WO2011089291A1 - Sistema óptico de colimación o concentración de radiación luminosa - Google Patents

Sistema óptico de colimación o concentración de radiación luminosa Download PDF

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Eusebio BERNABÉU MARTÍNEZ
Daniel Vazquez Molini
Mario Gonzalez Montes
Antonio ALVARES FERNÁNDeZ-BALBUENA
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    • G02B19/0061—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with a light source the light source comprising a LED

Definitions

  • the present invention relates to an optical system that allows a high level of collimation to be obtained from a light source or, if it works in the opposite direction, allows the concentration of light radiation with different degrees of collimation on a surface determined.
  • the collimation of the light generated by a light source allows obtaining high intensities of light in the direction of collimation and therefore makes it possible to perceive it over great distances or to illuminate surfaces from remote places with great efficiency. If the system works in the opposite direction, that is to say as a light concentrator, it allows the light of a collimated source to be concentrated on a small surface, as is done in high concentration photovoltaic systems in which it is tried to minimize the surface of cell used.
  • the collimator / concentrator is based on an optical design system that has been widely exposed in many publications under the name of "nonimaging optics” (Wiston, Nonimaging optics, Elsevier (2005); J. Chaves Introduction to nonimaging optics, CRC Press , (2008); JJ O ' Gallagher Nonimaging optics in solar energy, Frank Kreith (2008)). In these works various methodologies are exposed to concentrate the light on a surface or collimate the light emitted by a light source.
  • patent EP1880139B1 stands out. It refers to a double lens system to control the radiation angle of the LED and illuminate locally at a long distance.
  • US2007263390A1 refers to a system composed of a converging lens inside and a reflector outside.
  • the invention DE202005007500U1 is very similar to the previous one both in conception and in design.
  • the US2004070855A1 patent shows a concept developed by Ben ⁇ tez and Mi ⁇ ano for solar concentrators and applied to collimators. Is a device similar to the previous ones, although the geometry is not exactly equivalent. In this case, the rays undergo two internal reflections in the dielectric that surrounds the light source, although it is not in direct contact with it, before leaving collimated.
  • the US2003075167A1 patent is completely different and develops a series of jagged surfaces that work in total reflection and develop in a curved profile to avoid shielding one another. The same happens to the US2005129358A1 patent, although it presents another version in which there are several total reflections and the exit surface is in the periphery. In addition, this solution only works with light that emits laterally from the emitter, and therefore, discards the frontal emission of the source.
  • EP1266255B1 the collimation is produced by internal reflection of the radiation coming from the source, located in the optical axis of the system.
  • the faces of the device can be "soft", or be composed of microfacets. As in previous cases, this device can function as a radiation concentrator if it operates in reverse.
  • a TIR lens type design is used in US2004105171A1. Used the total internal reflection in the facets of the internal face, together with the angular displacement of the axis of symmetry to align the rays in a direction that is not parallel to the optical axis of the system. There are therefore many collimation systems that are already used for LEDs, however there are particularities that still need to be improved such as efficiency and the elimination or reduction of chromatic aberrations. DESCRIPTION OF THE INVENTION
  • the present invention relates to a new optical system of collimation of light radiation by combining different geometries and ways of working for each zone of the system.
  • the system is divided into two zones that work differently: on the one hand a zone 1 that is a surface that directly captures the light emitted by the light source and by means of a single refraction the colima, and on the other hand a zone 2 that reflects the light towards an exit surface that in section is straight suffering the light in this part first a reflection and then a refraction.
  • zone 1 has the geometry of a Cartesian ellipsoid (1) that captures the light emitted by the light source (4);
  • Zone 2 comprises two parts: an inclined parabola (2), whose angular size is limited by the maximum level of loss admitted in the system, and a conical surface of straight section (3) inclined at an angle that makes the reflected light in the parabola (2) exit, once refracted in the conical surface of straight section (3), parallel to the optical axis of the system (5).
