diámetro. Dado que sólo depende del desplazamiento relativo del LED respecto al sistema óptico antepuesto se puede conseguir este objetivo bien por medio de un sistema óptico antepuesto desplazable axialmente en dirección longitudinal y estando montado fijo el LED, o por un LED desplazable axialmente en dirección longitudinal, estando montado fijo el sistema óptico antepuesto, o mediante un desplazamiento combinado del sistema óptico antepuesto y del LED.

Preferentemente se elige la solución de modo que el sistema óptico antepuesto esté instalado fijo en una cabeza de linterna que sea desplazable longitudinalmente en dirección axial respecto al restante cuerpo de la linterna en el cual está también instalado fijo el LED. Eventualmente puede estar prevista para esto una guía axial longitudinal o de forma helicoidal.

El desplazamiento en ambos sentidos del LED fuera del foco o de un plano focal de un cuerpo de lente, con lo cual se obtienen radiaciones estrechas o anchas, es decir haces de rayos luminosos de mayor o menor diámetro, se conoce en principio conforme al estado de la técnica. Ahora bien, hasta ahora la tendencia estaba esencialmente en generar un haz de rayos luminosos con un conjunto sensiblemente paralelo de distintos rayos luminosos. En el caso buscado de un paralelismo riguroso de los rayos luminosos, el campo iluminado estaría limitado al diámetro del sistema óptico antepuesto, si se supone una fuente de luz puntual. Si bien los desplazamientos del LED fuera del plano focal dan lugar a un ensanchamiento del cono luminoso, sin embargo la intensidad luminosa disminuye según aumenta en dirección radial la distancia desde el eje óptico hacia el exterior. Al realizar el sistema óptico antepuesto a modo de una lente de Fresnel con una parte de lente colectora y una parte reflectora, se puede combinar la característica de colimador de la lente colectora con la característica reflectora de la parte exterior del sistema óptico antepuesto, de tal modo que en determinadas posiciones del diodo luminoso respecto al sistema óptico antepuesto, tanto los rayos luminosos convergentes como los divergentes iluminen una superficie homogénea, en particular a 2,5 m de distancia con un diámetro de 80 cm.

Las superficies que refractan la luz o la reflejan totalmente se pueden calcular mediante un procedimiento a la medida 2 D.

Otros perfeccionamientos de la invención se describen en las reivindicaciones subordinadas.

El ángulo de inclinación bajo el que está dispuesta la superficie de salida de luz de la parte reflectora respecto a una vertical al eje óptico, se elige entre 35º y 40º, preferentemente a 37º.

El diámetro interior de la parte de lente colectora es preferentemente como máximo 1 mm mayor que el mayor diámetro del orificio del sistema óptico antepuesto.

De acuerdo con otra realización de la invención, la parte reflectora puede presentar unos tramos de superficie del borde exterior dispuestos paralelos al eje óptico del sistema óptico antepuesto. De este modo se garantiza que se evita la formación de luz dispersa en la zona del borde.

La parte reflectora puede presentar además unos trozos de superficie anular exterior dispuestos alrededor del orificio y perpendiculares al eje óptico y/o que están dispuestos en la cara anterior en el exterior y perpendiculares al eje óptico. En particular la relación entre el diámetro del sistema óptico antepuesto y su altura se elige entre 0,4 y 0,5, preferentemente entre 0,44 y 0,49. La relación entre el grueso de la lente colectora interior respecto a la altura del sistema óptico antepuesto está óptimamente entre 0,6 y 0,65, preferentemente en 0,614. La relación de los diámetros de la parte de lente colectora interior al diámetro del sistema óptico antepuesto está entre 0,5 y 0,55. Por último, la parte de lente colectora interior tiene una superficie de salida de la luz cuyo radio de curvatura es menor que el radio de curvatura de la superficie de entrada de la luz. De acuerdo con la invención la parte de lente colectora presenta un ángulo de apertura mínimo de 40º, preferentemente de 42º.

El sistema óptico antepuesto es preferentemente de plástico, en particular de PMMA o de vidrio.

