ILUMINADORES DE MÚLTIPLES PUERTOS PARABÓLICOS Y ESFÉRICOS
PARA GUIAS DE LUZ Antecedentes de la Invención Campo de la Invención La presente invención se refiere a general a reflectores y más particularmente a reflectores para acoplar luz desde una fuente de luz en una o más guías de luz. Descripción de la Técnica Relacionada Fibras ópticas de gran diámetro, a menudo referidas como "guías de luz flexibles", son bien conocidas en la especialidad, y típicamente comprenden una sola guía de luz núcleo sólida, que está circundada por una capa de revestimiento y una capa de forro o blindaje. El núcleo es la porción de una guía de luz que transmite luz y típicamente tiene un diámetro aproximado de 2 a 12 mm. Se forma de un material plástico semi -líquido muy suave, tal como OPTIFLEXMR, que se fabrica por Rohm & Haas Corporation de Philadelphia, Pennsylvania. La capa de revestimiento típicamente comprende politetrafluoroetileno (PTFE o
TEFLON*1) , o semejantes, mientras que el forro exterior se fabrica de un material tal como cloruro de polivinilo
(PVC) . A diferencia de las guías de luz de diámetro pequeño, que típicamente se emplean para transmitir información en sistemas de control relativamente complejos, estas guías de luz "de gran diámetro", típicamente se emplean en una variedad de sistemas de iluminación, en donde la iluminación directa es difícil de mantener, peligrosa o sujeta a vandalismo. Ejemplos incluyen iluminación arquitectónica, recintos de exhibición, albercas y tinas de hidromasaje (SPA) (para iluminar conexiones eléctricas cerca del agua) , zonas de materiales peligrosos (para eliminar el robo de componentes de iluminación) y cárceles. Guías de iluminación de gran diámetro son particularmente ventajosas ya que solo un sistema de iluminación centralizado sencillo debe mantenerse, en vez de una pluralidad de lámparas individuales . Una cantidad de enfoques de la técnica previa utilizan reflectores para enfocar luz desde una fuente de iluminación en una o más guías de luz. La patente de loa E.U.A. No. 5,222,793 y la patente de los E.U.A. No. 5,259,056 ambas otorgadas a Davenport y colaboradores, describen sistemas de iluminación que utilizan una estructura reflectora sencilla para iluminar elementos transmisores de luz. La patente de los E.U.A. No. 5,396,571 otorgada a Saadatmanesh y colaboradores, describen un lente multisegmentado que divide luz desde un haz de luz en cuatro haces separados, cada uno de los cuales se enfoca en una fibra óptica separada. La patente de los E.U.A. No. 4,912,605 otorgada a Whitehead describe una fuente de iluminación eléctrica montada entre dos reflectores, cada uno de los cuales dirige luz en una guía de luz correspondiente. La patente de los E.U.A. No. 5,469,335 otorgada a Cassarli y colaboradores, describe una fuente de luz y una pluralidad de reflectores curvados para enfocar luz en lentes y luego en una pluralidad de guías de luz. El uso de reflectores y lentes de múltiples segmentos en la técnica previa para acoplar luz en guías de luz, ha representado algún avance frente a la práctica de la técnica previa de acoplar la iluminación en un conjunto ajustado de guías de luz, que es ineficiente pero conveniente en ciertas aplicaciones debido a la facilidad de fabricación y costo relativamente bajo. Sin embargo, aún queda la necesidad por un acoplamiento adecuado y eficiente de una fuente de luz a una pluralidad de guías de luz . En muchos casos, cambian los requerimientos para el acoplamiento adecuado y eficiente de una fuente de luz a una pluralidad de guías de luz de acuerdo con la fuente de luz particular empleada. Las lámparas sin electrodos modernas, por ejemplo que tienen un alto nivel de salida de luz, son demasiado intensas para acoplar a solo una o dos guías de luz sin quemarlas. Si se emplea un acoplamiento ineficiente, se reducirá la iluminancia efectiva. Esto evitará daño a las guías de luz, pero el costo de operar el sistema luego será irrazonablemente elevado como resultado de la energía desperdiciada. Son convenientes acoplamientos más eficientes de manera tal que la energía asociada con generar la alta luminosidad de esta fuente de iluminación puede emplearse completamente. Otro problema asociado con diseños de la técnica previa es la gran cantidad de componentes ópticos asociados con estos diseños. El reducir el número de partes de cualquier diseño óptico sería ventajoso a un sistema de iluminación del tipo aquí discutido. Compendio de la Invención La invención acopla eficientemente la luz que se origina de una fuente de luz tal como una lámpara de azufre sin electrodo, tal como la lámpara fabricada por Fusión Lighting, en una multiplicidad de guías de luz macroscópicas flexibles, que pueden incluir fibras ópticas en haces. Este sistema se va a utilizar para transmitir iluminación desde una fuente central a una variedad de ubicaciones remotas. La combinación de los diversos elementos del sistema de la invención, resulta en una transferencia muy eficiente de la energía de la fuente de luz a las guías de luz. De acuerdo con un aspecto de la presente invención, un sistema de iluminación de guías de luz, incluye una fuente iluminación, un lente de múltiples sectores y al menos una guía de luz de salida para recibir la luz. Un sistema de iluminación de guía de luz de
* acuerdo con la presente invención incluye una fuente de 5 iluminación para emitir luz, y una configuración de lentes de enfoque colocados substancialmente alrededor de la fuente de iluminación. Cada uno de los lentes de enfoque se adapta para enfocar la luz emitida desde la fuente de iluminación en una dirección generalmente radial hacia
afuera desde la fuente de iluminación. La configuración de los lentes de enfoque forma una estructura esférica truncada que se coloca alrededor de la fuente de iluminación. Una barrera para contener el calor se coloca
entre los lentes de enfoque y la fuente de iluminación. La barrera para contener el calor puede revestirse con una capa para infrarrojo (IR) y/o ultravioleta (UV) para bloquear la radiación no visible de la fuente de iluminación para el contacto con los lentes de enfoque.
