ITVI20120134A1 - Sistema ottico a fascio luminoso regolabile per dispositivi di illuminazione a led - Google Patents
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Description
SISTEMA OTTICO A FASCIO LUMINOSO REGOLABILE PER
DISPOSITIVI DI ILLUMINAZIONE A LED
La presente invenzione si riferisce genericamente ad un sistema ottico a fascio luminoso regolabile per dispositivi di illuminazione e sorgenti luminose di tipo a LED.
Più in particolare, l’invenzione riguarda un sistema ottico che consente di regolare l’emissione fotometrica (vale a dire la distribuzione dell’intensità luminosa in uscita) di un apparecchio di illuminazione con sorgenti luminose a LED.
Gli apparecchi di illuminazione presentano varie caratteristiche di emissione fotometrica a seconda del loro effettivo impiego; in particolare, nel settore dell’illuminazione e/o dell’illuminazione di emergenza sono state già proposte un gran numero di soluzioni costruttive relativamente alla progettazione ed alla realizzazione di lenti e/o riflettori atti ad essere accoppiati a sorgenti luminose di tipo LED.
Tuttavia, la quasi totalità dei sistemi ottici proposti à ̈ di tipo statico, nel senso che non prevede alcun meccanismo di regolazione del fascio luminoso.
Inoltre, nel caso in cui un meccanismo di tal genere à ̈ presente, esso normalmente funziona correttamente solo in una condizione, mentre produce prestazione modeste in tutte le altre.
Scopo della presente invenzione à ̈, quindi, quello di ovviare agli inconvenienti dell’arte nota sopra menzionati e, in particolare, quello di realizzare un sistema ottico a fascio luminoso regolabile per dispositivi di illuminazione di tipo a LED, che consenta di ottenere un fascio luminoso regolabile, tra una condizione di massima collimazione ed una condizione di massima apertura angolare.
Altro scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare un sistema ottico a fascio luminoso regolabile per dispositivi di illuminazione di tipo a LED, che consenta di ottenere un rendimento luminoso elevato e pressoché costante, rispetto ad un parametro che definisce l’ampiezza angolare del fascio luminoso. Altro scopo dell’invenzione à ̈ quello di realizzare un sistema ottico a fascio luminoso regolabile per dispositivi di illuminazione di tipo a LED, che consenta di ottenere una massima uniformità dell’illuminamento all’interno dello spot luminoso e minime aberrazioni cromatiche.
Ulteriore scopo dell’invenzione à ̈ quello di realizzare un sistema ottico a fascio luminoso regolabile per dispositivi di illuminazione del tipo a LED, che risulti di facile ed economica realizzazione, senza l’impiego di tecnologie complesse e/o costose.
Questi ed altri scopi sono raggiunti da un sistema ottico a fascio luminoso regolabile per dispositivi di illuminazione di tipo a LED secondo la rivendicazione 1 allegata; altre caratteristiche tecniche del sistema ottico secondo l’invenzione sono previste nelle ulteriori rivendicazioni dipendenti.
In modo vantaggioso, il sistema ottico secondo l’invenzione costituisce un dispositivo generico, che può essere utilizzato come componente in molti problemi illuminotecnici, senza essere legato e/o relegabile ad una applicazione specifica.
Ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione che segue, che si riferisce ad un esempio di realizzazione esemplificativo e preferito, ma non limitativo, del sistema ottico a fascio luminoso regolabile in questione, e dai disegni annessi, nei quali:
- la figura 1 Ã ̈ una prima vista prospettica in esploso del sistema ottico a fascio luminoso regolabile per dispositivi di illuminazione di tipo a LED, secondo la presente invenzione;
- la figura 2 Ã ̈ una seconda vista prospettica in esploso del sistema ottico a fascio luminoso regolabile per dispositivi di illuminazione di tipo a LED, secondo la presente invenzione;
- la figura 3 Ã ̈ una vista in sezione e in esploso del sistema ottico a fascio luminoso regolabile per dispositivi di illuminazione di tipo a LED, secondo la presente invenzione;
- le figure 4, 5 e 6 mostrano l’andamento del fascio luminoso in varie configurazioni del sistema ottico secondo la presente invenzione.
