ES2875798T3

ES2875798T3 - Módulo led con lente de salida

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Publication number: ES2875798T3
Application number: ES16775118T
Authority: ES
Inventors: Hendrikus Gommans
Original assignee: Signify Holding BV
Current assignee: Signify Holding BV
Priority date: 2015-09-29
Filing date: 2016-09-20
Publication date: 2021-11-11
Anticipated expiration: 2036-09-20
Also published as: EP3356875B1; CN108139577B; US10677418B2; WO2017055141A1; EP3356875A1; CN108139577A; US20180259153A1

Abstract

Un módulo de iluminación que comprende: un LED (44) que tiene un área de salida de luz; y una lente refractiva sobre el LED para proporcionar la conformación del haz de la salida de luz del LED, en el que la lente comprende una superficie interior (40) y una superficie exterior (42), en el que la superficie exterior es una superficie de conformación del haz suave que proporciona una función de conformación del haz esencialmente solo a través de la refracción, y la superficie interior tiene un perfil escalonado, en el que los escalones del perfil escalonado comprenden cada uno una porción ascendente (81) y una porción de salida (82), en el que las porciones ascendentes son paralelas con una dirección de rayo que se origina en un punto central del área de salida de luz del LED y las porciones de salida son normales a la dirección de dicho rayo.

Description

DESCRIPCIÓN

Módulo led con lente de salida

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un módulo LED con una lente de salida para dar forma a la salida de luz.

Antecedentes de la invención

La invención se refiere, por ejemplo, a un módulo LED que se diseña para proporcionar una iluminación uniforme de una superficie plana. Sin embargo, la invención se puede aplicar en general a la óptica de conformación del haz. Un enfoque conocido para lograr una iluminación de superficies planas es utilizar una denominada distribución de intensidad tipo batwing (también denominada distribución de intensidad de haz ancho). El término batwing se refiere a una forma muy puntiaguda de la distribución de intensidad en una gráfica polar.

La Figura 1 muestra un ejemplo de una distribución de intensidad tipo batwing como una gráfica polar. Las dos alas 10, 12 en este ejemplo tienen una intensidad máxima a 60 grados a cada lado de la normal, y el objetivo es proporcionar una iluminación de superficie uniforme en todo el intervalo de 120 grados. La intensidad es mayor en los ángulos rasante debido a que el área superficial que se ilumina por unidad de ángulo aumenta considerablemente.

El anillo 14 es la intensidad de la luz en una dirección perpendicular. Para una distribución de luz rotacionalmente simétrica, esto también sería una distribución tipo batwing. Para una fuente de luz lineal, es por ejemplo una distribución circular (es decir, Lambertiana).

Para crear el perfil tipo batwing deseado a partir de un LED, se requiere un componente óptico para compensar la conocida cuarta ley del coseno que se aplica a una fuente puntual Lambertiana (por la cual la iluminancia cae después de una función coseno4 O). Por lo tanto, el diseño óptico necesita cambiar la distribución de intensidad Lambertiana de una intensidad de salida de LED a la distribución tipo batwing.

La distribución de luz batwing permite una iluminación uniforme de una superficie plana, por ejemplo, incluso hasta un ángulo de haz de 140°. Tales distribuciones de luz y, por tanto, diseños de lentes se usan, por ejemplo, en el alumbrado público y en las aplicaciones empotradas. En estos ejemplos, la distribución tipo batwing apunta a una superficie plana en el campo lejano: la superficie iluminada se posiciona a una distancia mucho mayor que las dimensiones del módulo de luz.

También se pueden aplicar distribuciones tipo batwing similares para iluminar el interior de una carcasa de luminaria, por ejemplo, la ventana de salida de una luminaria. Esto crearía entonces un panel luminiscente espacialmente uniforme. Esto da una apariencia uniforme deseada de la propia luminaria en lugar de una superficie iluminada. Un enfoque alternativo conocido para aumentar la uniformidad espacial en un panel luminiscente es mediante una dispersión extensa: usando superficies blancas mate reflectantes en el lado interno de la carcasa o patrones de puntos de pintura blanca bien diseñados en una guía de luz.

