WO2016102720A1 - Dispositivo óptico planar multicapa - Google Patents

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WO2016102720A1
WO2016102720A1 PCT/ES2015/000180 ES2015000180W WO2016102720A1 WO 2016102720 A1 WO2016102720 A1 WO 2016102720A1 ES 2015000180 W ES2015000180 W ES 2015000180W WO 2016102720 A1 WO2016102720 A1 WO 2016102720A1
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light
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PCT/ES2015/000180
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Inventor
Emilio GÓMEZ GONZÁLEZ
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Universidad de Sevilla
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Universidad de Sevilla
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21L—LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF, BEING PORTABLE OR SPECIALLY ADAPTED FOR TRANSPORTATION
    • F21L4/00—Electric lighting devices with self-contained electric batteries or cells
    • F21L2001/00—

Definitions

  • the present invention relates to a portable optical device composed of a planar muiticap structure in the form of a flexible, molded or rigid band (or set of them) containing various optical elements, active and passive, of emission and detection of light beams, connected / s with a power supply unit, regulation and control.
  • This device can be attached to tools or instruments and allows lighting, optical analysis, image registration and control of devices through the emission and reception of light signals in hard-to-reach spaces and cavities.
  • lamps or luminaires of multiple types are used, held by various articulated or rigid mechanisms, il) optical fibers that transmit light from an external source to the interior of the space and sil) lanterns or point sources
  • the sources of external lamps type have in common that the incident light on the area to be illuminated is directed to it in the form of a cylindrical or conical beam as in the utility model ES 1088014 Although they can be achieved Lighting levels suitable for various uses
  • the simultaneous use of tools or instruments generates shadow areas or limited lighting Similarly happens with the optical lighting fibers, commonly used in medical and surgical applications.
  • the proposed invention combines, in a single device, elements that provide an innovative approach to the limitations of said systems the heat generated by the light sources and other active elements is evacuated through the element that gives it shape and structural support, the form With a muitic layer, it is possible to have each one of them simultaneously and in the same device of light emitters and receivers. of various active and passive optical elements that modulate or modify the properties of emitted and received light. These additional elements have planar shape and geometry. unlike the combinations of lenses and mirrors typical of light sources such as those referred to in patents EP1880139B1. US20072633SCA1 and DE2020G50G7500U 1 and in collimation and concentration devices as described in patent ES236339681 The geometry ce!
  • the proposed device in the form of a multilayer band also allows it to be small in size and easy to enter in hard-to-reach areas and the possibility to replace it or shape its shape allows it to be adapted to the shape of instruments or tools commonly used in each application.
  • the combination of these characteristics and the indicated elements allows that. in the same device, the functions of illumination, measurement of optical properties, image capture and optical control of other devices can be performed simultaneously or independently.
  • Figure 3 Schematic view of the arrangement of the different layers that make up an optical band.
  • FIG. 5 Schematic view (profile) of a second preferred embodiment of the present invention, as an optical analysis device of the medium or the walls of the enclosure in which the band is inserted
  • FIG. 6 Schematic view (profile) of a third preferred embodiment of the present invention, as an image recording device.
  • Angular field of view captured by the first matrix sensor Image.
  • FIG. 7 Schematic view (profile) of a fourth intended embodiment of the present invention , as a control and communication device (by light signals) of other devices
  • the present and invention refers to a portable optical device for lighting, analysis, image registration and control of devices by emission, modulation and detection of light beams, composed of a multilayer structure of Optical elements in the form of a band (or set) of such units; ffexib ⁇ e (s), moldable ⁇ ss or rigida (s). connect or (s) with a power supply unit, regulation and control
  • Each optical band consists of a plurality of iuz emitting elements (light emitting diodes ⁇ üght emiitmg d ode L E O) laser diodes (maschine oVoo'e. L.D n in surface mount ⁇ surface mounted asede SMD).
  • iuz detecting elements punctual, receiving iuz and agreeing on an electrical signal, and linear sensors and matnciaies.
  • the size of fas bands is mainly determined by the technologies of the emitters and detectors used in surface mounting, their characteristics of electrical consumption and the type of data or signals that they emit or receive.
  • the transverse dimension (width) of a band can be from about 4 millimeters (mm) is enough 15 mm.
  • the longitudinal dimension ⁇ length) from about 30 m to about 3C0 mm and the thickness (thickness) from about 3 mm is enough 10 mm.
  • the present device is of a modular nature ?, so that a set of optical bands, equipped with various groups of emitters and detectors of lu, can be combined with others to achieve multiple geometric configurations of various shapes and sizes, according to the desired purpose These functions are:
  • ⁇ - Illumination of an enclosure that is difficult to access by combining a set of emitting diodes and, where appropriate, diffusing optical elements in the passive optical layer.
  • ⁇ - optical analysis of properties of; medium or recess in which the device is located Specifically, it allows measurements of diffuse reflectance, spectral or absorption or fluorescence spectra, both static and dynamic (through the combination of emitting diodes and point, linear or matrial detectors and, where appropriate, by providing filters. , lenses or prisms in the active and passive optical layers)
  • the relative order of the component layers is as follows (listed from the space where the lu is iterated).
  • the number and specific type of layers in each band depends on the specific application to which e! device.
  • the upper protective layers (4) and misery? ( eleven ). They are sheets of plastic or similar transparent material ⁇ at least, in its upper part ⁇ . flexible, covering the whole of the band joining by its edge (48), configuring a wrap that can be waterproof, resistant to the action of agents and external deterioration and making it possible to clean and reutllize it
  • the wrap generated by the bonded protective layers can be steerable or provided with specific resistance to enable that of the optical band in the presence of certain physical, biological or chemical agents.
  • each optical band and its connectors and wiring can be coated or wrapped with transparent and blocompatible protective layers. suitable to be in direct contact with human or animal tissues and organs or other biological materials.
  • the procedure for depositing and joining the upper and lower protective layers must be such that it does not cause damage or modification in the optical and electronic elements and components of the other layers.