Con riferimento alle figure menzionate, il sistema ottico a fascio luminoso regolabile, che à ̈ oggetto della presente invenzione, à ̈ concepito per dispositivi di illuminazione comprendenti una singola sorgente luminosa 1, sia essa un singolo diodo luminoso (LED) o un aggregato di diodi.
In ogni caso, la sorgente luminosa 1 viene idealizzata come un emettitore approssimativamente puntiforme.
In pratica, il sistema ottico si compone di tre parti, vale a dire della sorgente luminosa di tipo a LED 1, di un’ottica primaria 2, posta nelle vicinanze della sorgente luminosa a LED 1, e di un’ottica secondaria 3, più lontana.
Sia l’ottica primaria 2 che l’ottica secondaria 3 sono realizzate in un medesimo materiale trasparente rifrattivo e, nello specifico, l’ottica primaria 2 à ̈ un componente ottico complesso nel quale si realizzano rifrazioni e riflessioni.
I raggi luminosi uscenti dalla sorgente di tipo a LED 1 ed incidenti sull’ottica primaria 2 subiscono una prima rifrazione sull’interfaccia rifrangente 5 e, in particolare, una parte dei suddetti raggi, più vicina all’asse ottico 10, viene collimata dalla lente 4, mentre la parte restante viene rifratta dalla superficie dell’interfaccia 5, la quale realizza una sorgente virtuale nel fuoco del profilo parabolico del riflettore 6.
Il riflettore TIR parabolico 6 collima i raggi parallelamente all’asse ottico 10 e la superficie del riflettore 6 realizza la riflessione della luce per riflessione totale interna.
In pratica, la luce emessa dalla sorgente luminosa a LED 1 viene completamente collimata, in parte dalla superficie della lente 4 ed in parte dalla superficie del riflettore parabolico 6, prima di incidere sulla matrice di lenti positive 7, posta alla base del riflettore parabolico 6.
Ciascuna delle lenti positive della matrice 7 trasforma la porzione del fascio collimato su essa incidente in un fascio convergente, che incide sulla corrispondente matrice 8 di lenti negative dell’ottica secondaria 3. Nello specifico, l’ottica secondaria 3 à ̈ composta da due interfacce rifrangenti e, in particolare, dalla matrice 8 di lenti negative e dall’interfaccia piana 9. La matrice 8 di lenti negative à ̈ una superficie identica alla matrice 7 di lenti positive dal punto di vista geometrico, ma ne differisce dal punto di vista ottico, in quanto risulta invertito l’ordine degli indici di rifrazione, in modo tale che la superficie della matrice 8 di lenti negative presenta aria in corrispondenza della porzione più vicina alla sorgente luminosa a LED 1 ed un mezzo rifrattivo in corrispondenza della porzione più lontana.
Il fascio collimato incidente sulla matrice 7 di lenti positive à ̈ caratterizzato da un illuminamento non uniforme su un piano perpendicolare all’asse ottico 10. Inoltre, le superfici delle matrici ottiche 7 e 8 sono costituite da matrici di lenti e non da singole lenti, allo scopo di ottenere una uniformità di illuminamento dello spot luminoso su uno schermo posto perpendicolarmente all’asse ottico 10 a grande distanza dal sistema.
Nello specifico, le matrici 7 e 8 sono costituite da lenti asferiche identiche (convesse per quanto riguarda la matrice 7, concave per quel che riguarda la matrice 8), che sono disposte su un reticolo regolare esagonale o quadrato, e ciascuna coppia di lenti delle matrici 7, 8 compie una ripartizione del fascio collimato incidente sulla propria superficie.
In tal modo, a grande distanza dal sistema ottico i fasci parziali prodotti da ciascuna coppia di lenti si sovrappongono e, quindi, le disuniformità dei singoli fasci luminosi parziali si compensano.
Inoltre, il sistema ottico oggetto dell’invenzione à ̈ dotato di un sistema di regolazione dell’ampiezza angolare del fascio luminoso, in quanto la posizione relativa fra la sorgente luminosa del tipo a LED 1 e l’ottica primaria 2 à ̈ fissata, mentre l’ottica secondaria 3 può traslare, rispetto al resto del sistema, lungo l’asse ottico 10 (ma non ruotare attorno ad esso).
