ES2930748T3 - Dispositivo y método para iluminación uniforme de campo lejano con LED - Google Patents

Dispositivo y método para iluminación uniforme de campo lejano con LED Download PDF

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Abstract

Una fuente de luz para iluminar una superficie seleccionada, comprendiendo la fuente de luz una pluralidad de diodos emisores de luz (LED) montados en un sustrato; cada uno de la pluralidad de LED tiene un eje óptico y genera un patrón de radiación que se propaga a lo largo del eje óptico. La pluralidad de LED está dispuesta de modo que cada eje óptico esté orientado sustancialmente hacia un determinado punto central de campo lejano; y la pluralidad de LED proporciona una distribución de irradiancia predeterminada sobre la superficie seleccionada. Cada uno de los patrones de radiación define una dirección preferencial; y cada uno de la pluralidad de LED está dispuesto de modo que la dirección preferencial de cada uno de la pluralidad de LED sea única. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo y método para iluminación uniforme de campo lejano con LED
Campo técnico
La presente invención se refiere al campo de la iluminación con Diodos Emisores de Luz (LED), y más particularmente a la iluminación de campo uniforme por LED. En particular, la invención se dirige a fuentes de luz LED para uso en el campo de cámaras de Tiempo de Vuelo y/o cámaras 3D.
Técnica anterior
Un LED es una fuente de luz no coherente de banda ancha. Debido a la estructura simple del LED, la fácil modulación y la buena fiabilidad, los LED se usan ampliamente en varios campos técnicos.
Sin embargo, los LED no siempre se aproximan bien como fuente puntual de luz dando una distribución de luz esférica. Por tanto, los LED pueden ser difíciles de aplicar a usos que necesitan un campo de luz esférico o una iluminación de superficie homogénea. Para superar este inconveniente, se manipula normalmente la fuente de luz del LED mediante la aplicación de diferentes ópticas, reflectores, espejos, difusores, lentes, etc.
Como ejemplo, podemos citar los LED enfocados que se basan en reflectores parabólicos para lograr pequeños ángulos de apertura (por ejemplo, ±10°). Las propiedades ópticas de los reflectores parabólicos pueden conducir a profundidades de campo muy grandes, dando como resultado falta de uniformidad en la iluminación de campo lejano. Además, las faltas de uniformidad también pueden ser una imagen ampliada de las características estructurales internas del LED. Los factores geométricos de los diferentes componentes, es decir, LED, espejo, lentes, cable o cables de unión, etc., también pueden tener un impacto en la uniformidad de la luminancia de una superficie a ser iluminada.
Un objetivo de la invención es proporcionar una iluminación uniforme de campo lejano con LED sin necesidad de ópticas, reflectores, espejos, difusores, lentes, etc., específicos.
El documento WO2008066785 A1 describe una fuente de luz según el preámbulo de la reivindicación 1. El documento JP 2002 373508 A describe una fuente de luz con diodos emisores de luz cuyo ángulo de unión se desplaza, de manera que el eje óptico de los diodos emisores de luz se superpone.
Compendio de la invención
La presente invención proporciona una fuente de luz que es capaz de iluminar una cierta región (llamada superficie seleccionada de aquí en adelante) con una iluminancia altamente uniforme de la superficie seleccionada.
La invención proporciona un método para conseguir un haz homogéneo sin necesidad de ópticas adicionales como por ejemplo reflectores, lentes, condensadores, ...
Los sistemas de iluminación LED con lentes condensadoras normalmente proporcionan una iluminación uniforme.
Sin embargo, debido al uso de la óptica, se observan normalmente pérdidas de intensidad luminosa.
La eliminación de la necesidad de ópticas externas simplifica significativamente los procesos de fabricación y el peso de la fuente de luz.