  • the upper protective layers (4) s lower ⁇ 1 1) can be joined around the optical band constituting a closed insulating cover and, where appropriate, hermetic, so that the joined protective layers protrude on both sides and at the ends of the cpi.ca band in the form of an outer zone (margin or flange) (43)
  • This margin can be trimmed to the desired shape (for example, curved in its corners) and marked with Position or Length Indicators (14) , graduated in the necessary units (typically, millimeters) to facilitate the measurement of the depth of insertion of the optical band in a given space (for example, in cavities of difficult access).
  • the layer of light emitting elements (3) It consists of a piuraikia of emitting diodes of ⁇ K ⁇ Z ⁇ LED) of small size and high luminosity and. where appropriate, laser diodes (LD), surface mounted (SMD), on a flexible plastic tape, which also integrates the additional electronic elements (resistors, diodes) and wiring necessary for proper feeding and control.
  • L laser diodes
  • SMD surface mounted
  • the LEDs can be emitters of all luminosity, of various types, such as monochromatic co or emitters ⁇ emit a single wavelength or color) polychromatic (emit a discrete set of wavelengths or colors), white light (emit light of resulting color white) or adjustable color (red ⁇ green-blue. RGB) (emit resulting color light selected by the seat).
  • monochromatic co or emitters ⁇ emit a single wavelength or color
  • polychromatic emit a discrete set of wavelengths or colors
  • white light emit light of resulting color white
  • adjustable color red ⁇ green-blue. RGB
  • the laser diodes (LD) can be of various existing types that can be mounted on said band.
  • the currents and voltages that regulate the intensity and, where appropriate, the color of the light emitted by the LED or LD diodes. thus, or, where appropriate, or in amplitude, frequency or phase modulation, they are controlled from the external power unit.
  • the LED or LD emitters can be controlled individually or in groups (typically, of two or three units). The preferred positions or these LED or LD emitters are consecutive, aligned along the longitudinal axis of the band.
  • the layer of light detecting elements (9) It consists of a plurality of point, linear and mattential detectors whose positions are interspersed between the emitting elements, or consecutive with them, according to the type of specific application required.
  • the detectors and their wiring are located on the layer of emitting elements, so that both types of elements (emitters and detectors) are in turn. in thermal contact with the heat dissipating sheet.
  • the point detectors are timed, phototransistors and resistors that provide an electrical signal (voltage or comment) related to the intensity and characteristics of the light received
  • L os matr linear detectors are Ciales consuntos shaped elements (arraya) linear or matnciales of individual elements that make up a sensor capable of capturing an image.
  • Linear and matrix image detectors can be devices with a combined load ⁇ cherge-coupted rjeviae, CCD).
  • active skin devices such as complementary semiconductor metal oxide ⁇ cmnpimnmtary mf ⁇ tal-oxiüe-SBmiconduclor, CMOS) and other types. Where appropriate, and equipped with the necessary additional electronic elements, the detectors can allow the conversion of the light signals into digital signals or binary data in different formats
  • the thermal dissipative and structural support sheet (? ⁇ , It is a tape (sheet) of a good thermal conductor (preferably metallic) Oe a typical thickness of 0 05 - 3 0 rom. Provided with holes of suitable shape and size in the positions of the emitters and detectors, and located in direct contact with the active optical layer (6) and the emitter (8) and detector layers (9) .This contact - and the fixing between the layers - can best be achieved by the application of putty or thermal glue between them, to allow the flow of heat towards the dissipative sheet but without any electrical contact between the layers.
  • the material, shape and dimensions of the thermal and structural support sheet determine the characteristics of flexibility, malleability and structural rigidity desired for the band.
  • the line can be made of copper with a thickness of the order of 0 05 -0 5 rom
  • this sheet can be made of aluminum or other similar material, with a thickness of 0.2-3.0 rom.
  • thermoelectric modules used in portable electronic applications
  • the active optical layer (or). It consists of active flat optical elements, preferably liquid sack sheets, spatial light modulators. shutters, lenses of variable form by means of electrical control and adjustable filters, all of them inserted in a flexible support sheet (preferably of plastic) in which the electronic elements and wiring necessary for its correct feeding and control £ i size of the elements are integrated assets is suitable for placing on the emitters or on the detectors.
  • active opaque layer When this active opaque layer is arranged
  • the passive optical layer (5) It consists of a combination of optical elements inserted, engraved or stamped on a suitable matten support sheet, preferably of plastic material, including refractive elements (lenses, micro-lenses and others), reflective (mirrors, grooves and others), diffractants ( diffraction networks, ho ⁇ ograrnas and others), dispersants (prisms, microprisms and others) and diffusers (lamberear and ear diffusers) to direct or filter both the light beams emitted by the emitters and the light beams relapsed by the detectors, in the directions desired and with adequate levels of power and light intensity for each specific application
  • the elements of the active and passive optical layers located on the detectors allow the light received by them to be filtered according to the type of analysis or register of images to be made.
  • the magnetic fixing layer (10). It is a flexible magnetic material tape that adheres on one side to the even and lower side of the layer on which the light emitters and receivers are located. As it is magnetized, it allows permanent or temporary fixation to various parts, instruments or tools with various forms and characteristics (of the ferrous iron type with the ability to use the device described in this invention inside different spaces, including cavities, cavities and hard-to-reach spaces The intensity of the magnetic force of attraction depends on the characteristics of the tape itself, with the last commercial options being found. A tape with magnetic force should be chosen that allows the fixing of the optical band to an agnhetic iron surface taking into account count the thickness of the lower protective layer (1 1)
  • the magnetic fixing layer (0) can be replaced by a plastic with intercalated magnets or. similarly, by a layer of adhesive fixing material (1 2), adhered to the outside of the lower protective layer.
  • an optical Panda without a magnetic or adhesive layer can also be fixed or mechanically anchored (using screws, threads, wires or sutures) using the holes (1 5) located in the margin (43) generated by the union of the layers upper (4) and lower ( " 1 1) protectors.
  • the independent power and control unit It is a unit that contains a) a low voltage continuous power supply, preferably 1 2V- or 247. It provides the necessary voltage and electric current to the active elements of the Optical bank connected to the same.
  • the power of the optical band is provided by bat ias. accumulators or similar items. This feed is particularly suitable for optical bands to be used in enclosed spaces or cavities where it is necessary to avoid any possible risk arising from the use of high voltages such as in applications in medicine, surgery , biology or veterinary medicine, or in industrial applications in chemically reactive atmospheres. , incendiary, or explosive
  • a set of passive, fin or active dissipative elements fans or thermoelectric modules, which dissipate the heat generated by the active elements located in the optical band.