Las soluciones basadas en dispersión típicamente permiten una alta uniformidad espacial a expensas de la eficiencia y/o el factor de forma. Además, la distribución de la luz en la ventana de salida se limitará a una distribución Lambertiana en cada posición de la superficie, mientras que un elemento óptico con un diseño tipo batwing puede, en cambio, asignar un flujo constante a cada posición desde una dirección conocida, es decir, la posición de la fuente de luz. Esto permite una mayor conformación del haz en la posición de la ventana de salida. Hay dos diseños conocidos de lentes capaces de cambiar una distribución de intensidad Lambertiana en una distribución de intensidad tipo batwing.

Un primer ejemplo es el que se denomina diseño en forma de cacahuete, como se muestra en la Figura 2, y un segundo ejemplo es el que se denomina diseño de burbuja, como se muestra en la Figura 3.

La diferencia de forma se determina mediante la elección de la superficie de desvío de rayos. La superficie que cambia la distribución Lambertiana en una de tipo batwing es, para la óptica con forma de cacahuete, la superficie exterior de la lente, mientras que para la óptica con forma de burbuja es la superficie interior.

La tecnología de fabricación masiva de este tipo de lentes en base a, por ejemplo, la impresión o el moldeo por inyección, donde el precio de costo de una única óptica se determina principalmente mediante la cantidad de plástico y su tiempo de ciclo. Además, el tiempo del ciclo depende de la cantidad de plástico. Por lo tanto, para proporcionar soluciones rentables, se desea un diseño que use la menor cantidad de material.

Por lo tanto, existe la necesidad de un diseño de lente para un diseño de LED que permita una reducción en la cantidad de material necesario. El documento US 2005/286145 A1 divulga un LED que tiene un área de salida de luz, una lente refractiva sobre el LED para proporcionar la conformación del haz de la salida de luz del LED, en el que la lente comprende una superficie interior y una superficie exterior, en el que la superficie exterior es una superficie de conformación del haz suave y la superficie interior tiene un perfil escalonado.

Sumario de la invención

La invención se define por las reivindicaciones.

De acuerdo con un ejemplo, se proporciona un módulo de iluminación que comprende:

un LED que tiene un área de salida de luz; y

una lente refractiva sobre el LED para proporcionar la conformación del haz de la salida de luz del LED, en el que la lente comprende una superficie interior y una superficie exterior, en el que la superficie exterior es una superficie de conformación del haz que proporciona una función de conformación del haz esencialmente solo a través de la refracción, y la superficie interior tiene un perfil escalonado,

en el que los escalones del perfil escalonado comprenden cada uno una porción ascendente y una porción de salida, en el que las porciones ascendentes son paralelas con una dirección del rayo que se origina en un punto central del área de salida de luz del LED y las porciones de salida son normales a dicha dirección del rayo.

En este diseño, las funciones de una superficie actúan como una superficie de paso, sin realizar ninguna o sustancialmente ninguna función de conformación del haz. La expresión "sustancialmente" en este sentido significa que la función de conformación del haz a través de la refracción es insignificante para el funcionamiento que se desea del módulo de iluminación, lo que significa un cambio en la dirección del rayo de luz a través de la refracción en la porción de salida de, por ejemplo, como máximo 1,5°, es decir, un ángulo de incidencia p de, por ejemplo, como máximo 2,5° (en el que la superficie normal a la porción de salida está en un ángulo de incidencia de 0°). Tenga en cuenta que, en la práctica, un modo de paso real solo se aplicará si se supone que el LED es una fuente puntual (de ahí la definición de una salida puntual anterior), y el tamaño finito de un LED real significa que habrá algunos rayos que se refractan en la superficie de paso. Sin embargo, la función óptica de esa superficie se minimiza esencialmente para no proporcionar conformación del haz para los rayos que se originan en una fuente puntual que es una aproximación de la fuente de LED. Para ello, el LED es un único LED o un grupo dispuesto de manera compacta de unos pocos LED, es decir, por ejemplo, cuatro LED, pero como máximo, nueve LED, que tienen un área de salida de luz total de unas pocas décimas a unos pocos mm2, por ejemplo, de 0,5 a 10 mm2, orientada hacia la porción de salida. En este sentido liso significa estar libre de asperezas, protuberancias, crestas o irregularidades (más grandes que la escala submicrónica) y no dividido en dientes.

El uso de una superficie escalonada significa que se puede reducir el grosor de la lente, específicamente, entre las superficies interior y exterior. El grosor puede hacerse sustancialmente constante en general, cuando se ignoran las variaciones de grosor debido a los escalones.