Così, la distanza tra le superfici delle matrici ottiche 7, 8 può variare da un valore minimo nullo ad un valore massimo pari al doppio della distanza focale delle lenti presenti nella matrice di lenti positive 7. In corrispondenza di queste due configurazioni estreme si realizza l’acromatismo del sottosistema ottico costituito dalle superfici o interfacce delle matrici di lenti 7 e 8.
In particolare, quando l’ottica primaria 2 e l’ottica secondaria 3 sono alla minima distanza fra loro, le due superfici delle matrici 7 e 8 coincidono (come mostrato in dettaglio nella figura 4 allegata) ed in questa condizione la matrice di lenti negative 8 annulla l’effetto della matrice di lenti positive 7 e il fascio luminoso collimato 11 attraversa la coppia di matrici 7, 8 senza alterazioni di carattere geometrico o cromatico; inoltre, poiché l’interfaccia terminale 9 à ̈ piana, il fascio luminoso 11 emerge dal sistema ottico perfettamente collimato.
Aumentando la distanza tra l’ottica primaria 2 e l’ottica secondaria 3 (come mostrato, per esempio, nella figura 5 allegata), entrambe le matrici di lenti positive 7 e negative 8 apportano modificazioni al fascio luminoso; in particolare, l’apertura angolare del fascio luminoso 12 emergente dal sistema aumenta all’aumentare della distanza tra l’ottica primaria 2 e l’ottica secondaria 3, fino ad una condizione di massima distanza e massima apertura angolare del fascio luminoso 14 (come mostrato nella figura 6 allegata). Nel caso ideale di sorgente luminosa a LED 1 di tipo puntiforme, il sistema ottico secondo la presente invenzione ha un rendimento luminoso massimo (a meno delle perdite dovute alle leggi di Fresnel che si verificano in prossimità delle interfacce delle matrici 7, 8) e costante al variare della distanza tra l’ottica primaria 2 e l’ottica secondaria 3.
Oltre la distanza massima indicata tra l’ottica primaria 2 e l’ottica secondaria 3, si verifica vignettatura, con conseguente perdita di efficienza. Infine, il comportamento del sistema ottico secondo l’invenzione, in presenza di una sorgente estesa, si avvicina al comportamento ideale descritto per la sorgente luminosa a LED 1, di tipo puntiforme, quanto più la sorgente luminosa à ̈ piccola, in termini di dimensioni, rispetto al resto del sistema ottico.
Dalla descrizione effettuata risultano chiare le caratteristiche del sistema ottico a fascio regolabile per dispositivi di illuminazione, che à ̈ oggetto della invenzione, così come chiari ne risultano i vantaggi. E’ chiaro infine che numerose altre varianti possono essere apportate al sistema ottico in questione, senza per questo uscire dai principi di novità dell’idea inventiva, così come à ̈ chiaro che, nella pratica attuazione dell’invenzione, i materiali, le forme e le dimensioni dei dettagli illustrati possono essere qualsiasi a seconda delle esigenze e gli stessi possono essere sostituiti con altri tecnicamente equivalenti.
Claims (14)
- RIVENDICAZIONI 1. Sistema ottico a fascio luminoso regolabile per dispositivi di illuminazione a LED, comprendente una singola sorgente luminosa a LED (1), composta da un singolo diodo o da un aggregato di diodi, una struttura ottica primaria (2), posta nelle vicinanze di detta sorgente luminosa a LED (1), ed una struttura ottica secondaria (3), più lontana da detta sorgente luminosa a LED (1) rispetto a detta struttura ottica primaria (2), caratterizzato dal fatto che detta struttura ottica primaria (2) à ̈ costituita da un componente ottico complesso, nel quale si realizzano rifrazioni e riflessioni dei raggi luminosi uscenti da detta sorgente luminosa a LED (1) ed incidenti su detta struttura ottica primaria (2), in modo da ottenere un fascio luminoso collimato che incide su una prima matrice (7) di lenti positive poste alla base di detta struttura ottica primaria (2), ciascuna di dette lenti positive di detta prima matrice (7) essendo atta a trasformare la porzione di fascio luminoso collimato su essa incidente in un fascio luminoso convergente, che incide su una corrispondente seconda matrice (8) di lenti negative appartenenti a detta struttura ottica secondaria (3).