  • These heatsinks are necessary to evacuate the heat generated by the active optical elements (located in the active band), and the emitters and light detectors (located in their corresponding bands). This heat is transmitted by the heat dissipating sheet from the elements in which Up to a control unit is produced through a heat conducting cable, since the dissipating elements establish a temperature difference (and, consequently, a thermal gradient) between them and the band
  • the electronic circuitry that generates, transmits, adapts, and modulates the signals that are converted by the emitters into sequences of luminous pulses of the amplitude, frequency, wavelength, phase and polarization required to achieve activation and communication with detector elements that are located in the environment of the band that issues them, and
  • this control unit can be connected to a computer, a system and data coolant or similar device, by wiring or wirelessly.
  • the power supply, the control and modulation signals ge the light emitted and the signals and dates generated by the detectors are transmitted to the optical band / s and from the power and control unit via a set of specific cables, equipped with the appropriate connectors at its ends.
  • the thermal dissipative sheet is connected by a suitable connector to a good heat conductor cable (for example , copper).
  • a good heat conductor cable for example , copper.
  • the whole of the electrical and thermal connection cables can be grouped in the form of a beam, coaxial conductors, flat or another type. He wiring may be covered by materials that can be cleaned and, where appropriate, sterilized
  • optical band and the external power, regulation and control unit can be portable. Also, each optical band and its tankers, wraps and connection wiring can be realizable, recyclable or disposable.
  • the geometric, optical, electronic and mounting parameters can be optimized for different specific applications.
  • the described invention can be manufactured with commercially available devices and technologies, in a very wide range of costs and benefits, enabling its implementation in the form of economical and cost-effective devices.
  • the present invention relates to a portable optical device for lighting , analysis, image recording and control of devices by emission, modulation and reception of light beams, composed of a multilayer optical band ⁇ 1 ⁇ (or set of them) connected to a power, regulation and control unit (2; by a set of electrical and thermal connection cables (3).
  • Each optical band consists of a plurality of light emitters (LED diodes and laser diodes), light detectors ⁇ point, linear and maincial) and active and passive optical elements arranged in overlapping layers with a thermal dissipative sheet and structural support and the corresponding connection mapping with the power and control unit
  • Embodiment 1 Lighting Device Embodiment 1 Lighting Device.
  • the optical band (1) is provided with a certain number of equal LEO emitting diodes (25), with white light and high luminosity, in surface mounting (SMD technology). Each of them emits a cone of light with an angle of 1 20 ° (47!). The number of emitting diodes, their power and their relative positions are determined by the desired level of illumination on the surface (48) to be illuminated.
  • the control of the intensity of the emitted light is carried out by means of a regulating circuit located in the power supply unit, regulation and control.
  • the thickness of the heat sink and support sheet is determined structural Co or example, with a set of 6 white light diodes of 800 lumen, mounted on an SMD band about 10 nm wide, SO mm long and 4 rom thick, the resulting optical band would be about 80-90 mm in length and about 1 0-1 5 mm wide (including ios margins (43) for the mechanical fixing holes and the graduated scale of length.)
  • the dissipative sheet would be made in a l 0 1 -0 3 rnm copper amine IF RGB type diodes of variable color are used, the control of the light emitted by them is also regulated in the power, regulation and control unit
  • the device assembled according to this embodiment can be of low cost, enabling simple and economical construction and assembly.
  • Embodiment 2 Device for optical analysis
  • This embodiment or the proposed invention is intended for the analysis of optical properties of materials.
  • it allows the realization of diffuse reflectance measurements, the obtaining of absorption and fluorescence spectra, both static and dynamic, or the walls ( or medium) in which the light emitted by the band is reflected
  • These measurements are carried out by means of the combination and synchronization or the emission of continuous or pulsed beams from one or vain emitting diodes with the reception in one or vain point, linear or rnnual detectors equipped, where appropriate, with both the emitters co or ios detectors, or filters, lenses or prisms in the passive and active optic layers
  • the optical strip (1) is Dolada two emitting diodes LED glial (25) and a laser diode ⁇ 26 ⁇ and photodiode detector type (27)
  • Each of The LEDs emit a cone of light with a 90 ° angle (49) and the laser diodes emit a beam of rectangular section of the same size as the active emission surface (50).
  • the number of emitting diodes i.
  • the optical band (1) is curved an angle ⁇ to facilitate the incidence (on the detectors) of the light reflected by the walls of the enclosure
  • the emitting diodes can generate a set of several wavelengths (colors) or. such as the laser diode, being monochromatic and emitting a single color. Its electrical characteristics are similar to those collected in the previous embodiment 1.
  • the detectors can be sensitive ichthycs in the visible and near infrared ranges (typically. From about 400 nanometers (nm) to about 850 nm) with an electrical consumption of the order of 0.1 VV.
  • the dimensions of the optical band with the previous elements would be about 100 mm in length, 10-12 mrn in width and 4-6 mm in thickness.
  • the elements of the passive optical layer may include optical filters that determine the ranges of wavelengths received.
  • the detectors and, for example, eliminate ambient light so that only the wavelengths (colors) of interest affect the detectors.
  • the light is emitted continuously and the detectors remain active (receiving) for the interval of time necessary for the signal to be collected with the appropriate signal-to-noise ratio.
  • the control and control power unit must emit synchronization signals so that the emission and reception of the light beams generated by the emitters and received by the detectors is carried out at the temporary intervals or following the necessary duration and frequency.
  • the emitted wavelength must be adequate to stimulate the corresponding phenomenon of fluorescence in the medium or enclosure on which the light strikes.
  • the emitting diodes must emit wavelengths in the near infrared range and the detectors must receive wavelengths in the visible range.
  • the emitters must generate beams of light in the near ultraviolet spectrum and the detectors must measure in the visible range
  • the upper protective layer must include, inserted therein, transparent optical windows located in the positions corresponding to the emitters and light detectors. These windows can be made of transparent or plastic. if aita quality or specific transmission characteristics is required (for example, for the wavelengths in the ultraviolet and infrared ranges), in uitraf-nc crystal of suitable characteristics.