El LED, por ejemplo, genera una salida con una distribución de intensidad Lambertiana, que debe convertirse mediante el elemento de lente. Esto significa que se puede usar un envase de LED estándar sin ninguna otra óptica de conformación del haz. La intensidad de salida del módulo, por ejemplo, tiene una distribución tipo batwing. Esto es de particular interés para generar una iluminación uniforme sobre una superficie plana.

En el módulo de iluminación es posible que para los rayos que se emiten en un primer intervalo de ángulo de al menos 5° a 40° con el eje óptico, los rayos se refractan alejándose de dicho eje óptico, mientras que los rayos que se emiten en un segundo intervalo de ángulo de al menos 75° a 85° con el eje óptico se refracta hacia el eje óptico. Para sintonizar aún más el perfil tipo batwing, la refracción alejada del eje óptico puede estar presente para rayos en un primer intervalo de ángulo de al menos 0,1° a 50°, y respectivamente para la refracción hacia el eje óptico puede estar presente en un segundo intervalo de ángulo de al menos 65° a 89,9°. La superficie de conformación del haz tiene, por ejemplo, una forma de manera que los rayos emitidos a lo largo del eje óptico se refractan alejándose del eje óptico, por ejemplo, por al menos 5 grados, y los rayos que se aproximan a 90° del eje óptico se refractan hacia el eje óptico, por ejemplo, en al menos 5 grados. Mediante esta función óptica se puede generar un perfil tipo batwing. Para un ajuste fino detallado del perfil tipo batwing, es posible, por ejemplo, que para los rayos emitidos por el LED en un primer intervalo de ángulo de 0 grados a 45 grados con el eje óptico, el ángulo de refracción esté alejado del eje óptico y aumente gradualmente desde 5° de refracción para rayos a aproximadamente 0 grados hasta un máximo de aproximadamente 10°, o 18° o incluso 25° de refracción para rayos en aproximadamente 25 a 35 grados con el eje óptico, para luego disminuir a aproximadamente 0° de refracción para rayos en aproximadamente 60 grados con el eje óptico; y además, para los rayos emitidos mediante el LED en un segundo intervalo de ángulo de aproximadamente 60 grados a 90 grados con el eje óptico, el ángulo de refracción es hacia el eje óptico y aumenta gradualmente desde 0° de refracción para rayos de aproximadamente 60 grados hasta un máximo de aproximadamente 20°, o 30° o incluso 35° de refracción para rayos a 90 grados con el eje óptico.

Un lente en el que el grosor máximo entre las superficies interior y exterior sobre el área total de las superficies interior y exterior es menos de 0,1 veces el diámetro de sección transversal mínimo de la lente se denomina lente con forma de burbujas. Típicamente, en una lente con forma de burbujas se permite una reducción relativamente alta de la cantidad de material.

En el dispositivo de iluminación, la superficie exterior de la lente refractiva es la superficie de conformación del haz, la superficie interior es la superficie de paso. A continuación, la superficie interior se lleva hacia la superficie exterior mediante el uso del perfil de escalones. Esto significa que la superficie exterior puede diseñarse mediante enfoques convencionales, ya que la superficie interior no realiza ninguna función óptica adicional. Entonces, la lente puede comprender una lente con forma de cacahuete.

El grosor mínimo entre las superficies interior y exterior puede ser inferior a 1 mm. Esto permite reducir significativamente la cantidad de material necesario.

El grosor mínimo puede ser inferior a 0,8 mm e incluso inferior a 0,6 mm. El grosor mínimo que se elija dependerá, por ejemplo, de las propiedades mecánicas del material que se use y de la resistencia y rigidez que se requiera, así como de la facilidad de fabricación. Por lo tanto, habrá una compensación entre el grosor mínimo (que da una reducción en el material necesario) y la capacidad de fabricación.

El grosor máximo entre las superficies interior y exterior en toda el área de las superficies interior y exterior puede ser menos de tres veces el grosor mínimo. Esto significa que se proporciona un grosor relativamente constante, que es suficiente para la rigidez de la lente, pero permite una reducción del material necesario.

El grosor máximo entre las superficies interior y exterior en toda el área de las superficies interior y exterior puede ser menos del doble del grosor mínimo. Puede ser un grosor sustancialmente constante cuando se ignoran las variaciones de grosor relacionadas con el perfil del escalón, es decir, si se promedian los escalones.

A medida que se reducen las variaciones de grosor, se reduce el volumen de material necesario.

La distancia entre el LED y la superficie interior puede estar en el intervalo de 1 a 20 veces la extensión lateral de una superficie de salida de luz del LED.