Los lentes de enfoque pueden elaborarse de plástico cuando se emplea la barrera para contener el calor. La fuente de iluminación puede comprender una lámpara de azufre sin electrodos. Cada uno de los lentes de enfoque se adapta para enfocar una cantidad
aproximadamente igual de luz emitida desde la fuente de iluminación, en una dirección generalmente radial hacia afuera desde lá fuente de iluminación. El sistema de iluminación de guía de luz además puede comprender una pluralidad de varillas homogeneizadoras. Cada una de las varillas homogeneizadoras se adapta para recibir luz de uno correspondiente de los lentes de enfoque . En forma alterna, los lentes de enfoque pueden comprender lentes de transferencia y el sistema de iluminación de guía de luz puede comprender una pluralidad de lentes condensadores que se adaptan para recibir luz desde los lentes de transferencia . De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, un sistema de iluminación óptico esférico incluye una fuente de iluminación que tiene una porción próxima, una porción distante, y una porción intermedia entre la porción próxima y la porción distante. El sistema de iluminación óptico esférico además incluye un reflector curvado colocado cerca de la porción próxima de la fuente de iluminación y una semi esfera de lentes de enfoque colocados generalmente alrededor de la porción distante y la porción intermedia de la fuente de iluminación. Cada uno de los lentes de enfoque se adapta para enfocar luz emitida desde la fuente de iluminación en una dirección generalmente radial hacia afuera desde la fuente de iluminación. El reflector curvado y la semiesfera de los lentes de enfoque en conjunto substancialmente circundan la fuente de iluminación. El reflector curvado se adapta para re-dirigir luz enviada en forma próxima en la semi esfera de los lentes de enfoque. La fuente de iluminación puede comprender un bulbo de 1,000 watts, y el reflector curvado puede tener un perímetro generalmente circular. El sistema de iluminación óptico esférico además incluye una jaula de alambre, que circunda la porción distante y la porción intermedia de la fuente de iluminación. Una fuente de iluminación se coloca en un punto focal de un reflector parabólico, de acuerdo con otro aspecto de la presente invención. Luz de la fuente de iluminación y el reflector parabólico se coliman en una pluralidad de lentes de transferencia y lentes condensadores. De acuerdo con aún otro aspecto de la presente invención, una estructura de lentes incluye una pluralidad de grupos de lentes curvados radialmente. Cada uno de los grupos de lentes curvados radialmente incluyen una pluralidad de lentes de enfoque ahí formados. La pluralidad de grupos de lentes se adapta para ajustar substancialmente alrededor de una fuente de iluminación. La pluralidad de grupos de lentes se adapta para contactar y acoplarse entre sí alrededor de la fuente de iluminación. La estructura de lentes incluye una pluralidad de grupos de lentes laterales adaptados para colocarse alrededor de una fuente de iluminación, y un grupo de lentes superiores adaptados para colocarse sobre la fuente de iluminación. La pluralidad de grupos de lentes laterales puede comprender cinco grupos de lentes laterales. Cada uno de los cinco grupos de lentes laterales comprende doce lentes de enfoque y el grupo de lentes superiores puede comprender ocho lentes de enfoque . Cada uno de los doce lentes de enfoque de cada uno de los cinco grupos de lentes laterales comprende cinco bordes. Cada uno de los siete de los ocho lentes de enfoque del grupo de lentes superiores comprende cuatro bordes y un octavo de los ocho lentes de enfoque del grupo de lentes superiores comprende siete bordes. La presente invención junto con características y ventajas adicionales de la misma puede comprenderse mejor por referencia a la siguiente descripción que se toma en conexión con los dibujos ilustrativos acompañantes. Breve Descripción de los Dibujos Las Figuras la y Ib son vistas superiores esquemáticas de sistemas ópticos de acuerdo con la presente invención: La Figura 2 es una vista esquemática agrandada de la lámpara y porción derecha del reflector cuádruple ilustrado en la Figura la;
La Figura 3 es una vista lateral esquemática que ilustra los lentes de múltiples sectores que forman una parte del sistema óptico mostrado en la Figura la; La Figura 4 es una vista de extremo de los lentes de múltiples sectores mostrados en la Figura 3; La Figura 5 es una vista esquemática del iluminador óptico de múltiples puertos esférico y de la barrera para contener calor de acuerdo con la modalidad actualmente preferida: La Figura 6 es una vista en elevación lateral del iluminador óptico de múltiples puertos esférico mostrado en la Figura 5; La Figura 7 es una ilustración detallada del iluminador óptico de múltiples puertos esférico, de acuerdo con la presente invención; La Figura 8 es una vista superior del iluminador óptico de múltiples puertos esférico, de acuerdo con la presente invención; La Figura 9 es una vista diagramática que ilustra la posición de los bordes de los dos grupos de lentes respecto a una fuente de iluminación de acuerdo con la presente invención; La Figura 10 es una vista en elevación lateral que ilustra tres grupos de lentes de acuerdo con la presente invención;