  • This embodiment of the proposed invention allows the capture of images by means of image sensor type (linear or matrix), equipped, if necessary, with filters and lenses superimposed on the optical layers (active and passive).
  • image sensor type linear or matrix
  • filters and lenses superimposed on the optical layers (active and passive).
  • the Optical band (1) is angled (an angle a) and equipped with two LED emitting diodes (25) and two detectors of the type image sensors (28) Front ce each issuer (25).
  • a spatial modulator of light or liquid crystal (54) in the active optical layer These elements generate a set of lines, reticles or figures of different shapes, such as circumferences, crosses, and others (56) that, when illuminated by the emitted light, define a structured light pattern that is projected onto the surface (51) that you want to scan in three dimensions
  • the image sensors (28) can register conventional zD images (photographs) but with the angular differences defined by the angles between their optical axes As an example, the angle is shown o
  • the optical elements located in the active and passive layers determine the elective fields vision (56. 57) captured by the malnclales sensors.
  • control unit - generates or transmits to the band / s connected with all signals that must be converted by the emitting diodes into sequences of light pulses of the amplitude frequency, wavelength, phase and polarization required to achieve activation or communication with other devices equipped with optical detectors that are located in the environment of the band that emits them
  • ⁇ recsbe and decodes the light signals generated by the detectors when they impinge on ios beams or light signals emitted by other devices equipped with light emitters situated in the vicinity of a band ias receives.
  • This form of activation or control of devices has the characteristics of being wireless, very fast , without generating or being subjected to electromagnetic disturbances or interferences (such as co or current sparks or voltaic arcs and others) Therefore, this embodiment of the proposed invention may be particularly suitable for use in environments where such risks must be avoided, such as applications in enclosures with chemically reactive, explosive or incendiary atmospheres, or inside the human body , animals or biological organisms.
  • the optical band (1) is provided with two equal I..EC emitting diodes (25) and two photodiode type detectors (27). Each of the LEDs emits a cone with an angle of 120 ⁇ (47) and the emitted light is modulated by the signals generated by the power, regulation and control unit (2).
  • optical signals (60) emitted by other devices in the environment of the optical band are received by Sos detectors (2?) And transmitted to the power supply unit, regulation and control (2)
  • the number of emitting diodes, their powers and their relative positions are determined by the level of illumination necessary to establish communication with the devices (58)
  • the type of elements located in the active and passive optical layers are determined according to the desired properties in the light emitted by the emitters and the one received by the detectors
  • the connection wiring (3) joins the optical band (1) with the power, regulation and control unit (2)
  • connection wiring (3) consists of conventional cables, including those of transmission or power supply, those of control signal transmission from the power supply, regulation and control unit to the active elements of the bands, the transmitting signals and data generated by the detectors and a thermal conductor cable for connecting the dissipative sheet with the dissipating element of the unit of Food, regulation and control.
  • the invention acts from the power supply provided by the power supply unit, regulation and control unit (2)
  • This power supply will be of direct current, low voltage (12reciios or 24 volts), depending on the type of diodes and other active elements, provided by batteries, accumulators and similar elements arranged in said unit
  • This is portable, operating in a continuous low voltage circuit to avoid possible e-electrical risks arising from the use of alternating current, thus allowing its use as a operative device in direct contact with the human body, animals or biological organisms, enclosures with explosive, flammable and other gas atmospheres.
  • the upper (4) and lower (11) protective layers can be made of plastic material of different types, depending on the medium or environment in which the optical bands are to be arranged.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Arrangement Of Elements, Cooling, Sealing, Or The Like Of Lighting Devices (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

La presente invención se refiere a un dispositivo óptico placar multieapa compuesto por una estructura planar multícapa, con forma de banda flexible, moldeable o rígida (o conjunto de ellas) que contiene diversos elementos ópticos, activos y pasivos, de emisión y detección de haces luminosos, conectada/s con una unidad de alimentación, regulación y control. Este dispositivo puede fijarse a herramientas o instrumentos y permite la iluminación, el análisis Óptico, el registro de Imágenes y el control de dispositivos mediante la emisión y detección de señales luminosas en espacios y cavidades de difícil acceso. Tiene su aplicación dentro de las industrias de fabricación de aparatos, dispositivos y elementos auxiliares de iluminación, de análisis óptico de materiales y de registro de imágenes. Más concretamente en los sectores de automación, motores y conducciones de gases y fluidos así como en medicina, cirugía, odontología, biología y veterinaria.

Description

TÍTULO
Dispositivo óptico planar muiticapa
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un dispositivo óptico portátil compuesto por una estructura planar muiticapa con forma de banda flexible, moldeadle o rígida (o conjunto de ellas) que contiene diversos elementos ópticos, activos y pasivos, de emisión y detección de haces luminosos, conectada/s con una unidad de alimentación , regulación y controi. Este dispositivo puede fijarse a herramientas o instrumentos y permite la iluminación, el anáfisis óptico, el registro de imágenes y el control de dispositivos mediante la emisión y recepción de señales luminosas en espacios y cavidades de difícil acceso.