  • a difference of the present invention is that in our case we do not use a box for housing the light source and the lateral exit surface is in our case conical of straight section .
  • the present invention when considering the light as coming from the chip, although there is an air sheet, it is flat parallel and therefore does not deflect the light, the outer exit surface focuses on the source.
  • Point 1 is especially important when applied to white LEDs, which are widely used today.
  • This invention is also supported by a theoretical development that allows a modeling by which the final configuration of the system is optimized, optimizing the performance of the collimator optics according to the specific needs assigned to the system in terms of collimation characteristics, the Chip size and set size restrictions.
  • the invention also relates to the collimation system working in the reverse direction, behaving in this case as a light radiation concentrator with application, for example, to photovoltaic systems.
  • the first part of the system that is zone 1
  • the angular size ⁇ of that zone 1 is calculated according to the maximum loss that according to the Fresnel equations one wishes to assume upon refraction.
  • Figure 2 a) shows what lightning is like in this area.
  • the distance at which the vertex of the Cartesian ellipsoid is (1) with respect to the light source (4) is a function of the maximum total size that we want the system to have and the maximum deviation of the light that we can tolerate for the size of light source (4).
  • the system may include a zone 3 comprising an inlet surface (6) of the light to the system, this surface (6) being parallel to the outer surface of the light source such that the sheet between both surfaces It is flat parallel.
  • the housing or LED box does not generate that parallel flat sheet, which results in higher energy losses.
  • a particular configuration of the present system is that the surface (3) is oriented towards the light source (4), such that direct light from the source (4) exits through this surface (3), so that no there are unwanted light outputs in the system, which would either reduce the efficiency of the system or cause it to have luminance in unwanted directions.
  • the focal length is determined by calculating that focal distance that causes the parabola to cut with the exit surface (3) at the point defined by the diameter D of the system such and as shown in figure 4. Notwithstanding the foregoing, it is possible to rotate the surface parabola slightly
  • Figure 1. Shows, schematically, the basic configuration of the device and the distribution of the different operating areas.
  • Figure 2. Schematically shows the different ways of working in zones 1 and 2.
  • Figure 3. Shows a graph with the relationship between the inclination of the surface (3) and the necessary inclination of the surface (2).
  • Figure 5. Shows the angle that describes the radiation lost by direct incidence on the surface exit window (3).
  • Figure 6. Shows a diagram of the angles of incidence and transmission in the Cartesian ellipsoid that defines the surface (1).
  • Figure 7. Shows a diagram of the angles of incidence and transmission in the parabola of the surface (2) and the straight section of the conical part of the surface (3).
  • Figure 8.- Shows the total output flow of the device as a function of the angle of inclination of the parabola for a 90 ° emission.
  • Figure 9. Shows Total Outflow according to the angle of inclination of the parabola for an emission of 80 °.
  • Figure 10. Collimator system with input surface (6) of the light parallel to the outer surface of the light source.
  • Figure 11. Optical system of the invention working as a concentrator.
  • ⁇ ⁇ [0 - (a, ⁇ )) ⁇ 1 ⁇ ⁇ sen (fi) ⁇ dp + (1 - R_ re ( «)) ⁇ R pM ⁇ , ⁇ ) ⁇ 2 ⁇ ⁇ sen (fi) ⁇ dp
  • angles of incidence, ⁇ , and transmittance, ⁇ 2 are obtained based on the emission angle ⁇ : « ! - n 2 cos (/?)
  • the solution is slightly different. For example, in the case of 80 ° source divergence half angle
  • MAXIMUM EFFICIENCY RESULT ANGLE INCLINATION ⁇ 17.9 ° as shown in Figure 9.
  • the axis of abscissa represents the angle of inclination of the parabola ⁇ and the axis of ordinates the flow emitted by the system.
  • the flow transmitted by the surface 1 is represented, in crossings the one transmitted by the parabola (2) and the conical surface of straight section (3) and with squares the total flow.
