ES2394720B1

ES2394720B1 - Mezclador optico de alta eficiencia con salida de haz dirigido

Info

Publication number: ES2394720B1
Application number: ES201031935A
Authority: ES
Inventors: Lucas Garcia Rodriguez
Original assignee: Lledo Iluminacion SA
Current assignee: Lledo Iluminacion SA
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2013-12-16
Anticipated expiration: 2030-12-23
Also published as: ES2394720A1

Abstract

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.

Description

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 lm. 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 lm (LED blanco de Lumiled, febrero 2001) a 400 lm 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 l. 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 transparentes como reflexivos.

La dimensión del sistema dependerá, principalmente, del tamaño de cada LED, su distribución de intensidad, así como del número de LEDs, la distribución del haz de salida y las características ópticas de los materiales con la que es implementada cada etapa.

A continuación se detallan los cuatro procesos que intervienen en el sistema en base a la Figura 3, que ilustra un mezclador de alta eficiencia con haz de luz dirigido, sin carácter limitativo.

DESCRIPCIÓN DE LAS ETAPAS ÓPTICAS:

Colección-colimación: permite pasar de un haz proveniente del LED, muy divergente y puntual, a luz colimada y con una sección del haz mayor. Cada colectorcolimador (3) recoge la luz generada por su correspondiente LED de manera

eficiente y la dirige a la dirección +z, hacia el concentrador (5). Debido a que el LED

no es una fuente puntual, y por desviaciones del sistema, el haz de salida del colector

tiene una divergencia alfa.

Para el caso de óptica refractiva, los colimadores pueden estar basados en lentes

5: Fresnel o lentes TIR (en donde hay superficies que orientan la luz mediante reflexión

total interna, mientras que otras lo hace por refracción). Para el caso de óptica

reflexiva los colimadores son implementados por reflectores. Cada LED puede ser

mono-chip o multichip, del mismo o diferentes colores.

Concentración: tiene por finalidad inyectar la luz proveniente de los colectores

lO: colimadores hacia el interior de la guía mezcladora (7) con alta divergencia y

reducida sección transversal (alta concentración) mediante un concentrador (5). De

esta forma, es maximizado el número de reflexiones en la guía mezcladora,

aumentando la capacidad de mezclado. El concentrador óptimo está basado en un

perfil parabólico cuyo eje está inclinado un ángulo alfa respecto al eje z (Fig. 3), de

15: tal forma que su ángulo de aceptación es alfa. Sea a el punto de un colector

colimador más lejano del eje z del sistema y sea e el punto perteneciente a este

mismo colector-colimador más cercano al eje z. La parábola, para un funcionamiento

óptimo del sistema, ha de cumplir con las siguientes condiciones geométricas:

i) un rayo con una divergencia alfa cuando es reflejado en el punto a del

20: concentrador alcanza el punto b, que es el punto extremo opuesto de la

boca de salida del concentrador.

ii) un rayo que parte del punto e en dirección al punto d, que es el punto extremo

de la boca simétrico al punto b, ha de reflejarse de tal forma que el rayo

entre en la boca de salida del concentrador. Para el caso de un sistema

25: refractivo, el ángulo de salida del concentrador beta es menor al ángulo

límite que permita reflexión total interna en una superficie paralela al eje

z. Es decir, el valor del ángulo de aceptación del concentrador es alfa, y el

ángulo de salida para óptica refractiva es inferior arcsen(nlno), siendo n el

índice de refracción del medio y n0 el índice de refracción del medio

30: externo, generalmente aire.

Con objeto de maximizar el mezclado del haz, la superficie del concentrador puede poseer una estructura estriada tal que el vector normal S en una región de la superficie del concentrador pequeña sufre variaciones significativas en su componentes Sx y/o Sy, mientras que apenas experimenta cambios en su componente Sz. De esta forma, la estructura estriada proporciona una dispersión controlada en el plano xy. Esta dispersión será menor próximo a los colectores-colimadores y más acentuada en las proximidades de la salida del concentrador, de tal forma que toda la luz alcanza la boca de salida del concentrador y es inyectada en la guía mezcladora.

Mezclado mediante guía mezcladora (7): se encarga de uniformizar espacialmente la distribución luminosa proveniente de todos los LEDs, proporcionando un mezclado de la luz. Una vez mezclada, la luz es dirigida a la óptica de salida (9). La guía tiene una geometría cilíndrica. La sección transversal de la guía es constante a lo largo del eje z (Figura 5b). Su superficie posee una estructura consistente en estrías longitudinales (11) -paralelas al eje z-. La luz es esparcida -mezclada-por la estructura superficial conferida en la guía a medida que es transmitida por ésta mediante reflexión total interna, para un sistema dieléctrico, o mediante reflexión en un sistema reflexivo (Figura 6b). Dada su geometría la dispersión se realiza exclusivamente en el plano xy, sin cambio en la componente del eje z de la dirección de la luz, pues la componente z del vector normal a la superficie es cero. De esta forma, la divergencia del haz permanece constante a lo largo de la guía. Por ello existe un confinamiento de la luz en la guía sin pérdida de energía, independientemente de la longitud de la guía mezcladora. El perfil estriado de la sección de la guía será optimizado para maximizar la dispersión en el plano xy y, consecuentemente, el mezclado de la luz. La capacidad de mezclado será mayor cuanto mayor número de reflexiones dentro de la guía hay, lo cual supone una mayor longitud de tubo, una menor dimensión de la sección transversal de la guía y/o una mayor divergencia del haz.

Óptica de salida (9): dirige la luz controladamente, con una distribución específica. Puede ser una lente o un reflector.

DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PARTICULAR

Como ejemplo no limitativo, se muestra en la Figura 7 una óptica mezcladora de alta eficiencia con salida de haz dirigido para 6 LEDs. El sistema es fabricado en un sola pieza de metacrilato (PMMA) transparente con todas sus superficies pulidas. La óptica trabaja en refracción y reflexión total interna. Este sistema puede ser fabricado mediante molde de inyección de plástico obteniendo un precio-pieza reducido, lo que permite su industrialización.

En la Figura 8a se ilustra el sistema con dos LEDs encendidos sin el estriado en la guía mezcladora, y en la Figura 8b con el estriado en la guía. Se observa que en el primer caso no existe un mezclado de la luz mientras que en el segundo la luz de salida es luz mezclada.

ES 2 394 720 Al

Claims

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 perliles, que la inyecta en una guía. La guía mezcla la luz, a través de una geomet.ría 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.