El ancho de la superficie exterior de la lente en su base puede estar en el intervalo de 0,5 a 3 veces la altura de la lente.

Estas opciones dimensionales proporcionan opciones para encontrar una compensación deseada entre el tamaño de la lente y el rendimiento óptico. A medida que se reduce el tamaño, el tamaño del LED juega un papel más importante en la disminución de la calidad óptica de la salida.

La lente se forma, por ejemplo, de PC, PMMA, PET, PEN o COC. Estos permiten moldear la lente utilizando materiales y equipos convencionales.

Breve descripción de las figuras

Otras áreas de aplicabilidad de la presente invención serán evidentes a partir de la descripción detallada que se proporciona más adelante. Debe entenderse que la descripción detallada y los ejemplos específicos, si bien indican realizaciones ejemplares de los sistemas y procedimientos, se conciben únicamente con propósitos ilustrativos y no pretenden limitar el ámbito de la invención. Estas y otras características, aspectos y ventajas del aparato, sistemas y procedimientos de la presente invención se entenderán mejor a partir de la siguiente descripción, las reivindicaciones adjuntas, y los dibujos esquemáticos acompañantes en donde:

La Figura 1 muestra una distribución de intensidad tipo batwing conocida;

La Figura 2 muestra de forma simplificada la forma de una lente con forma de cacahuete;

La Figura 3 muestra de forma simplificada la forma de una lente con forma de burbuja;

La Figura 4 muestra la forma de las superficies interna y externa de una lente con forma de burbuja conocida más claramente y muestra las trayectorias de los rayos a través de la lente, la distribución de intensidad en la salida y la distribución de intensidad cuando se proyecta sobre una superficie;

La Figura 5 muestra la forma de las superficies interna y externa de una lente con forma de burbuja modificada y muestra las trayectorias de los rayos a través de la lente, la distribución de intensidad en la salida y la distribución de intensidad cuando se proyecta sobre una superficie;

La Figura 6 muestra la forma de las superficies internas y externas de un primer ejemplo de lente con forma de burbuja con una superficie ópticamente inactiva, y muestra las trayectorias de los rayos a través de la lente, la distribución de intensidad en la salida y la distribución de intensidad cuando se proyecta sobre una superficie;

La Figura 7 muestra la forma de las superficies internas y externas de un segundo ejemplo de lente con forma de burbuja con una superficie ópticamente inactiva, y muestra las trayectorias de los rayos a través de la lente, la distribución de intensidad en la salida y la distribución de intensidad cuando se proyecta sobre una superficie;

La Figura 8 muestra las formas de la porción escalonada con más detalle para una lente con forma de burbuja; y La Figura 9 muestra las formas de la porción escalonada con más detalle para una lente con forma de cacahuete. Descripción detallada de las realizaciones

La invención proporciona un módulo de iluminación que comprende un LED y una lente sobre el LED. La lente tiene una superficie de conformación del haz y una superficie de paso con un perfil escalonado. Los escalones del perfil escalonado comprenden cada uno una porción ascendente y una porción de salida, en la que las porciones ascendentes son paralelas con la dirección del rayo que pasa a través de la superficie en esa ubicación y las porciones de salida son normales a la dirección del rayo que pasa a través de la superficie en esa ubicación. La superficie de paso, por ejemplo, no realiza ninguna función de conformación del haz. El perfil escalonado permite reducir el grosor de la lente para reducir la cantidad de material necesario.

La Figura 4 muestra un diseño de lente con forma de burbuja conocido. La Figura 4(a) muestra la forma de la lente en sección transversal. Tiene una superficie interior 40 y una superficie exterior 42. El LED 44 se monta en una cavidad de aire debajo de la superficie interior. La lente se forma por un material de índice de refracción adecuado como policarbonato (PC) o poli(metacrilato de metilo) (PMMA). Otros materiales posibles son siliconas, tereftalato de polietileno (PET), naftalato de polietileno (PEN) y copolímero de olefina cíclica (COC).

La superficie interior 40 realiza la función de lente principal y, como se muestra, los rayos cercanos a la normal se curvan alejándose de la normal y los rayos laterales se curvan hacia la normal. Esto define el perfil tipo batwing. Para este diseño de óptica con forma de burbuja convencional, la superficie exterior 42 se ubica a una distancia suficientemente grande como para que pueda aproximarse por una semiesfera, y realiza cierta conformación del haz adicional limitada.