  • the rear face of the system incorporates a surface (6) of light entry to the system parallel to the outer surface of the LED (figure 10) that allows its coupling.
  • the surface (6) adopts the geometry of the LED encapsulation so that the interface between the LED and the system is a parallel flat sheet that does not modify the collimation of the light, although it does suppose a slight loss of energy.
  • This example describes the optical system of the invention designed on this occasion to work as a solar concentration system in a manner similar to that shown in Figure 11.
  • the surface (1) responds to the geometry of a Cartesian ellipsoid whose emitting center is the center of the light source (4).
  • the distance from the emitter to the surface vertex (1) is set according to the opening that you want to obtain in the system, in this case they are 3.69mm.
  • the angular size ⁇ of the surface (1) that defines the zone 1, is set based on the maximum reflection loss on said surface (1) allowed to the system, which in this example is set at 80%.
  • the angle of rotation of the parabolic surface (2) is calculated, which in this case is 38.38 °.
  • the focal length of the parabola (2) is 2.16 mm.
  • Figure 9 graphically depicts this equation to check the range of values in the work area.
  • We set the refractive index values for the following media: Silicone and air n 2 1.

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Abstract

Sistema óptico de colimación o concentración de radiación luminosa. La presente invención se refiere a un sistema óptico que permite obtener un alto nivel de colimación procedente de una fuente de luz o bien permite la concentración de la radiación con distintos grados de colimación sobre una superficie determinada. El sistema comprende dos zonas: la zona 1 incluye una superficie (1) que tiene la geometría de un elipsoide cartesiano, capta la luz procedente de la fuente luminosa (4) del sistema y colima dicha luz mediante una única refracción; la zona 2 incluye dos partes: una parábola (2) que refleja la luz colimada en la zona 1 y una superficie (3) cónica de sección recta donde la luz reflejada en la parábola (2) sufre una refracción y sale paralela al eje óptico (5) del sistema. Cuando el sistema de colimación trabaja en sentido inverso, se comporta como un concentrador de radiación. Con esta configuración básica se pueden optimizar los parámetros que definen el sistema mediante el empleo de modelos matemáticos.

Description

TÍTULO
Sistema óptico de colimación o concentración de radiación luminosa OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un sistema óptico que permite obtener un alto nivel de colimación procedente de una fuente de luz o bien, en caso de que trabaje en sentido inverso, permite la concentración de la radiación luminosa con distintos grados de colimación sobre una superficie determinada.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La colimación de la luz generada por una fuente luminosa permite la obtención de elevadas intensidades de luz en la dirección de colimación y por tanto hace posible su percepción a grandes distancias o la iluminación de superficies desde lugares alejados con gran eficiencia. Si el sistema trabaja en sentido inverso, es decir como concentrador de luz, permite concentrar la luz de una fuente colimada sobre una pequeña superficie, tal y como se hace en los sistemas fotovoltaicos de alta concentración en los que se intenta reducir al máximo la superficie de célula empleada.
La incorporación desde hace 10 años de los LED al campo de la señalética ha resultado imparable debido a las ventajas que incorporan respecto de otras fuentes de luz empleadas de forma histórica. Dichas ventajas se basan esencialmente en su bajo consumo, gran eficacia, emisión espectral, posibilidad de variación de flujo continua y seguridad frente a vibraciones.
La incorporación de los LED al mercado de la iluminación en arquitectura y la señalética en los últimos 3 años ha marcado una necesidad imperiosa por el desarrollo de sistemas ópticos que permitan su aplicación a dicho entorno. Podemos ver cómo los catálogos de las mejores casas han ido incorporando productos basados en este tipo de fuentes: Erco, LLedó, Philips, etc .. En general este tipo de dispositivos no requieren un alto grado de colimación, aunque en determinados casos esto si es así. La colimación se hace imprescindible en sistemas de iluminación como son linternas, focos o balizas.
