ES2858484T3 - Un colimador y una unidad de iluminación - Google Patents

Abstract

Colimador (1) con un punto focal (15) para posicionar sobre una fuente de luz (14) que debe proporcionarse en el punto focal en una posición de fuente de luz (17), presentando el colimador: una lente de Fresnel (3) que comprende una sección de lente interna refractiva (10) y una sección de reflexión total con dentado externo (12); comprendiendo la lente de Fresnel un eje óptico (13) que pasa por el centro (5) de la sección de lente interna (10) y a través de la posición de la fuente de luz; y un elemento de bloqueo de la luz (20) entre al menos la sección de lente interna de la lente de Fresnel y la posición de la fuente de luz, estando el elemento de bloqueo de la luz (20) adaptado de manera que la sección de lente interna tenga al menos una zona de imagen reducida (7), siendo dicha zona de imagen reducida un área de la sección de lente interna en la que sólo se puede proyectar una parte de la forma completa de la fuente de luz cuando la fuente de luz se encuentra en la posición de la fuente de luz.

Description

DESCRIPCIÓN

Un colimador y una unidad de iluminación

CAMPO DEL INVENTO

El presente invento se refiere a disposiciones de iluminación y en particular a las disposiciones de iluminación que hacen uso de uno o más colimadores.

ANTECEDENTES DEL INVENTO

Los colimadores, por ejemplo los colimadores utilizados para aplicaciones de diodos emisores de luz (LED), se utilizan para proporcionar una salida de luz dirigida, por ejemplo un haz de luz focal. Si se requieren varios LEDs, normalmente se proporciona una pluralidad de colimadores redondos y se disponen en una matriz, conocida como matriz de "cabezal de ducha". La forma de los colimadores hace que el conjunto incluya zonas no iluminadas como consecuencia de la falta de teselación de los colimadores redondos.

Así, en lugar de varios LEDs, una única fuente de luz (por ejemplo, un LED con chip en placa (COB)) se puede usar con un único colimador. Se prefieren las fuentes de luz focal individuales frente a las soluciones con varios colimadores.

Sin embargo, la óptica para una fuente de luz individual combinada ocupa una mayor profundidad que un conjunto de pequeños colimadores. En muchos dispositivos LED, la profundidad requerida por fuente de luz individual no está disponible ya que otras partes del dispositivo, como el disipador de calor y el controlador, ocupan una proporción significativa del espacio disponible.

En el caso de las lámparas focales más grandes con una sola fuente de luz, los colimadores de Fresnel son una buena opción, en particular los colimadores de reflexión interna total (TIR). Estas lentes son eficientes, compactas y producen haces estrechos.

La figura 1 muestra una lente de Fresnel típica que tiene un punto focal 15. Esta comprende una lente central 10 que proporciona enfoque de la luz mediante dos operaciones de refracción de la luz y un diseño anular circundante dentado que utiliza la reflexión interna total. En un diseño típico, el 30% de la luz de la fuente pasa a través de la lente central y hasta el 70% de la luz pasa a través del segmento de Fresnel TIR. La lente es rotacionalmente simétrica y tiene un eje de simetría rotacional 13, y la fuente de luz 14 está situada en el punto focal 15 en una posición de fuente de luz 17 a lo largo del eje de simetría rotacional 13, que es el eje óptico de la lente. La fuente de luz 14 no es una fuente puntual sino que tiene un área que es significativa en comparación con el tamaño de la lente central. La fuente de luz 14 proporciona luz alrededor de la dirección del eje óptico. El área completa de la fuente de luz (que puede considerarse que ocupa una zona de la fuente de luz, centrada en la posición de la fuente de luz) emite luz a cada punto de la lente central.

La intensidad alcanzable en el eje de una lente TIR está dominada por la trayectoria TIR que contribuye aproximadamente un 70%. La intensidad es proporcional a la luminancia de la fuente por el área que emite a lo largo del eje. La lente cubre sólo una pequeña parte de la superficie del colimador y por lo tanto tiene poca superficie y en consecuencia contribuye poco a la intensidad.

Existen otras diferencias sustanciales entre las trayectorias de la luz entre el segmento de la lente central y el segmento TIR. La trayectoria TIR es una trayectoria sin imagen y produce una distribución de luz relativamente estrecha, debido a las reglas de la extensión y la asignación de rayos en una lente de Fresnel TIR. Para proporcionar la distribución de luz más estrecha, la lente central será una lente de imagen aproximada con una o dos superficies convexas. Sin embargo, a partir de la extensión se puede demostrar que dicha distribución de luz es mucho más amplia que la distribución de luz del segmento de Fresnel TIR (normalmente 2 a 3 veces más amplia). Esta luz es en muchos casos no deseada porque crea un halo alrededor del haz principal, que a menudo tiene un borde afilado y muy visible. Las pruebas de usuario muestran que un halo alrededor del haz principal se percibe como relacionado con una menor calidad.