La Figura 4(b) muestra el perfil de intensidad tipo batwing.

La Figura 4(c) muestra la distribución de intensidad sobre una superficie plana a una distancia del LED de manera que se forma un círculo de iluminación de un radio de 10,7 cm. Para el análisis que se realiza se utilizó un envase de LED de 100 lm, con un receptor plano colocado a 5 cm de la fuente y un receptor de campo lejano para calcular la distribución de intensidad. La superficie ópticamente activa 40 se diseña para iluminar uniformemente el receptor plano a una distancia de 5 cm hasta un ángulo completo de 130°: es decir, para generar un punto circular uniformemente iluminado con un radio de 10,7 cm (= 5 cm x tan 65°). El valor de iluminancia uniforme produciría 2.770 lux (= 100 lm dividido mediante el área del punto).

En la práctica, hay iluminación en toda el área, pero hay bandas de diferente intensidad en diferentes radios. Esto se muestra mediante un sombreado diferente en la imagen de la Figura 4(c). La distribución de intensidad de luz se representa en la Figura 4(d) que funciona como clave para la Figura 4(c).

Cada profundidad de sombreado en la Figura 4(c) se traza en la Figura 4(d) a la izquierda, y el lateral derecho de la Figura 4(d) proporciona una medida para el número de píxeles en la superficie iluminada que tiene ese valor de intensidad particular. El eje x es un valor de recuento y el eje y es un valor de luminancia. Por ejemplo, para un área perfectamente iluminada de manera uniforme, solo habrá un pico para una intensidad de luz en particular, y el recuento será el número total de píxeles.

Como puede verse en la Figura 4(d), hay un intervalo de valores de intensidad y dos picos generales (aproximadamente 4.000 lux y 2.800 lux).

Usando un primer enfoque, el diseño de la Figura 4 se modifica mediante la superficie ópticamente menos activa (que en la Figura 4 es la superficie exterior 42, pero puede ser la superficie interior o exterior en función del diseño) lo más cerca posible de la superficie óptica activa 40.

La Figura 5 muestra la forma de las superficies interna y externa de un primer ejemplo de lente con forma de burbuja en base al diseño de la Figura 4 y muestra la misma información que en la Figura 4.

En la Figura 5, la óptica con forma de burbuja tiene una cúpula semiesférica de grosor reducido. El grosor directamente sobre el LED se reduce a 1 mm o menos, por ejemplo, 0,8 mm, 0,6 mm o incluso 0,5 mm.

La superficie interior proporciona de nuevo la principal funcionalidad óptica. Como se muestra, la superficie exterior también realiza alguna función de lente.

Simplemente reduciendo el tamaño de la superficie semiesférica exterior de la manera mostrada en la Figura 5 se obtiene una distribución luminosa máxima aún más pronunciada en el diámetro exterior del punto del haz. Por lo tanto, la reducción del material necesario se produce a expensas de una función de conformación del haz óptico deteriorado.

La Figura 5(d) también muestra que hay un intervalo mucho más amplio de intensidades de luz y, por lo tanto, una intensidad de luz en general menos uniforme.

La Figura 6 muestra la forma de las superficies internas y externas de un ejemplo de lente con forma de burbuja más claramente con una superficie exterior ópticamente inactiva, y muestra las trayectorias de los rayos a través de la lente, la distribución de intensidad en la salida y la distribución de intensidad cuando se proyecta en una superficie. También muestra que la forma exterior se convierte de una forma semiesférica a una forma ligeramente cónica para proporcionar una superficie ópticamente inactiva deseada,

Para crear la superficie exterior ópticamente inactiva, la superficie es perpendicular a la dirección del recorrido del rayo en cada ubicación (asumiendo que el LED es una fuente puntual, de modo que solo hay una dirección de rayo a través de cada ubicación de la superficie exterior).

Para definir la forma de la superficie exterior, la forma se elige de modo que un rayo atraviese esta superficie sin desviarse. Para ello, se calcula bajo qué ángulo incide el rayo en la superficie exterior y la orientación de la superficie en esa ubicación se calcula en consecuencia.

En el lateral de la superficie de extracción de luz, si la superficie de extracción 42 está lo suficientemente lejos de la superficie de recolección 40, los rayos pueden aproximarse como si procedieran de un único punto, en oposición a la superficie interior.

Al acercar la superficie exterior de extracción 42, se hace necesario corregir esta aproximación. Esto da lugar a la superficie exterior de forma cónica 42 de la Figura 6. Por lo tanto, la superficie de recolección interior 40 todavía puede aproximarse mediante una aproximación de fuente puntual.