Dada la enorme competencia generada existen en la actualidad multitud de sistemas que permiten dicho objetivo y en particular la colimación de la luz. Son bastantes las casas que se han especializado en el desarrollo de ópticas específicas para LED y que buscan nuevos sistemas de colimación.
El colimador/concentrador se basa en un sistema de diseño óptico que ha sido ampliamente expuesto en multitud de publicaciones bajo la denominación de "nonimaging optics" (Wiston, Nonimaging optics, Elsevier (2005); J. Chaves Introduction to nonimaging optics, CRC Press, (2008); J.J. O'Gallagher Nonimaging optics in solar energy, Frank Kreith (2008)). En estos trabajos se exponen diversas metodologías para conseguir concentrar la luz en una superficie o bien colimar la luz emitida por una fuente luminosa. Entre las patentes que forman parte del estado de la técnica cabe destacar la patente EP1880139B1. Se refiere a un sistema de doble lente para controlar el ángulo de radiación del LED e iluminar localmente a larga distancia.
Otra patente es la US2007263390A1 , que se refiere a un sistema compuesto por una lente convergente en el interior y un reflector en el exterior.
La invención DE202005007500U1 es muy similar a la anterior tanto en concepción como en diseño. La patente US2004070855A1 muestra un concepto desarrollado por Benítez y Miñano para concentradores solares y aplicado a colimadores. Es un dispositivo parecido a los anteriores, aunque la geometría no es exactamente equivalente. En este caso, los rayos sufren dos reflexiones internas en el dieléctrico que rodea a la fuente de luz, aunque no está en contacto directo con ella, antes de salir colimadas.
La patente US2003075167A1 es completamente diferente y desarrolla una serie de superficies dentadas que trabajan en reflexión total y se desarrollan en un perfil curvado para evitar apantallamientos de unas sobre otras. A la patente US2005129358A1 le sucede otro tanto, aunque presenta otra versión en la que existen varias reflexiones totales y la superficie de salida se encuentra en la periferia. Además, esta solución solamente trabaja con luz que en el emisor sale lateralmente, y por tanto, descarta la emisión frontal de la fuente.
En EP1266255B1 la colimación se produce por reflexión interna de la radiación proveniente de la fuente, situada en el eje óptico del sistema. Las caras del dispositivo pueden ser "suaves", o bien estar compuestas por microfacetas. Como en casos anteriores, este dispositivo puede funcionar como concentrador de radiación si opera en sentido inverso.
En el caso de la patente US7006306B2 se trata de producir iluminación homogénea a partir de una fuente puntual, en un ángulo de 180°, mediante reflexiones internas de la luz en un dieléctrico (también se habla del caso de 360°). La fuente de luz se sitúa dentro de un cono truncado con las caras internas talladas en microfacetas de modo que la luz proveniente de la fuente se refleje y salga en dirección perpendicular al eje óptico. Este dispositivo no colima la luz sino más bien todo lo contrario: la reparte radialmente de manera homogénea.
En la patente US2004105171A1 se utiliza un diseño tipo lente TIR. Se utiliza la reflexión interna total en las facetas de la cara interna, junto con el desplazamiento angular del eje de simetría para alinear los rayos en una dirección que no sea paralela al eje óptico del sistema. Existen por lo tanto muchos sistemas de colimación que ya se utilizan para LED, sin embargo hay particularidades que sigue siendo necesario mejorar como pueden ser la eficiencia y la eliminación o aminoración de aberraciones cromáticas. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un nuevo sistema óptico de colimación de radiación luminosa mediante la combinación de diferentes geometrías y formas de trabajo para cada zona del sistema. El sistema se divide en dos zonas que trabajan de diferente manera: por una parte una zona 1 que es una superficie que capta directamente la luz emitida por la fuente luminosa y mediante una única refracción la colima, y por otra parte una zona 2 que refleja la luz hacia una superficie de salida que en sección es recta sufriendo la luz en esta parte primero una reflexión y luego una refracción. Como se puede ver en la figura 1 , la zona 1 tiene la geometría de un elipsoide cartesiano (1) que capta la luz emitida por la fuente luminosa (4); la zona 2 comprende dos partes: una parábola inclinada (2), cuyo tamaño angular está limitado por el máximo nivel de pérdida admitido en el sistema, y una superficie cónica de sección recta (3) inclinada un ángulo tal que hace que la luz reflejada en la parábola (2) salga, una vez refractada en la superficie cónica de sección recta (3), paralela al eje óptico del sistema (5).