Las Figuras lia- lid son vistas en planta superior de diversos lentes de transferencia, de acuerdo con la presente invención; La Figura lie es una vista en sección transversal de un lente condensador de acuerdo con la presente invención; La Figura 12 es una vista esquemática de un lente de transferencia y un lente condensador de acuerdo con la presente invención; La Figura 13 ilustra una gráfica tridimensional de intensidad de luz enfocada por un lente condensador de la Figura lie en una guía de luz; La Figura 14 es una gráfica tridimensional de intensidad de luz enfocada por el lente condensador de la Figura 12 en una guía de luz; La Figura 15 es una vista superior esquemática de un sistema óptico reflector parabólico de acuerdo con una segunda modalidad preferida; y La Figura 16 es una vista en perspectiva de un reflector parabólico dual de acuerdo con una modalidad alterna del sistema óptico reflector parabólico de la segunda modalidad preferida. Descripción Detallada de la Modalidad Preferida Ahora con referencia más particularmente a los dibujos, un sistema óptico 10 se ilustra que incluye una fuente de luz compacta 12, que puede comprender una lámpara de arco o fuente similar. La fuente de luz 12 se coloca en el foco de un reflector curvado cuádruple 14, que comprende 4 porciones de reflector 16, 17, 18 y 19 dispuestas en forma espalda-a-espalda. En cada uno de las porciones reflectoras 16-19 el centro o región de vértice, del reflector se ha retirado, como se ilustra. Las cuatro porciones reflectoras 16-19 pueden verse en las Figuras unidas en los puntos de intersección 20-23. La luz se emite desde la fuente de luz 12, que de preferencia comprende una lámpara sin electrodos, tal como la lámpara de azufre Solar 1000MR, fabricada por Fusión Lighting de Baltimore, MD. La fuente de luz 12, sin embargo puede comprender cualesquiera medios convencionales para emitir luz. Esta fuente de luz de 1,000 watts 12, se refleja por el reflector cuádruple 14, como se ilustra por las líneas de incidencia mostradas en la Figura la, en cuatro direcciones diferentes, y luego se dirige a través de un ángulo de aproximadamente 90° (o cualquier otro ángulo deseado) por cada uno de cuatro reflectores planos o espejos de pliegue. La Figura la ilustra tres espejos de pliegue 24, 24a, 24b correspondientes a los tres reflectores 16, 18 y 19, respectivamente. Solo tres espejos de pliegue 24, 24a, 24b se ilustran en la Figura la, pero hasta cuatro espejos de pliegue pueden implementarse, uno correspondiente a cada una de las porciones de reflector 16-19. Los espejos de pliegue sirven un propósito primario de transmitir calor generado por la fuente de luz 12, y de esta manera son ventajosos cuando se emplea una fuente de luz caliente 12. Cada uno de los espejos de pliegue en la Figura la de esta manera sirve un propósito de transmitir calor desde la fuente de luz 12 lejos de la fuente de luz 12. Ya que la lámpara de azufre Solar 1000MR de la modalidad actualmente preferida no se quema en caliente, la modalidad actualmente preferida como se ilustra en la Figura Ib, no incorpora espejos de pliegue. Revestimientos para bloqueo de radiación ultravioleta (UV) y/o infrarroja (IR) pueden colocarse en los frentes de lentes de salida 32, y se prefieren en modalidades lineares cuando los espejos de pliegue 24 no se utilizan. Como una alternativa a los revestimientos de frente de lente 32, espejos calientes 24' (Figura Ib) pueden emplearse para reflejar radiación UV e IR. Estos espejos calientes 24' pueden colocarse en cualquier etapa entre la fuente de luz y las guías de luz de salida y además pueden colocarse en orientaciones perpendiculares o fuera de eje. Cada haz de luz enfocado incide en un extremo de lente de una respectiva de varillas homogeneizadoras circulares 28, 28a, 28b, 28c. Cada una de las cuatro varillas homogeneizadoras circulares 28, 28a, 28b y 28c comprende un material transparente tal como vidrio o plástico transparente y se adapta para integrar el haz de luz mediante múltiples reflexiones dentro de la varilla homogeneizadora. Las varillas homogeneizadoras pueden omitirse en una modalidad alterna de la presente invención. Por el lado derecho del sistema, o canal derecho 30, como se ilustra en la Figura la, el haz de luz emerge de la varilla homogeneizadora 28 en el frente de lente de salida 32. El haz divergente de la varilla homogeneizadora 28 luego se enfoca y divide en una cantidad de haces enfocados separados mediante lentes de múltiples sectores 36 (Figuras la, 3 y 4) . Cada uno de los sectores de lentes 38 (Figura 4) enfoca luz en el núcleo de una guía de luz de salida correspondiente 40. En un diseño óptico convencional, un lente de enfoque probablemente se requerirá entre la varilla homogenizadora circular 28 y los lentes de múltiples sectores 36. Los lentes de múltiples sectores 36 de la presente invención, sin embargo se modifican frente a lentes convencionales para obviar cualquier necesidad por un lente de enfoque. Por ejemplo, el lente de múltiples sectores 36 es más grande que el que se requeriría con un lente de enfoque convencional entre los lentes de múltiples sectores 36 y la varilla homogeneizadora circular 28. En forma alterna, un lente de enfoque convencional puede emplearse con el lente de múltiples sectores 36. El sistema óptico para el haz superior de la Figura la enfocado por el reflector cuádruple 14, a través del canal superior 31, es esencialmente el mismo que aquel del canal derecho 30. El sistema óptico para el haz izquierdo enfocado por el reflector cuádruple 14, a través del canal izquierdo 42, puede ser esencialmente el mismo que aquel descrito con respecto al canal derecho 30 o en forma alterna, diferentes características pueden incorporarse en el canal izquierdo 42. Por ejemplo, el canal derecho 30 o el canal superior 31 puede tener un lente de sector que aloja 10 guías de luz de salida, mientras que el canal izquierdo 42 puede solo acoplar a una sola guía de luz grande o haz de guía de múltiples luces 44. Diferentes características incluyen combinaciones de las características ilustradas dentro del canal derecho 30, el canal superior 31 y el canal izquierdo 42, pueden ser incorporadas y utilizadas con cualquiera de estos canales, en diversas combinaciones. Adicionalmente, combinaciones