La lente central, especialmente por sus características de imagen, es problemática cuando se utiliza con fuentes COB, porque el borde de dichas fuentes emite luz amarillenta totalmente convertida. La lente central coloca dicha luz en el borde de la distribución de luz, creando así un anillo exterior amarillo alrededor de la distribución de luz, lo cual no es deseable.

El problema de las grandes imágenes de la lente central está relacionado con las limitaciones geométricas de los colimadores de Fresnel TIR típicos. En otras palabras, existe una extensión demasiado alta en el segmento de la lente central. Hacer que el ángulo del haz sea menor manteniendo el tamaño de la lente sólo es posible reduciendo la extensión, lo que significa reducir la cantidad de flujo transmitido a través de la lente. Esto puede hacerse utilizando un elemento de bloqueo para absorber o reflejar parte de la luz.

Un dispositivo de bloqueo, por ejemplo, puede adoptar la forma de un elemento de rejilla en la parte superior del colimador, ya sea cubriendo toda la abertura de salida o sólo la lente central. Dicho elemento, si las rejillas absorbentes son finas, deja pasar toda la luz paralela al eje óptico, mientras que bloquea la luz emitida en un ángulo fuera del eje. El perfil de transmisión es básicamente triangular.

Para que un dispositivo de rejilla de este tipo sea eficiente, debe ser de un material muy fino, por ejemplo, metal, lo que lo encarece. Por tanto, añade volumen y coste al diseño.

Por lo tanto, existe la necesidad de un diseño de colimador que resuelva el problema de que la lente central de un colimador de Fresnel TIR produzca distribuciones de luz mucho más amplias que el segmento de Fresnel TIR, creando así un halo, un resplandor y posibles franjas de color.

RESUMEN DEL INVENTO

El invento se define por las reivindicaciones.

Según ejemplos de acuerdo con un primer aspecto del invento, se proporciona un colimador que tiene un punto focal para posicionarse sobre una fuente de luz que se proporcionará en el punto focal en una posición de fuente de luz, comprendiendo el colimador:

una lente de Fresnel que comprende una sección de lente interna refractiva y una sección externa dentada de reflexión interna total, teniendo la lente de Fresnel un eje óptico que pasa por el centro de la sección de lente interna y a través de la posición de la fuente de luz;

y un elemento de bloqueo de la luz entre al menos la sección de lente interna de la lente de Fresnel y la posición de la fuente de luz, estando el elemento de bloqueo de la luz adaptado de manera que la sección de lente interna tenga al menos una zona de imagen reducida, siendo dicha zona de imagen reducida una zona de la sección de lente interna en la que sólo una sección de la forma completa de la fuente de luz puede ser proyectada cuando la fuente de luz está posicionada en la posición de la fuente de luz.

Este diseño de colimador proporciona el bloqueo de la luz a la lente central de una estructura de Fresnel. En particular, en algunas o todas las partes de la sección de lente interna, la luz no llega a esas partes desde la zona completa de la fuente de luz. Este bloqueo parcial de la luz puede utilizarse para reducir el ángulo del haz de luz que llega a la sección de lente interna (bloqueando la luz en ángulos mayores), pero también es posible bloquear la luz desde el centro y permitir que llegue más a ángulos mayores. En todos los casos, al tener zonas en las que toda la forma de la fuente de luz no se proyecta sobre la sección de lente interna o, en otras palabras, la sección de lente interna tiene zonas en las que sólo se proyecta una sección de toda la forma de la fuente de luz, se puede reducir o eliminar el efecto de halo descrito anteriormente, si se desea.

El elemento de bloqueo hace que la distribución de la luz de la lente central sea más estrecha, menos nítida y ayude a eliminar los artefactos de color de la fuente. Aunque la eficacia del punto se reduce inevitablemente, la intensidad máxima puede mantenerse.

El bloqueo de la luz puede comprender la absorción y/o reflexión. Puede afectar sólo a la sección central de la lente y entonces no tiene ningún efecto de bloqueo de la luz, o es mínimo, en el segmento TIR de la lente de Fresnel. Alternativamente, la luz también puede ser bloqueada en el paso a través de la primera parte del segmento TIR. Los primeros dientes TIR también dan lugar a un cierto halo de baja intensidad, aunque menos intenso y de menores ángulos que la lente central.