La relación que deben guardar el giro de la parábola (2) y el de ángulo que forma la superficie cónica de sección recta (3) con el eje óptico del sistema (5) aparece representado en la figura 3, donde el eje de abscisas representa el ángulo de inclinación de la parábola y el de ordenadas el de la superficie cónica de sección recta. Otro aspecto de la invención se refiere a un sistema de colimación de radiación luminosa que puede también diseñarse para trabajar en dirección inversa como un sistema de concentración.
Con respecto a otros sistemas conocidos en el estado de la técnica, una diferencia de la presente invención estriba en que en nuestro caso no empleamos una caja para el alojo de la fuente luminosa y la superficie de salida lateral es en nuestro caso cónica de sección recta. En la presente invención, al considerar la luz como proveniente del chip, aunque se tenga una lámina de aire, ésta es planoparalela y por tanto no desvía la luz, la superficie de salida exterior focaliza sobre la fuente.
Esta diferencia tiene dos consecuencias:
1.- el sistema propuesto en la presente invención tiene menos aberraciones cromáticas que los sistemas ya conocidos;
2.- tiene una ligera mayor eficiencia ya que la refracción en la caja se realiza con ángulos más reducidos.
El punto 1 tiene especial importancia cuando se aplica a LED blancos, de un uso muy extendido en la actualidad.
Esta invención viene además avalada por un desarrollo teórico que permite una modelización mediante la cual se optimiza la configuración final del sistema optimizando el rendimiento de la óptica colimadora en función de las necesidades específicas que se asignen al sistema en cuanto a las características de colimación, el tamaño del chip y las restricciones de tamaño del conjunto.
La invención también se refiere al sistema de colimación trabajando en sentido inverso, comportándose en este caso como concentrador de radiación luminosa con aplicación, por ejemplo, a sistemas fotovoltaicos. Como se aprecia en la figura 1 , la primera parte del sistema, es decir la zona 1 , se corresponde con un elipsoide cartesiano calculado para el índice de refracción del material con el que se construye la unidad. El tamaño angular γ de esa zona 1 se calcula de acuerdo con la máxima pérdida que de acuerdo con las ecuaciones de Fresnel se quiera asumir al producirse la refracción. En la figura 2 a) se representa cómo es el trazado de rayos en esta zona. La distancia a la que se encuentra el vértice del elipsoide cartesiano (1) respecto de la fuente luminosa (4) es función del tamaño total máximo que queramos que tenga el sistema y de la máxima desviación de la luz que podamos tolerar para el tamaño de fuente luminosa (4).
Opcionalmente, el sistema puede incluir una zona 3 que comprende una superficie de entrada (6) de la luz al sistema siendo esta superficie (6) paralela a la superficie exterior de la fuente de luz de tal forma que la lámina que queda entre ambas superficies es planoparalela. En el caso de los sistemas analizados en las patentes del estado de la técnica, el alojamiento o caja del LED no genera esa lámina planoparalela lo que genera que las pérdidas energéticas sean más elevadas.
Una configuración particular del presente sistema es que la superficie (3) está orientada hacia la fuente luminosa (4), de tal manera que la luz directa desde la fuente (4) sale a través de esta superficie (3), de forma que no existen en el sistema salidas de luz no deseada, que o bien reducirían la eficiencia del sistema o bien harían que tuviera luminancia en direcciones no deseadas.