de estas características pueden emplearse con el canal de fondo 43. El canal de fondo 43 se ilustra con un lente de enfoque 45C y sin un espejo de pliegue. Como en la modalidad de la Figura Ib, el lente de enfoque 45C de la Figura la enfoca luz desde la segunda porción reflectora 17 a la varilla homogeneizadora circular 28c. El lente de enfoque 45C puede emplearse en lugar de, o además de, cualquiera de los espejos de pliegue 24, 24a y 24b en los canales derecho, izquierdo y superior 30, 42 y 31, respectivamente de acuerdo con parámetros de diseño. De acuerdo con la modalidad de la Figura Ib, que de preferencia implementa una lámpara sin electrodos Solar 1000*™, los Espejos de pliegue de la configuración de la Figura la no se emplean y la luz de las cuatro porciones reflectoras 16-19 se enfoca directamente en varillas homogeneizadoras y subsecuentemente se enfoca en cualquiera de lentes o lentes segmentados . De nuevo con referencia a la Figura la, una rueda de color giratorio 46 se coloca en la salida de la varilla homogeneizadora 28 o en forma alterna frente al lente de sector 36. Con la rueda de color 46 en la salida de la varilla homogeneizadora, el color de la luz a todas las guías de luz es el mismo y cambia simultáneamente conforme gira la rueda. Con la rueda cerca de la entrada al lente de sector 36, los colores de cada guía de luz son diferentes y pueden cambiar a diferentes velocidades dependiendo del patrón de la rueda. A menudo es conveniente que uno de los paneles en la rueda de color esté en blanco, de esta manera funcione como un obturador con el propósito de dosificar selectivamente la luz. Estos diversos controles de color son útiles en iluminación de albercas, anuncios y otras aplicaciones. La alta eficiencia de este sistema de iluminación se deriva del diseño especial de una cantidad de sus elementos que trabajan solos y en combinación. Cuando las lámparas sin electrodos no se usan, la fuente de luz 12 de preferencia se elige para que tengan pequeñas dimensiones de arco de manera tal acople en guías de luz de diámetro relativamente pequeño (de preferencia 3 mm a 10 mm) . Los reflectores curvados cuádruples 14 consisten de cuatro mitades o porciones curvadas axialmente simétricas 16-19 con la fuente de luz 12 centrada en su plano de acoplamiento. Este montaje utiliza las muy eficientes propiedades de recolección de la sección de baja amplificación de la forma de reflector elipsoidal (o casi elipsoidal) . Un gran orificio 48 en el centro de cada una de las cuatro porciones del reflector 16-19, resulta en un haz de luz enfocado con una sección transversal en forma de anillo. La luz que entra al orificio en cada porción de reflector no se pierde sino que pasa a la porción de reflector opuesta y se enfoca en el segundo haz enfocado. Este montaje de reflector eficientemente genera un haz de sección transversal de anillo, que es muy útil para reducir la abertura radial requerida de cada uno de los lentes de sector 38 (Figura 4) . La Figura 2 muestra una sección a través de la porción derecha del reflector cuádruple 14 indicando como el haz en forma de anillo 50 se genera. El haz en forma de anillo 50 en donde la porción central obscurecida 52 se representa por sombreado, se conserva a través de la varilla homogeneizadora 28. Como mejor se ilustra en la Figura 3, el haz en forma de anillo incide en el lente de sector 36 por igual y puede verse que la frontera exterior 54 del haz 50 y la frontera interior 56 del mismo, definen la abertura del lente en la dirección radial. El haz de anillo de esta manera limita de manera muy útil la abertura requerida de lente y permite que lentes con longitud focal relativamente cortas se utilicen. Esta capacidad por utilizar lentes de longitud focal corta permite un acoplamiento mucho más eficiente en guías de luz de diámetro pequeño, de esta manera incrementando en forma inesperada la eficiencia del sistema. El diámetro de guía de luz mínimo se controla por la necesidad por acoplar la divergencia de haz de salida a la abertura numérica de la guía de luz. Otra característica de la presente invención es la orientación de la fuente de luz 12. Como se ilustra particularmente en la Figura 2, la fuente de luz 12 se ilustra en el punto focal del reflector cuádruple 14. La dimensión larga de la descarga de arco de la fuente de luz 12, se orienta de manera tal que sea substancialmente paralelo y coincidente con un eje de simetría de reflector, que pasa a través de la fuente de luz 12 y que es perpendicular a la página en la cual se imprime la Figura 2. Un pequeño diámetro de guía de luz de salida usualmente se desea en la mayoría de las aplicaciones. Un diseño para una guía de luz pequeña también en general proporcionará un acoplamiento eficiente a mayores guías de luz, siempre que la abertura numérica de la mayor fibra sea la misma o más grande que la más pequeña fibra. En la modalidad actualmente preferida, el diámetro de núcleo de guía de luz de salida nominalmente es 1.27 cm (Jé") . Este gran diámetro se requiere debido a que la alta energía de salida de la fuente de luz puede quemar guías de luz más pequeñas. Adicionalmente, el lente de sector de la presente invención, que evita cualquier necesidad por un lente de enfoque, tiene una forma esférica, que puede especificarse utilizando ecuaciones ópticas standard. Aunque seis sectores de lente iguales 38 se ilustran en la Figura 4, el lente de sector 36 puede tener tan pocos como dos y hasta aproximadamente 12 o más sectores. También, los sectores no requieren ser iguales en área, ya que en algunas aplicaciones, puede ser conveniente el suministrar diferentes cantidades de luz a diferentes ubicaciones. El lente de sector como un medio para dividir el haz incidente tiene una ventaja principal frente a las guías de luz en