En un primer aspecto, la invención proporciona una fuente de luz para iluminar una superficie seleccionada, la fuente de luz que comprende una pluralidad de Diodos Emisores de Luz (LED) montados sobre un sustrato; cada uno de la pluralidad de LED que tiene un eje óptico y que genera un patrón de radiación que se propaga a lo largo del eje óptico. La pluralidad de LED está dispuesta de modo que cada eje óptico esté orientado sustancialmente hacia un determinado punto central de campo lejano; y la pluralidad de LED proporciona una distribución de irradiancia predeterminada sobre la superficie seleccionada, en donde la fuente de luz es sin necesidad de ópticas, reflectores, espejos, difusores, lentes específicos, cada uno de los patrones de radiación define una dirección preferencial; en donde la dirección preferencial es una orientación del patrón de radiación espacial del LED que está vinculada a las propiedades físicas y geométricas del LED y es inherente a las limitaciones físicas y geométricas en la fabricación del LED, y conduce a que el patrón de radiación espacial no sea un cono ideal que se emitiría por una fuente de luz puntual, pero que en cambio tiene un patrón de radiación espacial que se emite desde una fuente de luz de forma no puntual; cada uno de la pluralidad de LED está dispuesto de modo que la dirección preferencial de cada uno de la pluralidad de LED sea única, en donde cada ángulo entre dos direcciones preferenciales (D) es un múltiplo de 360° dividido por un número total de la pluralidad de LED (E).
En una realización preferida, la pluralidad de LED está dispuesta en una matriz lineal.
En una realización preferida adicional, la pluralidad de LED está dispuesta en una matriz.
En una realización preferida adicional, la pluralidad de LED está dispuesta en un anillo.
En una realización preferida adicional, la pluralidad de LED comprende al menos un LED de rango infrarrojo.
En un segundo aspecto, la invención proporciona un método para producir una fuente de luz sin necesidad de ópticas, reflectores, espejos, difusores, lentes específicos, que comprende los pasos de seleccionar una pluralidad de Diodos Emisores de Luz (LED) (E); determinar para cada uno de la pluralidad de LED (E) una orientación de su eje óptico (C); determinar para cada uno de la pluralidad de LED (E) una orientación de su dirección preferencial (D); colocar una pluralidad de LED (E) sobre un sustrato de modo que cada eje óptico (C) se dirija sustancialmente sobre un punto central de campo lejano determinado generando un patrón de radiación (P) que se propaga a lo largo del eje óptico (C); y la dirección preferencial (D) de cada uno de la pluralidad de LED (E) es única, en donde cada dirección preferencial definida por cada uno de los patrones de radiación (P), es una orientación del patrón de radiación espacial del LED que está vinculada a las propiedades físicas y geométricas del LED y es inherente a las limitaciones físicas y geométricas en la fabricación del LED, y conduce a que el patrón de radiación espacial no sea un cono ideal que se emitiría por una fuente de luz puntual, sino que en su lugar tiene un patrón de radiación espacial que se emite desde una fuente de luz de forma no puntual.
En una realización preferida adicional, el método comprende un paso de colocación de la pluralidad de LED en una matriz lineal.
En una realización preferida adicional, el método comprende un paso de colocación de la pluralidad de LED en una matriz.
En una realización preferida adicional, el método comprende un paso de colocación de la pluralidad de LED en un anillo. En una realización preferida adicional, cada ángulo entre dos direcciones preferenciales es un múltiplo de 360 dividido por un número total de la pluralidad de LED.
En un tercer aspecto, la invención proporciona un sensor que comprende la fuente de luz según el primer aspecto descrito anteriormente en la presente memoria.
En un tercer aspecto, la invención proporciona un sensor de Tiempo de Vuelo que comprende la fuente de luz según el primer aspecto descrito anteriormente en la presente memoria.
En un cuarto aspecto, la invención proporciona una cámara que comprende la fuente de luz según el primer aspecto descrito anteriormente en la presente memoria.
En un quinto aspecto, la invención proporciona una cámara 3D que comprende la fuente de luz según el primer aspecto descrito anteriormente en la presente memoria.
En un sexto aspecto, la invención proporciona una cámara de Tiempo de Vuelo que comprende la fuente de luz según el primer aspecto descrito anteriormente en la presente memoria.