Dado que la superficie (3) debe estar orientada hacia la fuente luminosa, para que los rayos salgan paralelos al eje óptico del sistema (5), es necesario que incidan en un ángulo determinado 51.
Como se puede ver en la figura 2 b) y de una forma más detallada en la figura n sen(61) = sen(62) = sen (90-γ), es decir
61 = asen[ sen(90 - γ ) / n ].
Esto nos lleva a que la superficie (2) debe ser una parábola girada un ángulo en sentido antihorario definido por:
a = 62 - 61 = 90 - γ - δΐ.
La relación entre el ángulo de rotación de la parábola y el ángulo de inclinación de la sección recta de la parte cónica (3) para asegurar una emisión de luz colimada se expresa en la siguiente ecuación matemática:
Figure imgf000009_0001
o, lo que es lo mismo, si se ha determinado el ángulo γ, entonces encuentra el ángulo a: a = 90 - γ - asen (sen(90- γ) / n1)
Con esta configuración toda la luz que emite el punto central de la fuente luminosa (4) sale paralela al eje óptico del sistema (5). Dado que la fuente luminosa nunca es puntual, la luz que emite el sistema tendrá una divergencia que será función del tamaño de la fuente y de la distancia desde la fuente al vértice de la zona 1 a partir de la cual hemos generado el sistema.
Con la dirección del eje de la parábola de la superficie (2) definida, la distancia focal se determina calculando aquella distancia focal que hace que la parábola corte con la superficie de salida (3) en el punto definido por el diámetro D del sistema tal y como aparece representado en la figura 4. No obstante lo anterior es posible girar levemente la parábola de la superficie
(2) , y por tanto la superficie (3) para que siga colimando la luz, con el objetivo de conseguir maximizar el flujo de energía que sale del sistema. Un giro de la superficie (3) implicará una cierta cantidad de luz que se pierde por incidir directamente desde la fuente luminosa (4) que se compensará por las pérdidas de Fresnel que produce la refracción sobre la cara de la superficie
(3) . Dicha radiación sería la que corresponde con el ángulo ζ tal y como aparece representado en la figura 5. Cuando la fuente emisora emite a diversas longitudes de onda el sistema se calcula para aquella que optimiza el sistema en los parámetros que se consideren prioritarios (flujo de salida, intensidad pico, divergencia máxima,...). Con esta configuración básica se puede proceder, si se considera necesario, a un proceso de optimización de los parámetros que definen el sistema optimizando, por ejemplo, el flujo de salida de todo el sistema. Para ello se emplean los modelos que se exponen en esta memoria. DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña como parte integrante de dicha descripción un juego de dibujos en donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- Muestra, de forma esquemática, la configuración básica del dispositivo y la distribución de las diferentes zonas de funcionamiento. Figura 2.- Muestra de forma esquemática las diferentes formas de trabajo de las zonas 1 y 2. Figura 3.- Muestra una gráfica con la relación existente entre la inclinación de la superficie (3) y la inclinación necesaria de la superficie (2).
Figura 4.- Determinación de la distancia focal de la parábola.
Figura 5.- Muestra el ángulo que describe la radiación perdida por incidencia directa sobre la ventana de salida de la superficie (3).
Figura 6.- Muestra un esquema de los ángulos de incidencia y transmisión en el elipsoide cartesiano que define la superficie (1).
Figura 7.- Muestra un esquema de los ángulos de incidencia y transmisión en la parábola de la superficie (2) y la sección recta de la parte cónica de la superficie (3).
Figura 8.- Muestra el Flujo total de salida del dispositivo en función del ángulo de inclinación de la parábola para una emisión de 90°.
Figura 9.- Muestra Flujo total de salida en función del ángulo de inclinación de la parábola para una emisión de 80°.
Figura 10.- Sistema colimador con superficie de entrada (6) de la luz paralela a la superficie exterior de la fuente luminosa. Figura 11.- Sistema óptico de la invención trabajando como concentrador.