Otras ventajas de la invención se explican mediante los dibujos. Éstos muestran

Figuras 1 a 4 diferentes características de radiación con dos sistemas ópticos antepuestos diferentes, en una representación esquemática, y

Figura 5 una sección a través de un sistema óptico antepuesto concreto según la presente invención.

El sistema óptico antepuesto que actúa como cuerpo de lente tiene un orificio posterior 11 a modo de agujero ciego, que está limitado por una superficie envolvente cónica 12, así como por una superficie base abombada 13. Esta superficie base 13 es también la superficie de entrada de la luz de una parte de lente colectora interior 14, que por la cara anterior tiene una superficie de salida de luz 15 de abombamiento convexo. La parte de lente colectora 14 está rodeada de una parte reflectora 16, formada esencialmente por la superficie envolvente 12 como superficie de entrada de la luz, así como una superficie envolvente exterior 17 en forma de casquete, como superficie de reflexión total de la luz, así como una superficie de salida de la luz 18 anterior de forma cónica. Tal como está representado, la parte reflectora 16 puede tener también trozos de pared 19 situados paralelos a un eje óptico, así como zonas del borde 21, 22 que sean perpendiculares al eje óptico. El diámetro total del sistema óptico antepuesto representado en la Figura 5 puede ser por ejemplo de 20 mm, 25 mm o 36 mm, respectivamente con una altura de construcción de 9 mm, 11 mm o 16 mm. El orificio 11 es tan ancho o el diámetro de este orificio es tan grande que se puede desplazar por su interior un LED 23, que está indicado esquemáticamente en la Figura 5, junto con la base a lo largo del eje óptico (véase la doble flecha 24). De las Figuras 1 a 4 se obtienen diferentes características de radiación. En una posición según la Figura 1 se obtiene una concentración relativamente estrecha, con una superficie circular iluminada homogéneamente de 0,8 m por ejemplo a una distancia de 2,5 m. La luz emitida por el LED 23 se refracta en la medida en que incide en la superficie de entrada de la luz 13 y sale con una nueva refracción de la luz de la parte interior de la lente colectora 14 a través de la superficie de salida de la luz 15. Los rayos del borde pasan a través de la superficie cónica 12 donde sufren una refracción, a las superficies exteriores envolventes 17 donde sufren una reflexión total, y finalmente después de su refracción en la superficie de salida de la luz 18 salen hacia adelante. La característica de radiación obtenida con el sistema óptico antepuesto 10 y la lente 23 en la posición representada se compone de un cono luminoso de haz relativamente estrecho con un ángulo de cono pequeño.

En la posición del LED 23 según la Figura 2 en la que el LED ha sido deslizado más al interior del orificio 11 se obtiene en cambio una característica de radiación en la que los rayos luminosos refractados que salen de la parte de lente colectora 41 divergen, y los rayos luminosos procedentes de la parte reflectora convergen, lo que es el resultado de los diferentes ángulos de refracción y reflexión.

En las Figuras 1 y 2 se ha empleado una lente con una construcción de altura relativamente reducida. La lente representada en las Figuras 3 y 4 se diferencia de éstas por una mayor altura de construcción en la que las superficies envolventes 17 han sido prolongadas "hacia adelante y hacia atrás", de modo que resulta un agujero ciego 11 relativamente más profundo y las superficies anteriores 18 sobresalen más con respecto a la superficie interior de salida de la luz 15. En las Figuras 3 y 4 el diodo luminoso está representado respectivamente en diferentes posiciones con respecto al sistema óptico antepuesto 10, de donde resultan unas características de luz correspondientemente distintas.

Dentro del marco de la presente invención caben también variantes en el sentido de que las superficies 12 pueden ser esféricas o asféricas y las superficies 14 y 15 esféricas o planas (y no asféricas, tal como está representado).

El sistema óptico antepuesto es preferentemente de PMMA y se puede utilizar especialmente en radiantes de 12 V y en linternas de bolsillo.