Breve descripción de las figuras
La invención se comprenderá mejor a través de la descripción de las realizaciones preferidas al tiempo que se hace referencia a las figuras, que se enumeran a continuación en la presente memoria:
La figura 1 contiene una representación esquemática de un patrón de radiación;
La figura 2 es una representación esquemática de un patrón de radiación (P) con su patrón de distribución de irradiación (F) relacionado;
La figura 3 ilustra una matriz de 4 LED orientados en la misma dirección;
La figura 4 ilustra un ejemplo de una proyección esquemática de la iluminación de la configuración de LED de la figura 3;
La figura 5 ilustra una matriz de 4 LED montados direccionalmente;
La figura 6 ilustra un ejemplo de una proyección esquemática de la iluminación de la configuración de LED de la figura 5;
La figura 7 ilustra una matriz bidireccional de 8 LED todos en diferentes direcciones; y
La figura 8 ilustra un ejemplo de una proyección esquemática de la iluminación de la configuración de LED de la figura 7.
Descripción de realizaciones preferidas
Para comprender mejor la invención, necesita ser presentada una propiedad física específica de un LED que tiene una influencia significativa en las faltas de uniformidad en la iluminación de campo lejano: las características de radiación espacial.
Es bien sabido que cada LED tiene una radiación espacial específica. La radiación espacial se puede describir a través de un patrón de intensidad de luz relativa en cualquier dirección desde la fuente de luz.
Se ha estudiado la radiación espacial LED y se ha demostrado que la repartición de la radiación espacial es o bien lambertiana o bien no lambertiana. Una repartición de radiación espacial específica genera un patrón de distribución de irradiancia específico en una superficie seleccionada a ser iluminada. Se han observado muchos patrones diferentes de distribución de la irradiancia: alas de murciélago, formas parabólicas, semiesféricas, entre otras. Para una composición química y geometría dadas del semiconductor, se pueden simular la radiación espacial del chip y los patrones de distribución de irradiancia relacionados.
Además, varios factores pueden influir en el patrón de radiación espacial. Entre otros factores está la estructura interna/orientación del cristal del chip semiconductor. Por ejemplo, dentro de las tolerancias de producción, los defectos cristalinos o la composición química pueden desviar ligeramente el chip semiconductor de su estructura ideal, los ejes óptico y mecánico pueden no ser coincidentes, los reflectores parabólicos pueden tener imperfecciones, etc. Por lo tanto, incluso dentro de LED de una misma producción, a menudo se observan diferencias en el patrón de radiación espacial P efectivo. El patrón de distribución de irradiancia de campo lejano de un LED E se ve influenciado por todos los rasgos/factores mencionados anteriormente.
Como se puede ver en la representación esquemática de la figura 1, un LED E emite un patrón de radiación P que puede mostrar hasta 3 ejes. El eje A es una línea central del LED E. El eje óptico real C es una línea central promedio ponderada. El eje de brillo máximo B es la dirección de la emitancia más brillante. Un patrón de radiación P tiene un ángulo de difusión específico 0 que, por ejemplo, puede estar entre 2° y 45° dependiendo de las características del LED.
La figura 2 es una representación esquemática de un patrón de radiación P con su patrón de distribución de irradiancia F relacionado sobre una superficie S seleccionada a ser iluminada. El patrón de distribución de irradiancia F muestra irregularidades en la superficie S seleccionada. El patrón de radiación espacial P - con su correspondiente patrón de distribución de irradiancia F - define una forma que tiene una dirección D preferencial.
El término dirección preferencial de un LED se define como una orientación del patrón de radiación espacial del LED que está vinculado a las propiedades físicas y geométricas del LED. La dirección preferencial es inherente a las limitaciones físicas y geométricas en la fabricación del LED que conducen a que el patrón de radiación espacial no sea un cono ideal que se emitiría por una fuente de luz puntual, sino que en su lugar tiene un patrón de radiación espacial que se emite desde una fuente de luz en forma no puntual. Esto se entenderá mejor a través de los siguientes ejemplos: en un círculo perfecto con irradiancia homogénea, no hay dirección preferencial; en un círculo perfecto con irradiancia no homogénea, la dirección preferencial se puede encontrar a partir de la orientación de la intensidad de la iluminancia en la superficie.