haces actualmente empleadas, ya que el conjunto de lente de sector separa las guías de luz entre sí (Figuras 3 y 4) , de esta manera permitiendo fácil instalación y remoción de guías de luz individuales. Como se mencionó previamente, los reflectores de varilla 24, 24a y 24b pueden servir una función múltiple tanto de espejo de pliegue como espejo de rechazo de calor. Como un espejo de pliegue, pueden emplearse con o sin una fuente de luz caliente 12, y proporcionar la capacidad por girar todo el sistema óptico de salida alrededor de ejes mecánicos 64 y 64a, como mejor se ilustra en la Figura la. Esta característica es muy útil para permitir gran flexibilidad en colocar la dirección en la que las guías de luz emergentes de la unidad. La rotación independiente de los espejos de pliegue 24 y 24a, por ejemplo en cualquier lado de la fuente de luz 12, proporciona flexibilidad adicional de la ubicación de guía de luz de salida. Como se describió anteriormente, la varilla homogeneizadora cilindrica 28 (así como las varillas homogeneizadoras 28a, 28b y 28c) se utilizan para integrar la distribución angular de la luz alrededor del eje de varilla 66. Esto es ventajoso ya que permite que la salida de luz de cada guía de luz sea idéntica (que usualmente es conveniente) debido a que la distribución de luz angular de la fuente de luz 12 no es generalmente uniforme. Adicionalmente, una lámpara de tipo arco de haluro de metal que puede utilizarse como la fuente de iluminación, típicamente tiene algunas diferencias de color en la distribución angular que también se requiere integrar a fin de evitar diferencias de color indeseables en salida entre las guías de luz. Un lente de campo 32 por ejemplo de preferencia se emplea en cada uno de los extremos de varilla homogeneizadora para restringir la luz dentro de la varilla, de manera tal que se refleje totalmente de manera interna. Mecánicamente, la porción de lente de campo 32 de la varilla homogeneizadora 28 es más grande en diámetro que la propia sección de varilla, a fin de proporcionar un medio libre de pérdida para montar la varilla homogeneizadora 28. Cualquier contacto de la superficie de varilla homogeneizadora purgará algo de la luz reflejada internamente a menos de que la varilla esté revestida, lo que es un enfoque desventajoso ya que reduce su abertura numérica e incrementa su costo. Cada varilla homogeneizadora puede revestirse con un material de bajo índice de acuerdo con una modalidad de la presente invención. Los sectores de lente individuales 38 (figura 4) comprenden un sistema de lente de relee que aproximadamente hace imagen del extremo de salida de la varilla homogeneizadora sobre el puerto guía de luz. Los sectores de lente pueden tener formas esférica o anamórfica para reducir aberraciones y mejorar la eficiencia y de preferencia se les da un espesor de manera tal que el haz de salida se enfoque en la superficie posterior plana del sector de lente. Esto permite que el núcleo blando del tipo usual de guía de luz "humecte" la superficie de lente, de esta, manera reduciendo pérdidas de reflexión en esta interfase. En otra modalidad de la presente invención, las superficies de las guías de luz 40 y del sector de lente 38 pueden estar espaciadas, de manera tal que se coloque entre ellas el así denominado "espacio de aire". El reflector curvado cuádruple 14 ilustrado en la Figura la puede expandirse o reducirse para agregar más o menos reflectores curvados. Por ejemplo, pueden incorporarse tres reflectores curvados u ocho reflectores curvados en lugar de cuatro reflectores curvados . El número de reflectores curvados (puertos) dependerá de los requerimientos del sistema particular. Cada reflector curvado, correspondiente a un puerto, es independiente de los otros puertos y de acuerdo con esto, puede acoplarse a una o varias varillas homogeneizadoras o guías de luz. El número más grande de reflectores curvados o puertos, a menudo se determinará por las limitaciones de tamaño de los componentes ópticos de enfoque tales como lentes de enfoque, por ejemplo. Receptores tales como el reflector curvado cuádruple 14, utilizados para recolectar luz de una fuente de luz 12 y lanzar la luz en las guías de luz, son ineficientes de acuerdo con principios descritos por la invariante étendue . La invariante étendue o de Lagrange es una cantidad de un haz de luz que es invariante a través de un sistema óptico. La étendue puede definirse en varias formas diferentes que deben ser discernidas por el contexto. La definición más simple se basa en rayos de luz desde un objeto muy distante que subtienden un ángulo de dos theta a una abertura circular de radio a. De acuerdo con la aproximación para axial, la étendue se denota por ?a. Si la abertura circular es la alimentación a un sistema óptico, y si no hay obstrucciones al haz en el sistema y absorción y dispersión, etc. se ignoran, entonces la cantidad étendue, es invariante a través del sistema. El cuadrado de esta cantidad ? a es ? cuadrado a cuadrado. Esta cantidad al cuadrado también es invariante a través del sistema y a menudo se refiere como la étendue tridimensional . Esta forma tridimensional de la étendue es útil debido a que es proporcional al flujo de energía a través del sistema. En aplicaciones que no son formadoras de imagen (incluyendo iluminadores de guía de luz y fibras ópticas) la aproximación paraxial no es válida y la definición más general de étendue debe utilizarse. Esta definición más general se establece en términos de pequeños desplazamientos de un rayo de luz que se propaga desde un punto P (x, y, z) en un medio de alimentación de índice n a un punto P' (x' , y', z') en un medio de salida de índice n' . El coseno de dirección en el punto P se indica como (L, M, N) , y el coseno de dirección en el punto P' se indica