La "zona de imagen reducida" puede definirse como una parte de la superficie de la sección de lente interna (es decir, la lente refractiva central) en la que la luz sólo llega a esa parte desde una fracción del área de la fuente de luz. En general, es deseable bloquear una zona del borde de la fuente de luz para que no proyecte luz a esa parte de "zona de imagen reducida" de la superficie de la lente. Sin embargo, también puede existir parte de la superficie de la sección de lente interna en la que toda el área de la fuente de luz es visible (es decir, proyectada sobre la superficie).

En un ejemplo, la zona de imagen reducida puede comprender al menos una sección de la sección de lente interna en el eje óptico. Así, la parte central de la sección de lente interna puede recibir una salida de luz reducida de la fuente de luz.

El elemento de bloqueo de la luz comprende, por ejemplo un deflector cónico. Esto proporciona una función de estrechamiento de la luz que limita la dispersión angular de la luz que llega a la parte central, y opcionalmente también a la parte exterior radial de la lente. Esto puede lograrse teniendo una abertura cónica del deflector que sea más pequeña que la fuente de luz (o más pequeña que la envoltura del haz de luz desde la fuente de luz hasta el borde externo de la sección de lente interna).

El deflector cónico, por ejemplo, tiene una primera abertura adyacente a la posición de la fuente de luz, y una segunda abertura, más grande, adyacente a la sección de lente interna, siendo la segunda abertura más pequeña que la sección de lente interna. Por lo tanto, la luz llega a la sección de lente interna desde el interior del deflector cónico, así como alrededor del exterior del deflector cónico.

En otro ejemplo, el elemento de bloqueo de la luz comprende un deflector centrado en el eje óptico. Esto puede simplemente bloquear en lugar de canalizar la luz, de modo que la luz tiene que pasar alrededor del borde externo del deflector.

El deflector de bloqueo de la luz se adapta, por ejemplo, para extenderse dentro de un área definida por las trayectorias entre un borde de la zona de la fuente de luz, correspondiente al tamaño de la fuente de luz en la posición de la fuente de luz, y un punto en el borde opuesto de la sección de lente interna. La posición de este punto es una elección de diseño, que controla el grado de bloqueo que se implementa.

Esto significa que ninguna luz llega al centro de la sección de lente interna.

El deflector de bloqueo de la luz puede ser un reflector para reflejar la luz de vuelta a la ubicación de la fuente de luz. Esto proporciona el reciclaje de la luz bloqueada.

En otra serie de ejemplos, la zona de imagen reducida comprende al menos un perímetro externo de la sección de lente interna. Por lo tanto, la luz de la parte central o de la parte externa (o ambas) de la sección de lente interna puede ser reducida.

El elemento de bloqueo de la luz puede comprender de nuevo un deflector cónico. Sin embargo, el deflector cónico puede entonces tener una primera abertura adyacente a la posición de la fuente de luz y una segunda abertura, más grande, adyacente a la sección de lente interna, correspondiendo la segunda abertura en tamaño a la sección de lente interna.

En otra serie de ejemplos, la zona de imagen reducida comprende toda la sección de lente interna. Por ejemplo, el elemento de bloqueo de la luz puede comprender un conjunto de deflectores cónicos concéntricos dispuestos contra toda la superficie de la sección de lente interna. Estos forman un conjunto de pequeños elementos de bloqueo de la luz distribuidos por toda la superficie de la sección de lente interna.

En otra serie de ejemplos, el elemento de bloqueo de la luz puede comprender un conjunto de aletas que se extienden radialmente dispuestas en una disposición anular. Estas aletas bloquean rayos sesgados, que pueden incidir en la sección de lente interna porque la fuente de luz tiene un área de salida de luz finita (es decir, no es una fuente puntual). Así, el elemento de bloqueo de la luz reduce la asimetría.

Los diferentes ejemplos pueden combinarse. Por ejemplo, las aletas radiales pueden combinarse con cualquiera de los otros diseños. Los deflectores planos o reflectantes que bloquean la luz también pueden combinarse con deflectores cónicos.

Dependiendo del diseño del elemento de bloqueo de la luz, como los deflectores, puede ser necesario rediseñar la sección de lente interna (la lente central) para tener en cuenta las características de la luz después del elemento de bloqueo de la luz y, a continuación, realizar el estrechamiento del haz.