Para mitigar el defecto de iluminación, o expresado de manera diferente, para conseguir un haz homogéneo, en lugar de utilizar ópticas dedicadas, se puede utilizar la especificidad del patrón de radiación P de LED. Esto se explicará con más detalle de aquí en adelante.
Colocando los LED en un sustrato con su eje óptico C orientado hacia una superficie a ser iluminada y con su dirección D preferencial en una dirección predeterminada, se promedia la falta de uniformidad de la luminancia en una superficie a ser iluminada dando como resultado una iluminación más homogénea.
La invención propone un método para definir un patrón de reparto de las direcciones D preferenciales de los LED sobre un sustrato.
Múltiples LED idénticos o similares se colocan sobre un sustrato, o bien en una matriz lineal, en una matriz o bien en un anillo - o de cualquier otra forma - de tal manera que cada LED gire un cierto ángulo con respecto al anterior.
En una realización preferida, el cierto ángulo se calcula dividiendo 360° por el número de LED utilizados. En otra realización preferida, el cierto ángulo sigue un patrón aleatorio. También se puede usar cualquier solución entre medias para anular el efecto de la impureza de cada cono de luz LED individual.
La experiencia ha demostrado que es admisible una tolerancia angular de, por ejemplo, un 25 %.
Cuando 4 LED están montados en una matriz sustancialmente con las mismas direcciones D1, D2 , D3 y D4 preferenciales como se representa en la figura 3, un ejemplo de un patrón de distribución de irradiancia se representa esquemáticamente en la figura 4. La parte de una superficie seleccionada marcada con 0 indica que esta parte no está iluminada en absoluto por ninguno de los LED. La otra parte, marcada con un 4, está iluminada por los 4 LED.
Con referencia a las figuras 5 y 6, cuatro LED se colocan en un sustrato con sus direcciones D1, D2 , D3 y D4 preferenciales distribuidas en cuatro direcciones diferentes. El ángulo entre una dirección Dn preferencial y la dirección Dn+1 preferencial subsiguiente es de 90°. El patrón de distribución de irradiancia se representa esquemáticamente en la figura 5. 0 indica una parte de una superficie seleccionada que no está iluminada por ninguno de los cuatro LED. 3 son partes de una superficie seleccionada iluminada por tres de los cuatro LED y 4 es una parte de una superficie seleccionada iluminada por los cuatro LED.
Con referencia a las figuras 7 y 8, ocho LED se colocan en un sustrato con sus direcciones D1, ..., Ds preferenciales distribuidas en ocho direcciones diferentes. El ángulo entre una dirección Dn preferencial y la dirección Dn+1 preferencial subsiguiente es de 45°. El patrón de distribución de irradiancia se representa esquemáticamente en la figura 7. 0 indica una parte de una superficie seleccionada que no está iluminada por ninguno de los cuatro LED. 7 son partes de una superficie seleccionada iluminada por siete de los ocho LED y 8 es una parte de una superficie seleccionada iluminada por los ocho LED.
Se comprende fácilmente que el efecto de la corrección de la falta de uniformidad aumenta con la cantidad de LED utilizados.
Usando este método, se obtiene una iluminación más uniforme. Este método brinda varias ventajas para varias aplicaciones en formación de imágenes ópticas, que van desde problemas de iluminación en el rango de longitudes de onda visibles - por ejemplo, para fotografía - hasta el uso en el rango infrarrojo, que se usa para cámaras y sensores de Tiempo de Vuelo.
Los LED emisores de haz estrecho con unión de cables están particularmente adaptados para este método. Sin embargo, el método no se limita a este tipo de LED - también se pueden usar sin problemas ángulos amplios o LED sin unión.
El mismo concepto se puede extender a cualquier otra longitud de onda en la que la iluminación de LED incorpore cierta falta de uniformidad. También se puede aplicar a conjuntos de LED, como los LED azul-verde-rojo utilizados para obtener luz blanca.