Tiene su aplicación dentro de ias industrias de fabricación de aparatos, dispositivos y elementos auxiliares de luminación, de análisis óptico de materiales y de registro de imágenes Más concretamente en ios sectores de automoción , motores y conducciones de gases y fluidos así co o en medicina, cirug ía, odontología biolog ía y veterinaria
ESTADO DE LA TÉCNICA
En numerosas aplicaciones Industriales y tecnológicas resolta necesario iluminar, captar imágenes y analizar las propiedades ópticas de cavidades, recintos y oquedades de tamaño reducido o de difícil acceso. Tales aplicaciones incluyen ios ámbitos de automoción. inspección ce motores y conducciones de gases y fluidos, asi como los sectores de medicina, cirug ía, odontología, biología o veterinaria
Para Iluminar en este tipo de recintos se utilizan, er¡ general, i) lámparas o luminarias de múltiples tipos, sujetas mediante diversos mecanismos articulados o rígidos , il) fibras ópticas que transmiten luz de una fuente externa ai interior del espacio y sil) linternas o fuentes puntuales Las fuentes de tipo lámparas externas tienen en com ún que la luz incidente sobre la zona q ue se desea iluminar se dirige a la misma en forma de un haz cil indrico o cónico como en el modelo de utilidad ES 1088014 Aunque pueden conseguirse niveles de iluminación adecuados para ios diversos usos el uso simultáneo de herramientas o Instrumentos genera zonas de sombra o de iluminación limitada Análogamente sucede con ias fibras ópticas de iluminación, cíe uso común en aplicaciones médicas y quirúrgicas. Por otra parte, el rápido desarrollo de las tecnologías de diodos emisores de luz (LED) ha llevado a ia generalización de numerosos tipos de luminarias basados en este tipo de fuentes luminosas, con deseables características ce durabilidad, fiabiüdad y ba¡o consumo. Aigunos de ios aspectos tecnológicos más destacadas que deben resolverse en cada caso son ios referentes a la distribución espacia! de la luz emitida, tai como en ia patente ESI 076869, y ia propia distribución de emisores en las lámparas o luminarias, como en ios modelos de utilidad ES 1088169, ES2096710T3 y ES1067877U. Entre las aplicaciones de estas fuentes de luz destacan cables o tiras de tales diodos para usos ornarrienlales y decorativos y corno elementos en paneles de señalización o iluminación, como el descrito en el modelo de utilidad ES1076900U
Por otra parte, para captar imágenes en ios recintos y cavidades descritos se utilizan dispositivos tales como endoscopios y sistemas an logos, en ios que la imagen captada por una fibra óptica o una microcamara s tuada en si extremo de un elemento ce inserción es transmitida ai extenor Asimismo para realizar mecidas de propiedades ópticas en tales entornos se introducen en ios mismos diversos sistemas de captación de ia luz reflejada mediante fibras ópticas o pequeños sensores. Por su parte, para el control de dispositivos en un recinto o cavidad se utilizan mecanismos de comunicación radioeiéctrica o cableado de unión con los mismos
La invención prepuesta combina, en un único dispositivo, elementos que aportan un enfoque innovador a las limitaciones de ios referidos sistemas el caior generado por las fuentes luminosas y otros elementes activos es evacuado a través del elemento que le da forma y soporte estructural, ia forma de banda muiticapa permite disponer, simultáneamente y en el mismo dispositivo de emisores y receptores ce luz dotados, cada uno. de diversos elementos ópticos activos y pasivos que modulan o modifican las propiedades de la luz emitida y recibida Estos elementos adicionales tienen forma y geometría planar. a diferencia de las combinaciones de lentes y espejos propios de las fuentes luminosas tales como los referidos en las patentes EP1880139B1 . US20072633SCA1 y DE2020G50G7500U 1 y en dispositivos de colimación y concentración como el descrito en ia patente ES236339681 La geometría ce! dispositivo propuesto en forma de banda rnulticapa permite, asimismo, que sea de tamaño reducido y de fácil introducción en recintos de difícil acceso y la posibilidad ce fiexionarlo o moldear su forma permite adaptarlo a la forma de instrumentes o herramientas de uso común en cada aplicación. La combinación de estas características y les elementos Indicados posibilita que. en el mismo dispositivo, puedan realizarse simultanea o independientemente las funciones de iluminación , medida de propiedades ópticas, captación de imágenes y control óptico de otros dispositivos. DESCRI PCIÓN DE LAS FIGURAS
Para complementar la descripción de ia invención, se acompaña el siguiente conjunto de figuras como parte integrante de su descripción, con carácter ilustrativo y no limitativo.
Figura 1 .·· Esquerra general del dispositivo óptico pianar muiticapa.
( 1 ) Banda óptica
(2) Unidad de alimentación , regulación y control
(3) Haz de cables de conexión.
(25) Diodo emisor LED de aita luminosidad.
(26) Diodo emisor láser.
(27) Detector de tipo fotodiodo (puntual).
(28) Detector de tipo sensor matacía! de imagen.
(43) Margen de unión de las capas protectoras superior e inferior
Figura 2.■ Perfil de una banda óptica
(A8) Eje longitudinal de la banda óptica.
(C D) y (EF) Ejes que definen eí plano (sección o perfil) de la banda a io largo del eje longitudinal AS
(4) Capa protectora superior
(5) Capa óptica pasiva.
(6) Capa óptica activa
(7) Lámina disipadora térmica y de soporte estructural
(8) Capa de emisores (diodos LED y diodos láser)
(9) Capa de detectores (fotodiodos puntuales y sensores lineales y matriciaies)
(10) Capa magnética.
( 1 1 ) Capa protectora inlenor
( 1 2} Capa adhesiva.
(35) Cable de conexión térmica ce la iámina disipadora térmica y de soporte estructural
(37) Cables de alimentación eléctrica de la capa óptica activa, ia capa de emisores y la capa de detectores
(38) Cabios de control de la capa óptica activa, la capa de emisores y la capa de detectores.
(39) Disipador térmico de ia unid ad de alimentación, regulación y control. (40) Ranuras de salida del calor/aire calienta de la unidad de alimentación, regulación y control
(41 ) Fuente de alimentación de corriente continua de todos los elementos de la banda.
(42) Módulos de electrónica para generación de las señales de control de todos los elementos de la banda y para recepción y análisis de las señales generadas por los detectores
(44) Escala graduada de longitud
(45) Orificios para permitir ia ij ció mecánica de la banda
(46; Conjunto de conectares de alimentación eléctrica, conducción térmica, señales de control y datos
Figura 3. · Vista esquemática de ia disposición de las diferentes capas que componen una banda óptica.
( 1 3) Haz de luz emitido por un diodo L EO
(1 ) Haz de luz emitido por un diodo láser
( 1 5) Ventanas ópticas de cristal ulírafsno o plástico transparente en la capa óptica activa. ( 16; Ventanas ópticas de cristal uitrarno o plástico transparente en ;a napa óptica pasiva
( 1 7) Filtro óptico de color (en la capa óptica pasiva).
(1 8) Lámina difusora (en la capa óptica pasiva).
( 19) Recl de difracclon/bologrática (en la capa óptica pasiva) .
(20) Conjunto de mscroprismas (en ia capa óptica pasiva)
(21 ) Conjunto de icrolentes (en ia capa óptica pasiva) .