Claims (9)

1. Módulo de iluminación por LED con un diodo luminoso (LED) (23), así como un sistema óptico antepuesto (10) transparente a la luz, de una sola pieza y con simetría de rotación, con una parte interior de lente colectora (14) y una parte reflectora exterior (16),

con un orificio posterior (11) a modo de agujero ciego que está limitado por una superficie envolvente (12) cónica o con sección curvada, y una superficie base (13) de abombamiento convexo, y que tiene un diámetro de envolvente que permite un desplazamiento axial longitudinal del cuerpo del LED (23) en el orificio (11) a lo largo del eje óptico (20) de la lente antepuesta (10),

estando formada la parte de lente conectora (14) por la superficie base (13) de abombamiento convexo como superficie de entrada de la luz y una cara anterior también abombada convexa de superficie de salida de la luz (15), y

la parte reflectora (16) formada esencialmente por la superficie envolvente (12) del orificio como superficie de entrada de la luz, una superficie envolvente exterior (17) en forma de casquete, con superficie reflectante total de la luz y una superficie anterior de forma cónica de salida de la luz (18),

caracterizado porque

el diámetro menor del orificio cónico es \geq 9 mm y/o la altura total del sistema óptico antepuesto está entre 9 mm y 16 mm, de modo que todas las superficies de entrada de luz y de salida de luz (12, 13, 15, 18) refractan los rayos de luz que inciden oblicuamente, de tal modo que la luz radiada por el LED se radia esencialmente en su integridad, pero en particular en más del 85% hacia adelante, y porque mediante el desplazamiento axial longitudinal del LED (23) se puede obtener una variación del cono de luz desde un cono de luz con un ángulo de conicidad \leq 12º hasta un ángulo de conicidad \geq 20º, y donde por lo menos en una posición del LED respecto al orificio (11) del sistema óptico antepuesto (10) se ilumina homogéneamente una zona interna de cono luminoso a través de una superficie de sección perpendicular al eje óptico, iluminando preferentemente de modo homogéneo a 2,5 m de distancia un círculo de 0,80 m de diámetro.

2. Módulo de iluminación por LED según la reivindicación 1, caracterizado porque el ángulo de inclinación (\alpha) bajo el cual está dispuesta la superficie de salida de la luz (18) de la parte reflectora (16) respecto a una vertical al eje óptico (20) está entre 35º y 40º, preferentemente en 37º.

3. Módulo de iluminación por LED según una de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque el diámetro de la parte de lente colectora es como máximo 1 mm mayor que el mayor diámetro del orificio (11) del sistema óptico antepuesto (10).

4. Módulo de iluminación por LED según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la parte reflectante (16) presenta unos tramos de superficie anular exteriores (19) que están dispuestos paralelos al eje óptico del sistema óptico antepuesto.

5. Módulo de iluminación por LED según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la parte reflectante (16) presenta unos tramos exteriores de superficie anular (21, 22) dispuestos alrededor del orificio (11) y perpendiculares al eje óptico, y/o que están dispuestos en la parte anterior por el exterior y perpendiculares al eje óptico.

6. Módulo de iluminación por LED según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la relación entre el diámetro del sistema óptico antepuesto y su altura está entre 0,4 y 0,5, preferentemente entre 0,44 y 0,49.

7. Módulo de iluminación por LED según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la relación entre el grueso de la lente colectora interior a la altura del sistema óptico antepuesto está entre 0,6 y 0,65, preferentemente en 0,614, y/o la relación entre el diámetro de la parte de lente colectora interior al diámetro del sistema óptico antepuesto está entre 0,5 y 0,55.

8. Módulo de iluminación por LED según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la parte de lente colectora interior (14) tiene una superficie de salida de la luz (15) cuyo radio de curvatura es menor que el radio de curvatura de la superficie de entrada de la luz (13) y/o presenta un ángulo de apertura \geq 40º, preferentemente de 42º.

9. Módulo de iluminación por LED según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el sistema óptico antepuesto es de plástico, preferentemente de PMMA, o de vidrio.