como (L1, M1 , N'). Pequeños desplazamientos del radio de luz en el punto P se indican por dx y dy, con cambios correspondientes de x' , y de y1 en el punto P1 y de manera semejante pequeños cambios en los cosenos de dirección se indican por dL, dM, dL ' y dM' . Con estas definiciones, la relación invariante étendue se da por: n'2 dx1, dy', dL1, dM' = n2 dx dy dL DM en donde L y M corresponden a los cosenos de dirección para los ejes x e y, respectivamente. Aplicar este resultado a la primer definición de étendue anteriormente puede determinarse que la étendue es proporcional a: a2 seno2? = a2NA2, en donde NA es la abertura numérica. En este resultado, se retiran factores constantes y el índice de refracción se considera idéntico en ambos puntos. La definición general permite que se calcule la étendue para situaciones arbritarias y las integrales pueden evaluarse . Como se estableció anteriormente, el uso de reflectores para recolectar luz de una fuente no coherente y lanzarla en guías de luz es ineficiente de acuerdo con principios fundamentales descritos por la invariante étendue. Un reflector típicamente está en proximidad inmediata a una fuente de luz, con la fuente de luz que generalmente está colocada en un punto focal, y el reflector subtiende un gran ángulo sólido resultante en un gran valor para la invariante étendue. En contraste, una guía de luz tiene una abertura relativamente pequeña (diámetro de núcleo) con una abertura numérica limitada, que resulta en un valor relativamente pequeño para la invariante étendue. Un conjunto esférico o cubierta esférica de lentes por otra parte, es ideal para recolectar luz desde una fuente de luz no coherente, ya que substancialmente toda la luz, ignorando la absorción, dispersión, etc., puede recolectarse y dirigirse a un conjunto de guías de luz. Además, el uso de un conjunto esférico o cubierta esférica de lentes es consistente con los principios de étendue. Las restricciones en una aplicación particular incluyen el tamaño y forma de la fuente de iluminación, y el tamaño y abertura numérica de las guías de luz. Las variables incluyen los números de lentes que determinan el número de guías de luz, y las potencias de lentes. El diseño se restringe primero por el tamaño de imagen, que se determina por el tamaño del núcleo de guía de luz. Por lo tanto, el tamaño de guía de luz fija la amplificación. Con una amplificación determinada, el tamaño de lente máximo se restringe por la abertura numérica de guía de luz. Esto a su vez determina el número mínimo de lentes (guías de luz) que pueden emplearse. Una gran cantidad de lentes más pequeños siempre puede emplearse, debido a que la extensión o proporción angular de la luz luego será menor que la abertura numérica de guía de luz . Las Figuras 5 y 6 ilustran una configuración en donde una fuente de luz 12 está circundada substancialmente por una barrera para contención de calor 80 y una esfera de lentes, de acuerdo con una modalidad actualmente preferida. La fuente de luz 12 está circundada por una jaula de alambre 81 que forma una cavidad de microondas. Un motor (no mostrado) colocado dentro de una fuente de microondas 83 gira la fuente de luz 12 respecto a un eje vertical, para de esta manera facilitar un plasma uniforme. El motor, la jaula de alambre 81, la fuente de microondas 83 y un reflector plano (no mostrado) colocado entre la jaula de alambre 81 y la fuente de microondas 83, puede obtenerse, por ejemplo de Fusión Lighting de Baltimore, M.D., como se mencionó previamente en conexión con la lámpara de Azufre Solar 1000MR, De acuerdo con la presente invención, un retro-reflector semiesférico curvado 85 se emplea ventajosamente en lugar del reflector plano que normalmente se proporciona con el producto solar 1000MR. El retro-reflector curvado 85 re-dirige de manera más eficiente luz desde la fuente de luz 12, generalmente de regreso a través de la lámpara hacia el lente de enfoque 76. Una varilla homogeneizadora 90 de preferencia se acopla a cada lente de enfoque 76. El número de varillas homogeneizadoras 90 puede incrementarse o disminuirse para aumentar o disminuir el número total de puertos del sistema, dependiendo de la preferencia. Varillas homogeneizadoras también pueden eliminarse totalmente o reemplazarse total o parcialmente con otras guías de luz. Por supuesto, el número máximo de varillas homogeneizadoras 90 se limita por el número de lentes de enfoque 76 en la estructura esférica. Como con todas las modalidades de la presente invención, los lentes de sector 36 y las guías de lentes de salida 40 (Figura la) así como otros elementos ópticos y sus combinaciones, pueden emplearse con o en lugar de las varillas homogeneizadoras 90. Reflectores, correspondientes a los espejos de pliegue 24, 24a y 24b, pueden implementarse en estas modalidades por igual. La curvatura del reflector curvado 85 generalmente es esférica para enfocar la lámpara sobre sí, pero en forma alterna puede ser generada por computadora y/o probada empíricamente para llevar al máximo las reflexiones desde la fuente de luz 12. La barrera para contener calor 80, de preferencia comprende una cubierta esférica truncada de vidrio. Otros materiales y formas diferentes a las formas esféricas pueden emplearse, sin embargo de acuerdo con preferencias de diseño. La barrera para contener calor 80 opera como una pantalla para proteger los lentes de enfoque 76 contra calor excesivo que puede generarse por la fuente de luz 12. La barrera para contener calor 80 adicionalmente puede comprender revestimientos para bloqueo de ultravioleta y/o infrarrojo, a fin de proporcionar capacidades de bloqueo adicionales y para proteger adicionalmente los lentes de enfoque 76 desde la fuente de luz 12. La protección que se logra por la barrera para contener calor 80, facilita