- 2. Sistema ottico come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che sia detta struttura ottica primaria (2) che detta struttura ottica secondaria (3) sono realizzate in un medesimo materiale trasparente rifrattivo.
- 3. Sistema ottico come ad almeno una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che i raggi luminosi uscenti da detta sorgente luminosa a LED (1) ed incidenti su detta struttura ottica primaria (2) subiscono una prima rifrazione su una interfaccia rifrangente (5) di detta struttura ottica primaria (2) ed una prima porzione di detti raggi luminosi, che risulta più vicina all’asse ottico (10) passante per detta sorgente luminosa a LED (1) e perpendicolare a dette matrici (7, 8) di lenti, viene collimata da una lente di collimazione (4) posta frontalmente a detta sorgente luminosa a LED (1), mentre una porzione restante di detti raggi luminosi viene rifratta da detta interfaccia rifrangente (5), la quale realizza una sorgente virtuale nel fuoco di un riflettore parabolico (6) posto superiormente a detta prima matrice (7) di lenti positive.
- 4. Sistema ottico come ad almeno una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto riflettore parabolico (6) collima i raggi luminosi parallelamente a detto asse ottico (10) e la superficie di detto riflettore (6) realizza la riflessione della luce per riflessione totale interna.
- 5. Sistema ottico come ad almeno una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che i raggi luminosi emessi da detta sorgente luminosa a LED (1) sono completamente collimati, in parte dalla superficie di detta lente di collimazione (4) ed in parte dalla superficie di detto riflettore parabolico (6), prima di incidere su detta prima matrice (7) di lenti positive.
- 6. Sistema ottico come ad almeno una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta struttura ottica secondaria (3) Ã ̈ composta da due interfacce rifrangenti e, in particolare, da detta seconda matrice (8) di lenti negative e da una interfaccia terminale piana (9), associata a detta seconda matrice (8) di lenti negative.
- 7. Sistema ottico come ad almeno una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta seconda matrice (8) di lenti negative presenta una superficie geometricamente identica alla superficie di detta prima matrice (7) di lenti positive.
- 8. Sistema ottico come ad almeno una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta seconda matrice (8) di lenti negative à ̈ realizzata con aria in corrispondenza della porzione più vicina a detta sorgente luminosa a LED (1) e con un mezzo rifrattivo in corrispondenza della porzione più lontana a detta sorgente luminosa a LED (1).
- 9. Sistema ottico come ad almeno una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto fascio collimato incidente su detta prima matrice (7) presenta un illuminamento non uniforme su un piano perpendicolare a detto asse ottico (10).
- 10. Sistema ottico come ad almeno una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dette matrici (7, 8) di lenti includono lenti asferiche identiche, rispettivamente convesse e concave, che sono disposte su un reticolo regolare esagonale o quadrato, in modo tale che ciascuna coppia di lenti di dette matrici (7, 8) compia una ripartizione di detto fascio luminoso collimato incidente.
- 11. Sistema ottico come ad almeno una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che le posizioni relative fra detta sorgente luminosa a LED (1) e detta struttura ottica primaria (2) sono fisse, mentre detta struttura ottica secondaria (3) Ã ̈ in grado di traslare, rispetto a detta struttura ottica primaria (2), lungo detto asse ottico (10), in modo tale che la distanza tra le superfici di dette matrici (7, 8) di lenti possa variare da un valore minimo ad un valore massimo.
- 12. Sistema ottico come ad almeno una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto valore minimo à ̈ pari a zero, mentre detto valore massimo à ̈ pari al doppio della distanza focale delle lenti presenti all’interno di detta prima matrice (7) di lenti positive.
- 13. Sistema ottico come ad almeno una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che quando detto valore à ̈ minimo le superfici di dette matrici (7, 8) di lenti coincidono fra loro e detto fascio luminoso (11) attraversa dette matrici (7, 8) di lenti senza alterazioni di carattere geometrico o cromatico ed emerge altresì collimato da detta interfaccia terminale piana (9).
- 14. Sistema ottico come ad almeno una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto fascio luminoso (12, 14) uscente da detta interfaccia terminale piana (9) presenta una apertura angolare che aumenta all’aumentare della distanza esistente fra detta struttura ottica primaria (2) e detta struttura ottica secondaria (3).
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