El invento también proporciona una unidad de iluminación que comprende:

una disposición de colimadores como la definida anteriormente; y

una fuente de luz colocada en la posición de la fuente de luz.

La fuente de luz está, por ejemplo, adaptada para proporcionar una salida de luz desde una zona de la fuente de luz centrada en el eje óptico en la posición de la fuente de luz. Por lo tanto, la posición de la fuente de luz puede considerarse como un punto único en el espacio a lo largo del eje óptico, y la zona de la fuente de luz puede considerarse como una zona en el espacio correspondiente al tamaño de la superficie de salida de la fuente de luz.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

A continuación se describirán ejemplos del invento en detalle con referencia a los dibujos esquemáticos que acompañan al invento, en los que algunas partes en aras de la claridad pueden representarse de forma exagerada, y mostrándose en la:

figura 1, una lente típica de Fresnel;

figura 2, un primer ejemplo de lente de Fresnel que presenta un elemento de bloqueo entre la lente central y la posición de la fuente de luz;

figura 3, una vista en perspectiva del diseño de la figura 2 desde debajo de la lente;

figura 4, un segundo ejemplo;

figura 5, una modificación del diseño de la figura 4;

figura 6, un tercer ejemplo;

figura 7, un cuarto ejemplo;

figura 8, un quinto ejemplo en el que (se muestra) el elemento de bloqueo de la luz para bloquear los rayos oblicuos; figura 9, una vista en perspectiva del deflector radial de la figura 8 desde la parte inferior de la lente;

figura 10, un diseño en el que el diseño de la figura 2 se combina con el diseño de la figura 8;

figura 11, una vista en perspectiva del diseño de la figura 10 desde la parte superior de la lente;

figura 12, la intensidad de la luz en un campo lejano para una lente no modificada para la lente de Fresnel completa; figura 13, el efecto sobre la intensidad luminosa del campo lejano de la figura 12 utilizando el diseño de la figura 2; figura 14, también la intensidad luminosa del campo lejano para una lente no modificada sólo para la lente central; figura 15, el efecto sobre la intensidad luminosa del campo lejano de la figura 14 utilizando el diseño de la figura 2; y figura 16, la intensidad luminosa en función del ángulo para el diseño de la figura 2 en comparación con un diseño sin el elemento de bloqueo de la luz.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LOS MODELOS DE FABRICACION

El invento proporciona un colimador que comprende una lente de Fresnel que presenta un punto focal y que comprende una sección de lente refractiva y una sección de reflexión interna total dentada. Un elemento de bloqueo de la luz se encuentra al menos entre la sección de lente y la fuente de luz proporcionada en una posición de la fuente de luz. Una sección de la salida de la fuente de luz se bloquea para que no llegue alcanzar al menos una zona de la sección de lente interna. En algunas o en todas las partes de la sección de lente, la luz no llega a esas partes desde el área completa de la fuente de luz. Este bloqueo parcial de la luz significa que toda la forma de la fuente de luz no se proyecta en toda la sección de la lente, y el efecto de halo se reduce o se elimina. Esto sirve para reducir la extensión de la fuente de luz y reducir el ángulo del haz de la lente central, sus características de imagen, el problema del anillo amarillo y los problemas de deslumbramiento.

El elemento de bloqueo de la luz puede ser reflectante para reciclar parte de la luz enviando la luz de vuelta a la fuente o éste puede ser absorbente.

La figura 2 muestra un primer ejemplo de colimador 1, en el que el elemento de bloqueo de la luz identificado generalmente como 20 presenta la forma de un deflector cónico central 20a. Este está situado entre la lente central 10 (que es una "sección de lente interna") de la lente de Fresnel 3 y la posición de la fuente de luz 17. Un eje óptico 13 pasa por el centro 5 de la lente de Fresnel, a través del punto focal 15 y a través de la fuente de luz 14 situada en el punto focal.

El deflector cónico presenta una primera abertura 22a adyacente a la fuente de luz, y una segunda abertura 24a, más grande, adyacente a la lente central. La segunda abertura 24a es más pequeña que la lente central, de modo que la segunda abertura divide la lente central en una parte interna circular y una parte externa anular.

El elemento de bloqueo de la luz hace que la luz de la fuente de luz 14 no llegue a todos los puntos de la lente cen­ tral. En cambio, se impide que una parte de la luz emitida por la fuente de luz llegue al menos a una parte de la lente central, denominada "zona de imagen reducida", ya que sólo una parte de la salida de la fuente de luz se proyecta sobre esta zona, lo que da lugar a una imagen reducida.