la fabricación de los lentes de enfoque 76 de plástico moldeado. Si los lentes de enfoque de plástico moldeado 76 se utilizan sin la barrera para contener calor 80, los lentes de enfoque de plástico moldeado 75 probablemente se dañan por radiación de la fuente de luz 12. Los lentes de plástico moldeado 76 por ejemplo, pueden fundirse o deformarse sin uso de la barrera para contener calor 80. En una modalidad, en donde no se utiliza la barrera para contener calor 80, los lentes de enfoque de preferencia se fabrican a partir de vidrio, que es relativamente pesado, frágil y costoso. Lentes de enfoque de plástico 76 son más efectivos en costo de fabricar que si se fabricaran de vidrio o algún otro material resistente al calor. Pasando ahora a la Figura 7, la modalidad actualmente preferida del iluminador óptico de múltiples puertos esférico 101, se ilustra esquemáticamente. La modalidad de las Figuras 7 a 14 es similar a la modalidad de las Figuras 5 y 6, con lentes de transferencia 107, 109, 111, 113 y 115 y lentes condensadores 117 substituidos por los lentes de enfoque 76. Como con los lentes de enfoque 76, plástico moldeado es el material preferido para los lentes de transferencia 107, 109, 111, 113 y 115 y los lentes condensadores 117. La barrera para contener calor actualmente preferida 80 (Figura 5) permite la substitución de plástico por vidrio en la fabricación de lentes de transferencia 107, 109, 111, 113 y 115 y/o los lentes condensadores 117. Una jaula de alambre 105 circunda la fuente de luz 103, que es similar a la fuente de luz 12 de las Figuras 5 y 6. Como se incorpora actualmente, cuatro hileras de lentes de transferencia circundan la fuente de luz 103, y una capa superior de lentes de transferencia se coloca sobre la fuente de luz 103. Los primeros lentes de transferencia 107 forman una primer hilera, los segundos lentes de transferencia 109 forman una segunda hilera, los terceros lentes de transferencia 111 forman una tercer hilera y los cuartos lentes de transferencia 113 forman una cuarta hilera. Los lentes de transferencia superiores 115 forman la capa superior de lentes, y los lentes condensadores 117 se colocan para recibir luz de los lentes de transferencia. Un lente condensador 117 puede acoplarse a cada lente de transferencia. El número de lentes condensadores 17 puede incrementarse o disminuirse, para incrementar o disminuir el número total de puertos del sistema, dependiendo de la preferencia. El número máximo de lentes condensadores 117 se limita por el número de lentes de transferencia. Los primeros lentes de transferencia 107, segundos lentes de transferencia 109, terceros lentes de transferencia 111 y cuartos lentes de transferencia 113, de preferencia se moldean en conjunto en grupos de lentes. El grupo de lentes laterales 121, de preferencia comprenden tres primeros lentes de transferencia 107, tres segundos lentes de transferencia 109, tres terceros lentes de transferencia 111, y tres cuartos lentes de transferencia 113. Un grupo de lentes superiores 123 de preferencia comprende ocho lentes de transferencia superiores 115.
Cada grupo de lentes laterales 121 y el grupo de lentes superiores 123 de preferencia se moldean de plástico, pero en forma alteran puede emplearse vidrio. Como se incorpora actualmente, todos los cinco de los grupos de lentes laterales 121 son substancialmente idénticos en forma y cada grupo de lentes laterales 121 puede sujetarse entre otros dos grupos de lentes laterales 121. Como puede verse en la Figura 8, el grupo de lentes superiores 123 puede superponerse ligeramente a los primeros lentes de transferencia 107 de cada grupo de lentes laterales 121. La flecha Al en la Figura 7 ilustra una trayectoria de flujo de aire posible que facilita el escape de calor generado por la fuente de luz 103. En una modalidad alterna, el grupo de lentes superiores 123 puede sellarse sobre los primeros lentes de transferencia 107 y puede circularse aire dentro de la estructura cerrada. En ambas modalidades de flujo de aire, el aire de preferencia circula tanto dentro de la barrera para contener calor 80 como también entre la barrera para contener calor 80 y los lentes de transferencia. La fuente de luz 103 de preferencia se coloca en un punto focal de todos los lentes de transferencia 107, 109, 111, 113 y 115 y lentes condensadores 117. Como se ilustra en la Figura 9, el punto focal 130 de un primer lente de transferencia 107 y un punto focal 133 de un segundo lente de transferencia 109, ambos se colocan de manera uniforme respecto a la fuente de luz 103 cuando los lentes se aseguran adecuadamente. De manera semejante, un punto focal 135 de un tercer lente de transferencia 111 y un punto focal 137 de un cuarto lente de transferencia 113, se colocan de manera uniforme respecto a la fuente de luz 103, cuando el tercer lente de transferencia 111 y el cuarto lente de transferencia 113 se colocan de manera adecuada. La Figura 10 ilustra una vista en sección transversal de un grupo de lentes laterales 121 y una vista en elevación lateral de otro grupo de lentes laterales 121. La Figura 10 también ilustra una vista en sección transversal del grupo de lentes superiores 123. La Figura lia ilustra una vista en elevación lateral de un primer lente de transferencia 107 y la Figura llb ilustra una vista en elevación lateral de un segundo lente de transferencia 109. La Figura 11c ilustra una vista en elevación lateral de un tercer lente de transferencia 111, y la Figura lid ilustra una vista en elevación lateral de un cuarto lente de transferencia 113. La superficie exterior de los lentes de transferencia 107, 109, 111, 113 y 115, de preferencia se configura a un radio constante desde la fuente de luz 103, cuando los lentes 107, 109, 111, 113 y 115, se colocan respecto a la fuente de luz 103.