MODO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
Una vez definida la geometría del sistema y los parámetros que caracterizan la misma, a continuación se presentan ejemplos de optimización de dichos parámetros. Ejemplo 1
Se procedió a determinar el valor del ángulo de rotación de la parábola α que asegura la máxima eficiencia del sistema óptico de colimación.
La condición de máxima eficiencia del sistema se equivale a extraer la mayor cantidad de flujo colimado, los valores del sistema se determinan sin necesidad de espejar ninguna superficie. Suponiendo una fuente puntual y uniforme, de emisión uniforme en todas las direcciones, y de semiángulo de emisión 90°, el flujo emitido Φ paralelo al eje óptico del sistema (5) se describe mediante la siguiente ecuación:
Φ = Ι · cos Tumo„PE (a)■ (a, β) dQ
Figure imgf000012_0001
Sustituyendo el ángulo sólido Ω por el ángulo de emisión de la fuente/? , y expresando la transmitancia Ten función de la reflectancia R:
Q = 2;r - (l - cos/?) , d£l = 2n - senp , T = (\ - R) se obtiene la siguiente ecuación:
Φ = Κ [ 0 - (a, β))■ 1π■ sen(fi)■ dp + (1 - R_re («)) · RpM {α,β) · 2π · sen(fi)■ dp
[ec . l ] Esta ecuación depende de una constante de proporcionalidad I debido a que se supone la fuente de luz uniforme y genera flujo independientemente del valor del ángulo de emisión. Pero esta constante no es relevante en este ejemplo porque lo que se persigue es encontrar el máximo de la anterior ecuación [ec.1]. También se necesita conocer las expresiones de la reflectancia en función del ángulo de entrada y de salida a la superficie analizada en cada zona. Las dos componentes, perpendicular y paralela, de la reflectancia son:
paralé
Figure imgf000013_0001
[ec . 2 ]
Siendo θ y 6>2 , los ángulos de entrada y de salida a la superficie estudiada respectivamente. p D
g paralela perpendicular
Ahora, para poder calcular la integral del flujo, es necesario despejar θλ y θ2 en función del ángulo de emisión β , teniendo en cuenta si estamos analizando el caso de la luz trasmitida por la elipse, zona 1 , o reflejada en la parábola, zona 2, figura 6. En base al anterior esquema se formulan las ecuaciones de partida:
Figure imgf000013_0002
Mediante un desarrollo teórico se obtienen los ángulos de incidencia, θι , y transmitancia, θ2, en función del ángulo de emisión β: «! - n2 cos(/?)
Figure imgf000014_0001
Análisis del ángulo de incidencia y transmisión en la parábola (2) y en la sección recta de la parte cónica de la superíicie (3).
Parábola (2)
Figure imgf000014_0002
\Ζ0 - α - β
0,
Figure imgf000014_0003
Sección recta de la parte cónica de la superficie
Figure imgf000014_0004
Figure imgf000014_0005
n2sen(a)
θ2 = α +tg
n - n2 cos(or) Estas relaciones aparecen reflejadas en la figura 8. En esta figura el eje de abscisas representa el ángulo de inclinación de la parábola α y el eje de ordenadas el flujo emitido por el sistema. A trazos se representa el flujo transmitido por la superficie 1 , en cruces el transmitido por la parábola (2) y la superficie cónica de sección recta (3) y con cuadrados el flujo total.