La superficie cónica permite que el volumen del material se reduzca hasta un cierto límite cuando en algún punto el grosor de la lente alcanza su valor mínimo de digamos 1 mm. Este grosor mínimo de la lente se puede ver en la Figura 6 para ubicarse en el eje óptico.

La Figura 6(d) muestra que este diseño permite una distribución de luz más uniforme, con esencialmente un pico de aproximadamente 2.800 Lux.

La invención permite una reducción adicional del volumen de la lente, por ejemplo, con el volumen del lente reducido al aplicar el mismo grosor mínimo en toda el área de la lente. Con el fin de permitir que el tamaño se reduzca aún más sin mantener ningún efecto óptico en la segunda superficie 42, la superficie exterior se adapta para que ya no sea una superficie lisa. En cambio, se forma por un perfil escalonado con una serie de facetas.

Un primer ejemplo se muestra en la Figura 7.

Los escalones del perfil escalonado comprenden cada uno una porción ascendente y una porción de salida, en la que las porciones ascendentes son paralelas con una dirección de rayo que se origina en una salida puntual del LED (es decir, desde una fuente puntual que se supone que representa la salida del LED) y las porciones de salida son normales a la dirección de ese rayo. Por lo tanto, la luz no incide en las porciones ascendentes debido a que son paralelas a la dirección de la luz, y las porciones de salida no desvían la luz debido a la relación perpendicular. La superficie interior 40 está totalmente determinada mediante la intensidad luminosa incidente y la intensidad luminosa objetivo. Generalmente, la intensidad incidente es Lambertiana y tiene una dependencia del coseno. Para una distribución tipo batwing, la superficie interior 40 tiene una forma de manera que los rayos emitidos a 0° se refractarán alejándose del eje óptico, mientras que los rayos cercanos a 90° se refractarán hacia el eje óptico. Como resultado, siempre hay una ubicación en la superficie donde la actividad óptica (potencia dióptrica) es aproximadamente cero. Tal descripción del rayo determina la forma de la superficie interior.

El perfil escalonado se aplica a la superficie exterior 42 es para minimizar el volumen total de la lente. Esto se puede implementar al desplazar cada elemento de faceta paralelo al rayo de salida lo más cerca posible de la superficie interior. Como la superficie exterior no tiene actividad óptica, las facetas de tiro (las partes verticales de cada escalón) permanecen paralelas a los rayos y no pueden recolectar ningún flujo, lo que lo convierte en un diseño eficiente.

Siempre que la superficie exterior 42 sea perpendicular a los rayos del recorrido, es posible reducir la distancia entre la superficie interior y exterior ya que las facetas de tiro de cada escalón están orientadas perfectamente paralelas a los rayos.

La Figura 7 muestra la forma de las superficies internas y externas cuando la superficie escalonada se aplica a una lente con forma de burbuja, y nuevamente muestra las trayectorias de los rayos a través de la lente, la distribución de intensidad en la salida y la distribución de intensidad cuando se proyecta sobre una superficie.

En este diseño, en cada posición alrededor de la lente, la distancia general entre la superficie interior y exterior se reduce a una distancia mínima para reducir la cantidad de material necesario. El grosor puede ser de nuevo 1 mm o menos, por ejemplo, menos de 0,8 mm o menos de 0,6 mm. Este diseño puede considerarse una lente en forma de campana.

La Figura 7(d) muestra que el pico de intensidad único se conserva de modo que se mantenga una iluminación de salida relativamente uniforme.

Como se mencionó anteriormente, el diseño de la Figura 7 hace uso de una superficie de lente escalonada. Esto se muestra de forma exagerada en la Figura 8 para el diseño de la lente de la Figura 7.

La Figura 8 muestra el conjunto de facetas 80 más claramente y muestra las porciones ascendentes 81 y las porciones de salida 82. Las porciones ascendentes 81 son paralelas con la dirección del rayo incidente desde el centro (0,0) del área de emisión de luz del LED y las porciones de salida son perpendiculares a esa dirección del rayo.

La discretización de la superficie escalonada es en base al lumen recogido.

Si las facetas son suficientemente cortas, pueden ser rectas, es decir, planas, sin afectar significativamente el rendimiento óptico. En cambio, pueden ser curvas si se elige una rejilla más gruesa, con la curvatura local definida mediante la forma de la superficie cónica no escalonada en la Figura 6. Puede elegirse cualquier nivel de discretización que se desea.