En la figura 2, la gama de ángulos de luz que alcanzan un punto radialmente externo de la lente central está definido por las trayectorias de luz 26 (la luz de la parte izquierda de la fuente de luz 14 no llega a la lente central en ese punto). El rango de ángulos de luz que llegan a un punto central de la lente central está definido por las trayectorias de luz 28 (la luz de los lados izquierdo y derecho de la fuente de luz 14 no llega a ese punto.

Así, en la figura 2, la "zona de imagen reducida" es toda la lente central, de modo que ningún punto de la superficie de entrada de la lente central "ve" la fuente completa, sino que todos los puntos ven un segmento parcial extendido de la fuente de luz. Eligiendo el segmento de la fuente de luz que es visible para la superficie de entrada de la lente central, se pueden definir los rayos de borde como se muestra en la figura 2, y las intersecciones definen los puntos de inicio y final del deflector cónico, como también se puede ver en la figura 2.

En este diseño, grandes secciones de la lente central ven poco o nada del borde de la fuente de luz, lo que conduce a una reducción del problema del anillo amarillo.

La lente central puede mantener el mismo diseño de superficie de lente cóncava externa como antes de introducir el deflector cónico. Alternativamente, se puede realizar una optimización numérica de los dos segmentos (interno circular y externo anular) de la lente de entrada. Otro enfoque consiste en utilizar reglas de diseño óptico no relacionadas con la imagen para rediseñar la lente central para colimar de forma óptima la luz procedente de la fuente de luz deflectada. Los rayos del borde de la combinación de lente/cono pueden utilizarse en el diseño para asegurar que todas las imágenes estén centradas alrededor del eje óptico.

La figura 3 muestra una vista en perspectiva del diseño de la figura 2 desde debajo de la lente.

La figura 4 muestra un ejemplo en el que el elemento de bloqueo de la luz 20 comprende un deflector plano 20b colocado entre la fuente de luz 14 y la lente central 10. El deflector está centrado en el eje óptico. En la zona de imagen reducida 7 sólo se proyecta una parte de la salida de la fuente de luz en esa zona, dando así una imagen reducida.

El deflector 20b se extiende dentro de un área definida por las trayectorias entre un borde de la zona de la fuente de luz, correspondiente al tamaño de la fuente de luz en la posición de la fuente de luz, y un borde opuesto de la lente central. Uno de estos rayos se identifica con el número 40. Significa que para toda el área de la lente central dentro de ese borde recibe luz de un solo borde de la fuente de luz.

En este caso, la superficie de entrada de la lente central 10 no se ve alterada. Sin embargo, la superficie de salida de la lente central 10 se sustituye por un diseño específico que utiliza la parte delantera de la onda de los bordes de la fuente y el deflector para obtener una colimación óptima.

En general, el deflector absorbente no tiene que ser plano, puede tener cualquier forma, preferentemente con simetría rotacional, como una esfera, o cualquier forma asférica. Esto puede en algunos casos mejorar el bloqueo de los rayos.

La figura 5 muestra una modificación del deflector de la figura 4, en la que comprende un elemento elíptico reflectante 20c. Los dos focos 15a, 15b de la elipse son los bordes de la fuente de luz 14, que está colocada en la posición de la fuente de luz 17. Esto garantiza que toda la luz que incide en el deflector se refleja de nuevo en la fuente de luz para su reciclaje.

En las figuras 4 y 5, la "zona de imagen reducida" es la parte central de la lente central, hasta el borde.

La figura 6 muestra un ejemplo en el que el elemento de bloqueo de la luz 20 presenta un diseño diferente de deflector cónico 20d. El deflector cónico 20d tiene de nuevo una primera abertura 22d adyacente a la posición de la fuente de luz, y una segunda abertura más grande, 24d adyacente a la sección de lente interna. En este diseño, la segunda abertura corresponde en tamaño a la lente central. El deflector se encuentra en particular en la línea que conecta el borde de la fuente con el borde opuesto de la superficie de entrada de la lente central.

El punto final del cono (en la primera abertura 22d) determina la parte de la lente central que "ve" una sección reducida de la fuente, es decir, el grado de bloqueo. Aquí la lente de salida se rediseña. En particular, como los rayos están muy inclinados en el borde de la lente central, la lente de salida se abomba más que en otros diseños.

En este diseño, la zona de imagen reducida 7 comprende al menos un perímetro externo de la lente central 10. El centro 23 de la lente central puede ver toda la fuente de luz.