Las superficies interiores de los lentes 107, 109, 111, 113 y 115, sin embargo de preferencia son de forma esférica. La Figura lie ilustra una vista en sección transversal de un lente condensador 117. Cada uno de los lentes de transferencia 107, 109, 111, 113 y 115 se adapta para transferir luz desde la fuente de luz 103 sobre un lente condensador correspondiente 117. El lente condensador 117 a su vez enfoca la luz sobre guías de luz correspondientes (no mostrado) . Cuando se utiliza una lámpara sin electrodo, las guías de luz de preferencia comprenden fibras especificadas por la salida de lumen adecuada. Para casos de alta salida del lumen en donde la barrera de contención térmica se omite, por ejemplo, las fibras pueden comprender un material no plástico tal como fibras de vidrio en haz. Como se ilustra en la Figura 12, la luz que incide sobre un segundo lente de transferencia 109, por ejemplo se enfoca sobre el lente condensador 117' . La luz que pasa a través del lente condensador 117', se condensa para formar imagen sobre una guía de luz. Las Figuras 13 y 14 ilustran trazos tridimensionales de intensidad de luz sobre un área superficial de un extremo de alimentación de una guía de luz. El trazo de intensidad de luz contra área de la Figura 13 corresponde a la modalidad de las Figuras 7 a 9 que utiliza el lente condensador 117. El trazo de la Figura 14, que ilustra una distribución relativamente consistente de luz sobre el área superficial, corresponde a la modalidad de la Figura 12, utilizando un lente condensador 117'. La distribución relativamente consistente de la luz sobre el área superficial del extremo de alimentación de la guía de luz, puede atribuirse en general a la forma del lente condensador 117'. Cada uno de los lentes de transferencia 107, 109, 111, 113 y 115, de preferencia se configura para transmitir una cantidad aproximadamente igual de luz desde la fuente de luz 103 sobre el lente condensador correspondiente 117 ' . El lente condensador 117' difiere en forma, en comparación con el lente condensador 117 de la Figura lie. Más particularmente, cada uno de los lentes condensadores actualmente preferidos
117', tiene una indentación en el centro que facilita una distribución relativamente consistente de luz sobre el área superficial del extremo de alimentación de la guía de luz. Aunque los lentes de transferencia 107, 109, 111, 113 y 115 de preferencia comprenden formas pentagonales que tienen cinco lados cada una, excepto por el lente de transferencia más superior del grupo de lentes superiores 123, el lente de transferencia de la presente invención puede comprender virtualmente cualquier forma. Las formas de estos lentes de transferencia pueden comprender trapezoides (incluyendo cuadrados) , triángulos, pentágonos, hexágonos, combinaciones de formas o formas arbitrariamente indefinidas que ajustan en conjunto en la superficie de una esfera. En general, ninguna de estas formas será regular ya que no tendrá lados de igual longitud, pero la presente invención se pretende que cubra modalidades utilizando lentes de forma regular por igual. Todos, algunos o ninguno de los lentes pueden ser del mismo tamaño de acuerdo con la presente invención. Los lentes de forma pentagonal de la presente invención son substancialmente circulares en forma, y de esta manera facilitan el enfoque de luz, con mínima divergencia angular. Sin embargo, otros lentes no circulares así como circulares pueden emplearse de acuerdo con la presente invención. Aunque la presente invención incorpora una esfera substancialmente bien redondeada, cualquier conjunto de lentes que circunda parcial o completamente una fuente de luz, puede ser ímplementado . En forma alterna a la construcción preferida anterior, los lentes de transferencia y lentes condensadores pueden formarse dé bloques moldeados o secciones combinadas en una sola unidad, ya sea de vidrio o plástico. La barrera térmica esférica también puede dividirse en secciones, si se desea e incluirse en estos módulos.
La Figura 15 es una vista superior esquemática de un sistema óptico reflector parabólico 172, de acuerdo con una segunda modalidad preferida. Como se distingue de reflectores elípticos que enfocan luz en una dirección alejada de la fuente de luz, los reflectores parabólicos se adaptan para colimar la luz en una dirección lejos de la fuente de luz. La luz se colima de la fuente de luz 12 en una dirección hacia el lente de trans erencia 117 y el lente condensador 178. El lente de transferencia 177 y el lente condensador 178 de la Figura 15 son similares a los lentes de transferencia 107, 109, 111, 113 y 115, y lentes condensadores 117 de las Figuras 7 a 14 en construcción, disposición, etc. En forma alterna, el lente de enfoque 76 tal como se ilustra en las Figuras 5 y 6, por ejemplo puede utilizarse en vez del lente de transferencia 177 y el lente condensador 178. El lente de transferencia 177 y el lente condensador 178, de preferencia comprenden materiales de plástico moldeado aunque otros materiales tales como vidrio, pueden emplearse. En forma adicional, una barrera para contención de calor puede colocarse entre la fuente de luz 12 y el lente de transferencia de plástico 177 en una modalidad alterna. La Figura 16 ilustra una modalidad alterna de la configuración de la Figura 15. Dos de los reflectores parabólicos 175 de la Figura 15 están truncados y colocados en conjunto en una forma espalda-a-espalda. La fuente de luz luego se coloca en un punto focal del reflector parabólico dual resultante 181. El lente de transferencia 177 y el lente condensador 178 de la Figura 15, pueden colocarse en uno o ambos de los dos extremos de salida 185, 188 del reflector parabólico dual 181. En forma alterna, el lente de enfoque 76, tal como se ilustra en las Figuras 5 y 6, por ejemplo puede emplearse en lugar del lente de transferencia 177 y el lente condensador 178. La fuente de luz puede comprender una lámpara de azufre solar 1000MR, o en forma alterna puede comprender una lámpara de haluro de metal de doble extremo 190, tal como se ilustra en la Figura 16 y describe en la solicitud de patente de los E.U.A. Co-pendiente No. de Serie 08/ Presentada en marzo 4 de 1997 y con título "Multi port illuminator for light guide" (Iluminador de múltiples puertos para guías de luz) . Las abrazaderas 193, 197 se emplean para sostener la lámpara de haluro de metal de doble extremo 190 al reflector parabólico dual 181. Aunque modalidades ejemplares de la invención se han mostrado y descrito, muchos otros cambios, modificaciones y substituciones además de aquellos establecidos en los párrafos anteriores, pueden efectuarse por una persona con destreza ordinaria en la especialidad sin apartarse necesariamente del espíritu y alcance de esta invención.