(22) Modulador espacial de luz o de costal l iquido (en la capa óptica activa ;
(23) icroiente de forma variable (en la capa óptica activa).
(24) Filtro variable (en la capa óptica activa)
(29) Cables de alimentación eléctrica de la capa óptica activa
(30) Cables de alimentación eléctrica de ia capa de emisores.
(31 ) Cables de alimentación eléctrica oe ia capa de detectores
(32) Cables de control de la capa óptica activa
(33) Cables de control oe la capa oe detectores
(34) Cables de control de la capa de emisores
(36) Huecos en ia lamina disipadora térmica y de soporte estructural Corresponden a las posiciones de los emisores y detectore Figura 4 ·· Vista esquemática (perfil) de una primera realización preferida de la presente invención, como dispositivo de iluminación
(47) Cono de luz con ángulo de 120° emitido por los diodos emisores LED
(48) Superficie que se desea iluminar (representada, por sencillez, como un plano paralelo a la banda óptica ; .
Figura 5 - Vista esquemática (perfil) de una segunda realización preferida de la presente invención, como dispositivo de análisis óptico del medio o de las paredes del recinto en ei que se inserta la banda
(o) Áng ulo de curvatura (flexión) del eje longitudinal de la banda óptica.
(4Ss Cono de luz con ángulo de 90* emitido par los diodos LED
(50) Haz emitido por ei diodo láser, de sección rectangular del mismo tamaño de la superficie activa de emisión.
(51 ) Superficie cuyas propiedades óptica se desea analizar
(52) Haz reflejado (o emitido per fluorescencia) por la superficie analizada
(53) Luz inc¡den?e sobre el detector (fotodiodo puntual) .
Figura 6. · Vista esquemática (perfil) ce una tercera eali ación preferida de la presente invención, como dispositivo de registro de Imágenes .
(54) Ventanas ópticas de cristal ultrafioo o plástico transparente en la capa protectora superior
(55) Haces de luz estructurada proyectados sobre ia superficie que se desea registrar
(56) Campo de visión angular captaoo por el prime sensor matricsa: de Imagen.
(57) Campo de visión angular captado por el segundo sensor rnatnciai de Imagen
Figura 7.- Vista esquemática (perfil) de una cuarta realización pretenda de ia presente invención , como dispositivo de control y comunicación (mediante señales luminosas) de otros dispositivos
(58) Dispositivo que se comunica/controla mediante señales luminosas
(59) Recinto/espacio (59) iluminado por la banda óptica
(60) Señales ópticas (datos y señales) emitidas por los dispositivos controlados por la banda óptica DESCRiPCiÓN DE L A INVENCIÓN
L a presen e invención se refiere a un dispositivo óptico portátil de iluminación, anáfisis, registro de im genes y control de dispositivos mediante emisión, modulación y detección de haces luminosos , compuesto de una estructura multicapa de elementos Opticos con forma de banda (o conjunto de tales unidades ;, ffexibíe(s), moldeableíss o rigida(s). conectaoa(s) con una unidad de alimentación, regulación y control
Cada banda óptica se compone de una pluralidad de elementos emisores de iuz (diodos emisores de luz {üght emiitmg d ode L E O) diodos láser (faser oVoo'e. L.D n en montaje superficial {surface mounted asede SMD). elementos detectores de iuz (puntuales, que reciben iuz y la convienen en una señal eléctrica, y sensores lineales y matnciaies. que permiten captar una imagen) y elementos ópticos activos y pasivos, todos dispuestos en capas superpuestas sobre una lámina disipadora térmica y de soporte estructural, y el correspondiente cableado de conexión (con la referida unidad de alimentación y control }, conformando una estructura plana? , con forma genérica de banda (o cinta), flexible, moldeable o rígida (según el material y dimensiones de la lámina de soporte estructural), de tamaño variable , envuelta o recubienta con un material plástico transparente dotado de escalas indicadoras de longitud y de orificios para su fijación mecánica Cada banda puede fijarse, asimismo, mediante adhesivos o Imanes a instrumentos, dispositivos o herramientas para permitir su uso en el mteoor de cavidades, oquedades y espacios reducidos o de difícil acceso
El tamaño de fas bandas esta principalmente determinado por las tecnolog ías ce los emisores y detectores utilizados en montaie superficial, sus características de consumo eléctrico y el tipo de datos o señales que emitan o reciban . Con las tecnologías actualmente disponibles, la dimensión transversal (ancho) de una banda puede ser desde unos 4 milímetros (mm) basta 15 mm. la dimensión longitudinal · largo) desde unos 30 m hasta unos 3C0 mm y el grosor (espesor) desde unos 3 mm basta 10 mm .
El presente dispositivo es de carácter modula?, de manera que un conjunto de bandas ópticas, dotadas de diversas agrupaciones de emisores y detectores de lu , puede combinarse con otras para conseguir múltiples configuraciones geométricas de diversas formas y tamaños, según la finalidad deseada Estas funciones son:
- iluminación de un recinto de difícil acceso (mediante la combinación de un conjunto de diodos emisores y. en su caso elementos ópticos difusores en la capa óptica pasiva). ·- análisis óptico de propiedades de; medio o reciento en el que se encuentra el dispositivo. Específicamente permite ia realización de medidas de reflectancia difusa, reg istro de ios espectros oe absorción o de fluorescencia , tanto estáticos como dinám icos (mediante ia com binación de vanos diodos emisores y detectores puntuales, lineales o matriCiales y. en su caso , disponiendo filtros, lentes o prismas en las capas ópticas activa y pasiva)
■■ registro de imágenes (mediante detectores de luz dei tipo sensores lineales o matrtclaies de imagen con lentes y filtros superpuestos) Específicamente, pueden registrarse imágenes del interior de cavidades y recintos de difícil acceso La combinación de proyecciones de haces de luz estructurada (con patrones generados por a capa óptica activa , iluminada por les diodos emisores) con ia captación i multánea o secuencia! de Imágenes en sensores matriciaies (dotados, en su caso, con lentes superpuestas en las ca pa óptica pasiva) permite obtener secuencias (o escaneados) de ¡m agenes b;d¡rnens!ona!es (2D) convencionales , pares estereoscópicos u otros conjuntos adecuados para obtener reconstrucciones o visuaiizaciones trid imensionales (3D) del recinto en el que se sitúa la banda
• comu nicación y control de dispositivos capaces de emitir y recibir pulsos luminosos o señales luminosas con inform ación codificada en amplitud, frecuencia, longitud de onda fase , polarización o cu alquier oir propiedad de las ondas y haces luminosos Esta codificación se consigue mediante la modulación o control de las propiedades de la luz emitida por los emisores y de las características de los elementos (de tipo cristal l iquido) que se disponen en la capa óptica activa, tanto sobre tos emisores como sobre los detectores.