La figura 7 muestra un diseño en el que la zona de imagen reducida comprende toda la lente central proporcionando el elemento de bloqueo de la luz 20 como un conjunto 20e de deflectores cónicos 70 dispuestos contra toda la superficie de la lente central. Estos deflectores cónicos forman conos anidados, es decir, todos comparten un eje central común y están dispuestos concéntricamente. Este diseño limita la luz que incide en la lente central a una extensión angular menor en cada punto de la lente central. El diseño de la lente central puede ser el mismo que sin el elemento de bloqueo de la luz. Este diseño introducirá pérdidas de luz adicionales que dependen en parte del grosor de las paredes del deflector.

Los ejemplos anteriores están diseñados únicamente en el plano meridional (óptico). No están diseñados específicamente para bloquear la luz en los rayos sagitales (fuera del plano).

En algunos de los ejemplos, el bloqueo en la dirección sagital es mucho menos eficaz que en el plano meridional, de modo que algunos rayos oblicuos se emiten en ángulos similares a los rayos extremos de la lente central no bloqueada.

Dichos rayos pueden bloquearse específicamente mediante un deflector que actúe en la dirección sagital, como se muestra en la figura 8.

En la figura 8, el elemento de bloqueo de la luz 20 comprende un conjunto 20f de aletas que se extienden radialmente 80 dispuestas en una disposición anular y que definen una abertura central 82. Esto puede describirse como un deflector en estrella.

El deflector radial en estrella es capaz de bloquear eficazmente los rayos oblicuos. Las condiciones geométricas para tales deflectores se derivan de la asimetría de los rayos del borde de la fuente y del ángulo de emisión previsto. Cuantos más deflectores se coloquen en un conjunto circular alrededor del eje óptico y cuanto mayor sea la extensión de éstos a lo largo de la dirección de los rayos de la fuente, menor será el ángulo máximo de transmisión oblicua.

En los ejemplos de las figuras 2 a 7, el elemento de bloqueo de la luz se utiliza únicamente para alterar la luz que llega a la lente central. La figura 8 muestra que los deflectores 80 pueden ser utilizados para limitar los rayos oblicuos en el borde de la lente central y también en el primer segmento de dientes TIR. Estos dientes de la lente TIR de Fresnel emiten luz a grandes ángulos en la dirección sagital.

La figura 9 muestra una vista en perspectiva de la disposición radial de los deflectores 20f de la figura 8 desde la parte inferior de la lente.

Se pueden combinar diferentes diseños. Por ejemplo, el diseño de aleta radial (deflector de estrella) 20f puede combinarse con cualquiera de los otros diseños de elemento de bloqueo de la luz (deflector plano de la figura 4, deflector reflectante de la figura 5, deflector cónico pequeño de la figura 2, deflector cónico grande de la figura 6 y deflectores cónicos anidados de la figura 7). Además, pueden combinarse diferentes diseños de deflectores (distintos del diseño de aletas radiales), como el deflector cónico grande de la figura 6 y los deflectores centrales de las figuras 4 o 5.

La figura 10 muestra un diseño en el que el pequeño deflector cónico 20a de la figura 2 se combina con las aletas radiales 80 de la figura 8. La figura 11 muestra una vista en perspectiva desde arriba de la lente, con la lente de Fresnel cortada para mostrar el deflector cónico y las aletas radiales que hay debajo.

El rendimiento óptico del diseño ha sido verificado utilizando un software de trazado de rayos.

La figura 12 muestra la intensidad de luz en el campo lejano para una lente no modificada basada en una disposición simplificada de LED COB con un anillo amarillo 120 en el borde (el color amarillo, por supuesto, no es visible en la figura 12). Se muestra la intensidad de luz para la lente de Fresnel completa.

La figura 13 muestra el efecto en la intensidad de la luz de campo lejano utilizando el diseño de la figura 2. El anillo amarillo se vuelve invisible y el halo se suaviza.

La figura 14 también muestra la intensidad de la luz del campo lejano para una lente no modificada basada en una disposición simplificada de LED COB con un anillo amarillo 120 en el borde (de nuevo el color amarillo, por supuesto, no es visible en la figura 14). Esta imagen muestra la intensidad de la luz sólo para la lente central.

La figura 15 muestra el efecto sobre la intensidad de la luz en el campo lejano para la lente central, utilizando de nuevo el diseño de la de la figura 2.