A modo de ejemplo, puede haber entre 10 y 500 escalones, por ejemplo, entre 20 y 400 escalones, por ejemplo, entre 20 y 200 escalones. Los escalones siguen un contorno alrededor de la lente. Los escalones son, por ejemplo, círculos anulares (para un diseño simétrico rotacionalmente) o elipses o formas más complicadas (por ejemplo, alrededor de una forma de lente con forma de cacahuete). En general puede haber más de 10 escalones, con mayor preferencia más de 20 escalones y aún con mayor preferencia más de 50 escalones.

La fidelidad de la superficie de una superficie lisa es mayor para las tecnologías de fabricación convencionales que la de una superficie escalonada. Por lo tanto, el diseño de la superficie escalonada tiene un óptimo diferente en la compensación entre el costo del material y el tiempo del ciclo versus la calidad de la superficie. Los diferentes niveles de discretización darán una compensación diferente entre el volumen y la facilidad/precisión de fabricación de la forma de la lente.

En el límite, el diseño permite minimizar la cantidad de material, dado un grosor mínimo requerido. Por ejemplo, el grosor máximo entre las superficies interior y exterior en toda el área de las superficies interior y exterior puede ser menos de tres veces o incluso menos de dos veces el grosor mínimo. Por lo tanto, se proporciona un grosor relativamente constante. Las variaciones de grosor pueden surgir únicamente de las características escalonadas en lugar de la forma en general. Por lo tanto, al promediar los escalones, de modo que se conviertan en regiones de grosor constante, el grosor de todo el diseño se vuelve constante. Por lo tanto, cada escalón da lugar al mismo grosor promedio, o el grosor promedio de cada escalón se desvía por menos del 25 % del grosor promedio de toda la lente, o incluso se desvía por menos del 10 % del grosor promedio.

El mismo enfoque que se muestra en las Figuras 7 y 8 se puede aplicar a una lente con forma de cacahuete como se muestra en la Figura 9.

Al igual que la Figura 8, la Figura 9 muestra el conjunto de facetas 80 y muestra las porciones ascendentes 81 y las porciones de salida 82. Las porciones ascendentes 81 son paralelas con la dirección del rayo incidente desde el centro (0,0) del área de emisión de luz del LED y las porciones de salida son perpendiculares a esa dirección del rayo. La superficie facetada es la superficie interior 40, y se lleva hacia la superficie exterior 42 para lograr la uniformidad de grosor de la misma manera que se explicó anteriormente. Debido al tamaño del área de salida de luz 46 y al tamaño de la porción de salida, existe una ligera variación en el ángulo de incidencia p de los rayos de luz en la porción de salida, típicamente p está en el intervalo de -2,5° a 2,5° sin embargo, esto provoca una redirección insignificante de los rayos de luz que inciden en la superficie de dicha porción de salida.

Los ejemplos anteriores muestran que se mantiene la distribución de intensidad de salida tipo batwing deseada. Obsérvese que se supone que todos los diseños anteriores son rotacionalmente simétricos con respecto a la dirección normal (eje óptico). Por lo tanto, la lente tiene una base circular alrededor del LED. Sin embargo, un diseño circular no es esencial. Por ejemplo, se puede adoptar el mismo enfoque para diseños simétricos de extrusión, es decir, fuentes de línea.

La lente, por ejemplo, tiene dimensiones que se eligen en función del diámetro D de la fuente de luz. A modo de ejemplo:

la distancia entre la fuente de luz y la superficie de recolección en el eje óptico está típicamente en el intervalo de 1 a 20 veces D;

la altura de la lente está típicamente en el intervalo de 1 a 20 veces D más el grosor mínimo de la lente;

el ancho de la lente está típicamente en el intervalo de 0,5 a 3 veces la altura de la lente (1 a 20 veces D), lo que produce 0,5 - 60 veces D.

Estas dimensiones toman en cuenta el hecho de que el LED no es una fuente puntual ideal. Por ejemplo, el área de salida de luz del LED puede ser de 1 mm x 1 mm (es decir, D = 1 mm). Al mantener una distancia a la superficie de recolección (la superficie 40) de entre 1 mm y 20 mm, la función de salida óptica se mantiene a pesar del tamaño no puntual del LED. El extremo más grande del intervalo dará lugar a un mejor rendimiento óptico, mientras que el extremo inferior del intervalo brindará mejores oportunidades para la miniaturización y reducción de material.