Con referencia a ias figuras 1 . 2 y 3 adjuntas, ¡os elementos constitutivos y caracter ísticas de cada parte de ia invención descrita son los Siguientes
E n cada banda óptica , el orden relativo de las capas componentes es corno sigue (enumerado desde el espacio hacia donde se e ite la lu ) .
■ capa protectora superior (4 ) ,
■- capa óptica pasiva (5) ,
■· ca pa óptica activa (6) ,
- lámina disipadora térmica y de soporte estructural ( 7 j ,
- capa de elementos detectores (9) , - capa de elementos emisores (8).
·· capa magnética de fijación o capa plástica con ¡manes intercalados (10),
·· capa protectora inferior (1 1 ).
■■ capa adhesiva ( 1 2) para su fijación permanente o temporal.
Ei número y tipo concreto de capas en cada banda depende de la aplicación especifica a ia que se destine e! dispositivo.
Las características de cada una de ias capas que componen cada banda óptica son las siguientes:
Las capas protectoras superior (4) e míerio? ( 1 1 ). Son laminas de plástico o material similar transparente {ai menos, en su parte supenor}. flexibles, que recubren ei conjunto de ia banda uniéndose por su borde (48), configurando una envoltura que puede ser Impermeable, resistente a ia acción de agentes y deterioro exterior y posibilitando su limpieza y reutllizació Según el materia! del que se hagan las referidas capas y del procedimiento de aplicación (laminado en trio, encolado, piastificado térmico u otro), la envoltura generada mediante las capas protectoras unidas puede ser estefillzable o estar dotada de resistencia específica para posibilitar ei eso de la banda óptica en presencia de agentes físicos, biológicos o qu ímicos determinados. Específicamente, cada banda óptica y sus conecíores y cableado pueden recubrirse o envolverse con capas protectoras transparentes y blocompatibles. adecuadas para estar en contacto directo con tejidos y órganos humanos o animales u otros materiales biológicos.
En cualquier caso, ei procedimiento de depósito y unión de las capas protectoras superior e inferior cebe ser tal que no produzca daño ni modificación en ios elementos y componentes ópticos y electrónicos de las otras capas. L as capas protectoras superior (4) s inferior { 1 1 ) pueden unirse alrededor de la banda óptica constituyendo una cubierta aislante cerrada y, en su caso, hermética, de manera tal que las capas protectoras unidas sobresalgan a ambos lados y por los extremos de la banda cpi.ca en forma de una zona exterior (margen o reborde) (43) Este margen puede recortarse con la forma deseada (por ejemplo, en forma curva en sus esquinas) y marcarse con Indicadores de posición o longitud ( 14), graduados en las unidades necesarias (típicamente, milímetros) para facilitar la medida de la profundidad de inserción de ia banda óptica en un espacio determinado (por ejemplo, en oquedades de difícil acceso) . Asimismo, el referido borde (43) puede troquelarse con orificios o ranuras ( 1 5) ce la forma y tamaño deseados, situados con ei espaciado adecuado entre ios mismos para posibilitar el uso oe cables, hilos, alambres, tomillos u otros elementos de fijación o anclaje mecánico. La capa de elementos emisores do luz (3): Consta de una piuraikia de diodos emisores de \K¡Z {LED) de pequeño tamaño y alta luminosidad y. en su caso, de diodos láser (LD), montados de forma superficial (SMD), sobre una cinta plástica flexible, en la que se integran, asimismo, ios elementos electrónicos adicionales (resistencias, diodos) y cableado necesarios para su correcta alimentación y control.
Los diodos LED pueden ser emisores de alia luminosidad, de diversos tipos, tales co o emisores monocromáticos {emiten una única longitud de onda o color) policromáticos (emiten un conjunto discreto de longitudes de onoa o colores), de luz blanca (emiten luz de color resultante blanco) o de color regulable (red~green-blue. RGB) (emiten luz de color resultante seleccionadle por el escaño).
Los diodos láser (LD) pueden ser de diversos tipos existentes que puedan montarse sobre la referida banda.
Las corrientes y tensiones (voltajes o diferencias de potencial eléctrico) que regulan la intensidad y, en su caso , el color de la luz emitida por los diodos LED o LD. asi co o, en su caso, so modulación en amplitud, frecuencia o fase, se controlan desde la unidad externa de alimentación Los emisores LED o LD pueden ser controlados Individualmente o en agrupaciones (típicamente, de dos o tres unidades) . L as posiciones preferentes oe estos emisores LED o LD son consecutivas, alineadas siguiendo el eje longitudinal de la banda.
La capa de elementos detectores de luz (9): Consta de una pluralidad de detectores puntuales, lineales y matnciaies cuyas posiciones están intercaladas entre los elementos emisores, o consecutivas con ios mismos, según el tipo de aplicación especifica requerida. Los detectores y su cableado están situados sobre la capa de elementos emisores, de manera que ambos tipos de elementos (emisores y detectores) estén, a su vez. en contacto térmico con la lámina disipadora térmica.