En este ejemplo, el ángulo del haz y la intensidad se mantienen al mismo nivel pero el ángulo de campo se reduce de aproximadamente 11,5 grados a 9,5 grados. La eficiencia se redujo en 16%.

La figura 16 muestra la intensidad de la luz en función del ángulo. El gráfico 160 es para una lente de Fresnel estándar, y el gráfico 162 muestra el cambio al introducir el diseño del deflector de la figura 2. El ángulo de campo de 9,5 grados se mide al 10% de la intensidad máxima.

La lente puede estar formada, por ejemplo, por PMMA o PC, pero puede utilizarse cualquier dieléctrico, incluyendo vidrio, silicona, poliuretano o poliolefinas.

Un deflector absorbente puede estar formado por cualquier plástico pintado de negro o inherentemente absorbente, así como como de metales, vidrios, cerámicas. El deflector puede ser difusor de luz en lugar de absorbente de luz, por ejemplo, con una superficie blanca o gris.

Para un deflector reflectante, puede utilizarse un plástico recubierto de metal o un metal altamente reflectante, formado a partir de chapa o de material a granel.

El deflector cónico que entra en contacto con la lente central puede ser montado por un ajuste a presión en los pequeños elementos de montaje provistos en la lente central. Todos los demás diseños que no tocan la lente central pueden montarse con finas aletas radiales que se extienden y conectan con el LED, el sustrato del LED, la carcasa de la lámpara o el colimador.

En los ejemplos anteriores, la lente central se muestra con superficies lisas de entrada y salida refractantes. Una textura superficial en forma de microlentes puede aplicarse también a cualquiera de las dos superficies de la lente central, o a ambas, para la mezcla adicional y el alisamiento del haz.

De los ejemplos anteriores se desprende que son posibles muchas implementaciones diferentes. La característica común para la mayoría de los ejemplos es que el flujo emitido al segmento TIR de Fresnel se deja sustancialmente sin obstrucción. Los elementos de bloqueo de la luz pueden no tener ninguna interacción con el segmento TIR, o bien pueden extenderse más radialmente hacia fuera, para influir en la luz que atraviesa el primer diente TIR (es decir, el más interior radialmente) o el primer conjunto de dientes TIR, ya que también pueden producir algo de luz con un ángulo fuera del eje demasiado grande.

Como también se muestra en los ejemplos anteriores, en algunos diseños, el diseño de la lente central puede permanecer sin cambios comparado con un diseño sin el elemento de bloqueo de la luz. En otros diseños, puede ser beneficioso ajustar el diseño de la lente central a las características de la luz transmitida después del elemento de bloqueo de la luz.

En todos los ejemplos, la eficiencia total del dispositivo se reduce al tener un elemento de bloqueo de la luz dentro de la estructura. Para lograr el efecto deseado de reducir el ángulo del haz de la lente central a un ángulo similar al del segmento TIR de Fresnel, generalmente puede ser necesario bloquear entre el 30 y el 70% de la luz que atraviesa la lente central, por ejemplo del 40 al 50%. Si se tiene en cuenta que hasta el 70% de la luz de la fuente es transmitida por el segmento TIR de Fresnel, la pérdida total de eficiencia de flujo es del 12 al 15%.

Mientras que el flujo total se reduce, la intensidad en el eje (es decir, en la dirección en la que se proporciona la colimación) se mantiene básicamente sin cambios. Esto se consigue bloqueando selectivamente la luz fuera del eje y dejando pasar la luz en el eje, y manteniendo el área de destello de la lente central completa. La zona de destello es la parte de la abertura de salida que, cuando se ve en el eje desde una gran distancia (campo lejano), está iluminada. El área de destello es directamente proporcional a la intensidad alcanzada.

Los diseños son preferentemente rotacionalmente simétricos con respecto al eje óptico.

La lente de Fresnel, por ejemplo, tiene un diámetro típico de 20 mm a 100 mm, aunque pueden fabricarse fácilmente lentes más pequeñas y más grandes (por ejemplo de 5 mm a 500 mm).

Cuando se conforma mediante inyección de plástico, el grosor típico de la lente se situaría entre 1,5 mm y 10 mm, aunque también se pueden fabricar lentes más gruesas y más finas. La distancia a la fuente fluctúa para muchas lentes TIR en el rango del 15 al 30% del diámetro de la lente.

El invento es de interés para las lámparas focales generales (como MR16, GU10, AR111), iluminación de tiendas, lámparas de reflector parabólico aluminizado (PAR) y lámparas profesionales. Es de interés cuando se desean halos reducidos y menos deslumbramiento.