La invención no se limita a los ejemplos mencionados, y se puede utilizar junto con cualquier otra tecnología en la que se pueda utilizar iluminación LED.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Una fuente de luz para iluminar una superficie (S) seleccionada, la fuente de luz que comprende
una pluralidad de diodos emisores de luz (LED) (E) montados sobre un sustrato; cada uno de la pluralidad de LED (E) que tiene un eje óptico (C) y que genera
un patrón de radiación (P) que se propaga a lo largo del eje óptico (C);
la pluralidad de LED (E) que está dispuesta de modo que cada eje óptico (C) esté orientado sustancialmente hacia un determinado punto central de campo lejano; y
la pluralidad de LED (E) que proporciona una distribución de irradiancia predeterminada sobre la superficie (S) seleccionada;
caracterizado por que
la fuente de luz es sin necesidad de ópticas, reflectores, espejos, difusor, lentes, específicos
cada uno de los patrones de radiación (P) define una dirección (D) preferencial, en donde la dirección preferencial es una orientación del patrón de radiación espacial del LED que está vinculada a las propiedades físicas y geométricas del LED y es inherente a las limitaciones físicas y geométricas en el fabricación del LED, y conduce a que el patrón de radiación espacial no sea un cono ideal que se emitiría por una fuente de luz puntual, sino que en su lugar tiene un patrón de radiación espacial que se emite desde una fuente de luz de forma no puntual; y
cada uno de la pluralidad de LED (E) está dispuesto de modo que
la dirección (D) preferencial de cada uno de la pluralidad de LED (E) sea única, y
cada ángulo entre dos direcciones (D) preferenciales sea un múltiplo de 360° dividido por un número total de la pluralidad de LED (E).
2. Una fuente de luz según la reivindicación 1, en donde
la pluralidad de LED (E) están dispuestos en una matriz lineal.
3. Una fuente de luz según la reivindicación 1, en donde
la pluralidad de LED (E) están dispuestos en una matriz.
4. Una fuente de luz según la reivindicación 1, en donde
la pluralidad de LED (E) están dispuestos en un anillo.
5. Una fuente de luz según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en donde
la pluralidad de LED (E) comprende al menos un LED de rango infrarrojo.
6. Un método para producir una fuente de luz sin necesidad de ópticas, reflectores, espejos, difusores, lentes específicos, que comprende los pasos de seleccionar una pluralidad de Diodos Emisores de Luz (LED) (E);
determinar para cada uno de la pluralidad de LED (E) una orientación de su eje óptico (C);
determinar para cada uno de la pluralidad de LED (E) una orientación de su dirección (D) preferencial; colocar una pluralidad de LED (E) en un sustrato de modo que
cada eje óptico (C) esté dirigido sustancialmente sobre un punto central de campo lejano determinado que genera un patrón de radiación (P) que se propaga a lo largo del eje óptico (C); y
la dirección (D) preferencial de cada uno de la pluralidad de LED (E) sea única, en donde cada una de las direcciones preferenciales definida por cada uno de los patrones de radiación (P), es una orientación del patrón de radiación espacial del LED que está vinculada a propiedades físicas y geométricas del LED y es inherente a las limitaciones físicas y geométricas en la fabricación del LED, y conduce a que el patrón de radiación espacial no sea un cono ideal que se emitiría por una fuente de luz puntual, sino que en su lugar tiene un patrón de radiación espacial que se emite desde una fuente de luz de forma no puntual.
7. Un método para producir una fuente de luz según la reivindicación 6 que comprende un paso de colocación de la pluralidad de LED (E) en una matriz lineal.
8. Un método para producir una fuente de luz según la reivindicación 6 que comprende un paso de colocación de la pluralidad de LED (E) en una matriz.
9. Un método para producir una fuente de luz según la reivindicación 6, que comprende un paso de colocación de la pluralidad de LED (E) en un anillo.
10. Un método para producir una fuente de luz según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 9, en donde cada ángulo entre dos direcciones (D) preferenciales es un múltiplo de 360 dividido por un número total de la pluralidad de LED (E).
11. Un sensor que comprende la fuente de luz según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5.
12. Un sensor de Tiempo de Vuelo que comprende la fuente de luz según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5.
13. Una cámara que comprende la fuente de luz según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5.
14. Una cámara 3D que comprende la fuente de luz según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5.
15. Una cámara de Tiempo de Vuelo que comprende la fuente de luz según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5.
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