FLUJO TOTAL DEL SISTEMA COLIMADOR
Semiángulo de divergencia de la fuente 90°
RESULTADO MÁXIMA EFICIENCIA ÁNGULO INCLINACIÓN α =16.9° Ejemplo 2
Si la fuente luminosa no emite en todo el semiespacio, tal y como es el caso de los LED con cazoleta, la solución es ligeramente diferente. Por ejemplo, en el caso de semiángulo de divergencia de la fuente 80°
RESULTADO MAXIMA EFICIENCIA ANGULO INCLINACION α =17.9° tal y como aparece reflejado en la figura 9. En esta figura el eje de abscisas representa el ángulo de inclinación de la parábola α y el eje de ordenadas el flujo emitido por el sistema. A trazos se representa el flujo transmitido por la superficie 1 , en cruces el transmitido por la parábola (2) y la superficie cónica de sección recta (3) y con cuadrados el flujo total. Ejemplo 3
En el caso de que la fuente luminosa sea un LED con un encapsulado, la cara posterior del sistema incorpora una superficie (6) de entrada de la luz al sistema paralela a la superficie exterior del LED (figura 10) que permite su acople. La superficie (6) adopta la geometría del encapsulado del LED de manera que el interface entre el LED y el sistema es una lámina planoparalela que no modifica la colimación de la luz, aunque sí supone una ligera pérdida de energía.
Ejemplo 4
En este ejemplo se describe el sistema óptico de la invención diseñado en esta ocasión para trabajar como sistema de concentración solar de forma similar a como se muestra en la figura 11.
La superficie (1 ) está formada por un material transparente que, en este ejemplo, es la silicona con índice de refracción n= 1 ,49 para una longitud de onda elegida λ=550π/?7 y para el cálculo en el que la superficie (1) está situada a una distancia de 3,67 mm de la fuente luminosa (4).
La superficie (1) responde a la geometría de un elipsoide cartesiano cuyo centro emisor es el centro de la fuente luminosa (4).
La distancia del emisor al vértice de la superficie (1) se fija en función de la apertura que se desea obtener en el sistema, en este caso son 3,69mm.
El tamaño angular γ de la superficie (1 ) que define la zona 1 , se fija en función de la máxima pérdida por reflexión en dicha superficie (1) permitida al sistema, que en este ejemplo se establece en el 80%.
Con el ángulo γ de inclinación de la superficie (3) se calcula el ángulo α de giro de la superficie parabólica (2), que en este caso son 38,38°. La distancia focal de la parábola (2) es de 2,16 mm.
En la figura 9 se representa gráficamente esta ecuación para comprobar el rango de valores de la zona de trabajo. Fijamos los valores de los índices de refracción para los siguientes medios: Silicona
Figure imgf000016_0001
y aire n2=1.

Claims

REIVINDICACIONES
1. - Sistema óptico de colimación de radiación luminosa que comprende dos zonas:
- la zona 1 incluye una superficie (1) que tiene la geometría de un elipsoide cartesiano, capta la luz procedente de la fuente luminosa (4) del sistema y colima dicha luz mediante una única refracción;
- la zona 2 incluye dos partes:
- una parábola (2) que refleja la luz colimada en la zona 1 ;
- una superficie (3) cónica de sección recta donde la luz reflejada en la parábola (2) sufre una refracción y sale paralela al eje óptico (5) del sistema.
2. Sistema óptico de colimación, según la reivindicación 1 , que incluye una superficie (6) de entrada de la luz al sistema siendo dicha superficie (6) paralela a la superficie exterior de la fuente luminosa (4).
3. Sistema óptico de colimación, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la superficie de sección recta de la parte cónica (3) pasa por el punto central de la fuente de luz (4).
4. Sistema óptico de concentración de radiación luminosa que comprende dos zonas:
- la zona 1 incluye una superficie (1) que tiene la geometría de un elipsoide cartesiano, capta la luz procedente de la fuente luminosa externa al sistema y concentra dicha luz mediante una única refracción;
- la zona 2 incluye dos partes:
- una superficie (3) cónica de sección recta donde la luz se refracta y se dirige hacia la parábola girada de la superficie (2). Esta superficie forma un ángulo tal que la luz refractada se introduce en el sistema formando un ángulo igual al del giro del eje de la parábola (2).
- Una superficie parabólica (2) girada un ángulo respecto del eje del sistema (5).
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