Otras variaciones de los modelos de fabricación divulgadas pueden ser comprendidas y realizadas por los expertos en la práctica del invento reivindicado, a partir de un estudio de los dibujos, la divulgación y las reivindicaciones adjuntas. En las reivindicaciones, la palabra "que comprende" no excluye otros elementos o pasos, y el artículo indefinido "el/la" o "un/una" no excluye una pluralidad. El mero hecho de que ciertas medidas se enumeren en reivindicaciones dependientes mutuamente diferentes no indica que una combinación de estas medidas no pueda ser utilizada de forma ventajosa. Cualquier referencia en las reivindicaciones no debe interpretarse como una limitación del ámbito de aplicación.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Colimador (1) con un punto focal (15) para posicionar sobre una fuente de luz (14) que debe proporcionarse en el punto focal en una posición de fuente de luz (17), presentando el colimador:

una lente de Fresnel (3) que comprende una sección de lente interna refractiva (10) y una sección de reflexión total con dentado externo (12); comprendiendo la lente de Fresnel un eje óptico (13) que pasa por el centro (5) de la sección de lente interna (10) y a través de la posición de la fuente de luz; y

un elemento de bloqueo de la luz (20) entre al menos la sección de lente interna de la lente de Fresnel y la posición de la fuente de luz, estando el elemento de bloqueo de la luz (20) adaptado de manera que la sección de lente interna tenga al menos una zona de imagen reducida (7), siendo dicha zona de imagen reducida un área de la sección de lente interna en la que sólo se puede proyectar una parte de la forma completa de la fuente de luz cuando la fuente de luz se encuentra en la posición de la fuente de luz.

2. Un colimador según la reivindicación 1, donde la zona de imagen reducida (7) comprende al menos una parte de la sección de lente interna (10) en el eje óptico (13).

3. Un colimador según la reivindicación 2, donde el elemento de la luz (20) comprende un deflector cónico (20a).

4. Un colimador según la reivindicación 3, donde el deflector cónico (20a) presenta una primera abertura (22a) adyacente a la posición de la fuente de luz, y una segunda abertura más grande (24a) adyacente a la parte interna de la lente, donde la segunda abertura (24a) es más pequeña que la sección de lente interna (10).

5. Un colimador según la reivindicación 2, donde el elemento de bloqueo de la luz (20) comprende un deflector de bloqueo de la luz (20b; 20c) centrado en el eje óptico (13).

6. Un colimador según la reivindicación 5, donde el deflector de bloqueo de la luz (20b; 20c) está adaptado para extenderse dentro de una zona definida por las trayectorias (40) entre un borde de la zona de la fuente de luz, correspondiente al tamaño de la fuente de luz (14) para su posicionamiento en la posición de la fuente de luz, y un punto situado en el lado opuesto de la sección de lente interna (10).

7. Un colimador según la reivindicación 5 o 6, donde el deflector de bloqueo de la luz comprende un reflector (20c) para reflejar la luz de vuelta a la ubicación de la fuente de luz.

8. Un colimador según una reivindicación precedente, donde la parte de imagen reducida (7) comprende al menos un perímetro externo de la sección de lente interna.

9. Un colimador según la reivindicación 8, donde el elemento de bloqueo de la luz (20) comprende un deflector cónico (20d).

10. Un colimador según la reivindicación 9, donde el deflector cónico presenta una primera abertura (22d) adyacente a la posición de la fuente de luz, y una segunda abertura más grande (24d) adyacente a la sección de lente interna, donde la segunda abertura (24d) corresponde en tamaño a la sección de lente interna (10).

11. Un colimador según una reivindicación precedente, donde la parte de imagen reducida (7) comprende toda la sección de lente interna.

12. Un colimador según la reivindicación 11, donde el elemento de bloqueo de la luz (20) comprende un conjunto (20e) de deflectores concéntricos cónicos (70) dispuestos contra toda la superficie de la sección de lente interna.

13. Un colimador según una reivindicación precedente, donde el elemento de bloqueo de la luz (20) comprende un conjunto (20f) de aletas que se extienden radialmente (80) dispuestas en una disposición anular.

14. Una unidad de iluminación que comprende una disposición de colimador según una reivindicación precedente; y una fuente de luz colocada en la posición de la fuente de luz.

15. Una unidad de iluminación según la reivindicación 14, donde la fuente de luz está conformada para proporcionar luz emitida desde una zona de la fuente de luz centrada en el eje óptico.