A modo de ejemplo, cuanto más alejadas estén las porciones ascendentes de la fuente de LED, más cerca estará el intervalo angular de luz de la dirección paralela deseada. De manera similar, cuanto más alejadas estén las porciones de salida de luz de la fuente de LED, más cerca estará el intervalo angular de luz de la dirección perpendicular deseada.

Este es solo un ejemplo de tamaño de LED. Por ejemplo, D puede encontrarse típicamente en el intervalo de 0,2 mm a 5 mm.

La invención es de interés, por ejemplo, para luminarias de exterior en aplicaciones donde la apariencia es importante y/o donde se desea una iluminación uniforme de la superficie. Las luminarias pueden ser, por ejemplo, para la parte superior de postes de luz, o pueden ser luminarias colgantes, para áreas urbanas. En cambio, las luminarias se pueden usar para iluminación de bolardos.

Sin embargo, la invención se puede usar para áreas interiores o exteriores.

La luminaria puede estar orientada horizontalmente para emitir luz hacia abajo, pero esto no es esencial. La luminaria puede ser para iluminar una superficie en cualquier orientación.

Otras variaciones a las realizaciones divulgadas pueden entenderse y efectuarse por los expertos en la técnica en la práctica de la invención reivindicada, 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 etapas, y el artículo indefinido "un" o "una" no excluyen una pluralidad. El mero hecho de que ciertas medidas se exponen en reivindicaciones dependientes mutuamente diferentes no indica que una combinación de estas medidas no pueda usarse para beneficio. Cualquier signo de referencia en las reivindicaciones no debe interpretarse como limitante del ámbito.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un módulo de iluminación que comprende:

un LED (44) que tiene un área de salida de luz; y

una lente refractiva sobre el LED para proporcionar la conformación del haz de la salida de luz del LED, en el que la lente comprende una superficie interior (40) y una superficie exterior (42), en el que la superficie exterior es una superficie de conformación del haz suave que proporciona una función de conformación del haz esencialmente solo a través de la refracción, y la superficie interior tiene un perfil escalonado,

en el que los escalones del perfil escalonado comprenden cada uno una porción ascendente (81) y una porción de salida (82), en el que las porciones ascendentes son paralelas con una dirección de rayo que se origina en un punto central del área de salida de luz del LED y las porciones de salida son normales a la dirección de dicho rayo.

2. Un módulo como se reivindicó en la reivindicación 1, en el que el LED genera una salida con una distribución de intensidad Lambertiana.

3. Un módulo como se reivindicó en la reivindicación 1 o 2, en el que la intensidad de salida del módulo tiene una distribución tipo batwing.

4. Un módulo como se reivindicó en la reivindicación 3, en el que la superficie de conformación del haz tiene una forma de manera que los rayos emitidos a lo largo del eje óptico se refractan alejándose del eje óptico y los rayos que se aproximan a 90° del eje óptico se refractan hacia el eje óptico.

5. Un módulo como se reivindicó en la reivindicación 1, en el que la lente comprende una lente con forma de cacahuete.

6. Un módulo como se reivindicó en cualquier reivindicación anterior, en el que el grosor mínimo entre las superficies interior y exterior es inferior a 1 mm.

7. Un módulo como se reivindicó en la reivindicación 6, en el que el grosor mínimo es inferior a 0,8 mm y con mayor preferencia inferior a 0,6 mm.

8. Un módulo como se reivindicó en cualquier reivindicación anterior, en el que el grosor máximo entre las superficies interior y exterior en toda el área de las superficies interior y exterior es menos de tres veces el grosor mínimo.

9. Un módulo como se reivindicó en la reivindicación 8, en el que el grosor máximo entre las superficies interior y exterior en toda el área de las superficies interior y exterior es menos del doble del grosor mínimo.

10. Un módulo como se reivindicó en cualquier reivindicación anterior, en el que la distancia entre el LED y la superficie interior está en el intervalo de 1 a 20 veces la extensión lateral de una superficie de salida de luz del LED.

11. Un módulo como se reivindicó en cualquier reivindicación anterior, en el que el ancho de la superficie exterior de la lente en su base está en el intervalo de 0,5 a 3 veces la altura de la lente.

12. Un módulo como se reivindicó en cualquier reivindicación anterior, en el que la lente se forma de PC, PMMA, PET, PEN o COC.