Los detectores puntuales son totediodos, fototransistores y foicrresistencias que proporcionan una señal eléctrica (voltaje o comente) relacionada con la intensidad y características de la luz recibida
L os detectores lineales y matr ¡cíales son elementos en forma de consuntos (arraya) lineales o matnciales de elementos individuales que configuran un sensor capaz de captar una imagen. Los detectores ele imagen lineales y matrloiales pueden ser dispositivos de carga acopiada {cherge-coupted rjeviae, CCD) . dispositivos de pieles activos como los de tipo semiconductor complementario de oxido metálico {cmnpimnmtary mfítal-oxiüe-SBmiconduclor, CMOS) y ele otros tipos. En su caso , y dotados de ios elementos electrónicos adicionales necesarios , los detectores pueden permitir la conversión de las señales luminosas en señales digitales o datos binarios en d istintos formatos
La lámin disipadora térmica y de soporte estructural ( ?}, Es una cinta (lámina) de un buen conductor érmico (preferentemente, metá lico) Oe un espesor típico de 0 05 - 3 0 rom . dotada de orificios de forma y tamaño adecuados en las posiciones de ios emisores y detectores , y situada en contacto directo con ia capa óptica activa (6) y las capas de emisores (8) y detectores (9) . Este contacto -y ia fijación entre las capas- puede mejor ar se mediante la aplicación de masilla o pegamento térmico entre ellas , para permitir el flujo de calor hacia la lámina disipadora pero sin q ue haya contacto eléctrico entre ias capas.
El material, la forma y ias dimensiones de ia lámina térmica y de soporte estructural determinan las características de flexibil idad , maleabilidad y rigidez estructural deseadas para la banda . Por ejemplo, si se requiere poder adaptar su for ma para adherirlo o fiiario 3 un instrumento o herramienta determinado, la l ámi na puede realizarse en cobre con un espesor del orden de 0 05 -0 5 rom Por el contrario, si se requiere que la banda sea rígida , esta lam ina puede ser de aluminio u otro material análogo , con un espesor de 0.2- 3.0 rom. Al tratarse , en todo caso, de un material buen conductor térmico se posibilita ia evacuación del calor generado por ios elementos Opticos activos hada ia unidad externa de regulación y control , donde se disipa de forma pasiva o , en su caso, mediante ventiladores o refrigeradores activos , oomo ios módulos termoeléctricos utilizados en aplicaciones electrónicas portátiles
La capa óptica activa (ó) . Consta de elementos ópticos planos activos , preferentemente láminas de costal liq uido, moduladores espaciales de luz. obturadores , lentes de forma variable mediante control eléctrico y filtros regulables, todos ellos insertados en una lámina de soporte flexible (preferentemente de plástico) en la que se integran los elementos electrónicos y cableado necesarios para su correcta alimentación y control £i tamaño de los elementos activos es el adecuado para situarse sobre los emisores o sobre los detectores. Al disponerse esta capa ópnca activa
- sobre ios emisores: permite la modulación de la luz. em itida po? los m ismos en pulsos de duración y frecuencia regulable , así como el control de la amplitud y la fase de la luz em itida por cada em isor.
• sobre los detectores- permite modular o filtrar la luz incidente sobre los mismos. L a capa óptica pasiva (5) . Consta da un conjunte de elementos ópticos insertados, grabados o troquelados en una lámina soporte de matenal adecuado , preferentemente de material plástico , i ncluye elementos refractantes (lentes, micro-lentes y otros) , reflectantes (espejos, ranuras y otros), difractantes (redes de difracción , hoíograrnas y otros), dispersantes (prismas, microprismas y otros) y difusores (difusores lamberearos y oíros) para dirigir o filtrar tanto los haces luminosos emitidos por los emisores como ios haces luminosos recaídos por lo» detectores, en las direcciones deseadas y con los niveles de potencia e intensidad luminosa adecuados par a cada aplicación especifica
Específicamente, ios elementos cié ias capas ópticas activa y pasiva situados sobre los eiernentos detectores permiten filtrar ia luz recibida por los mismos según el tipo de anaiiSiS o reg istro de imágenes que se desee realizar.
La capa magnética de fijación ( 10). Es una cinta flexible de m aterial magnético que se adhiere por una cara a ia par e inferior de ia capa en la q ue se sitúan los emisores y receptores de luz. Al estar magnetizada permite ia fijación permanente o temporal a piezas , instrumentos o herramientas ce diversas form as y características (de tipo ferro ag nético con ei i de poder usar el dispositivo descrito en esta Invención en el interior de espacios diversos , incluyendo cavidades , oquedades y espacios de difícil acceso. La intensidad de la fuerza magnética de atracción depende de ias características de la propia cinta , encontrándose últiple opciones comerciales Debe escogerse una cinta con fuerza magnética tal que permita la fijación de la banda óptica a una superficie íerro agnética teniendo en cuenta ei espesor oe la capa protectora inferior ( 1 1 )
Fn aquellas situaciones en que no Interese la creación de una zona de campo magnético a io largo de toda la Panda óptica , la capa magnética de fijación ( 0) puede sustituirse por una plástica con imanes intercalados o. sim lemente, por una capa de material adhesivo de fijación (1 2) , adherido a la parte exterior de la capa protectora inferior . Asim ismo, una Panda óptica sin capa magnética ni adhesiva también puede fijar se o anclarse mecánicamente (mediante tornillos , hilos, alam bres o suturas) usando ios orificios ( 1 5) situados en ei margen (43) generado por la unión de las capas protectoras superior (4) e inferior ( "1 1 ).
La unidad independiente de alimentación y control : Es una unidad q ue contiene a) una fuente de alimentación continua de bajo voltaje, preferentemente 1 2V- o 247. que proporciona ia tensión y corriente eléctrica necesarias a los elementos activos de la banca Optica conectada con la misma. La alimentación de la banda óptica es proporcionada por bate ias. acumuladores o elementos análogos. Esta alimentación es particularmente apropiada para bandas ópticas que vayan a utilizarse en espacios recintos o cavidades donde sea preciso evitar cualquier posible riesgo derivado del uso tensiones elevadas como en las aplicaciones en medicina, cirugía, biología o veterinaria, o en aplicaciones industriales en atmosferas químicamente reactivas, incendiarias, o explosivas
b) un conjunto de elementos disipadores pasivos, tipo aletas, o activos: tipo ventiladores o módulos termoeléctricos, que disipan ei calor generado por los elementos actives situados en la banda óptica . Estos disipadores son necesarios para evacuar el calor generado per los elementos ópticos activos (situados en la banda activa), y ios emisores y detectores de luz (situados en sus bandas correspondientes Este calor es transmitido por la lamina disipadora térmica desde ios elementos en los que se produce hasta \& referida unidad de controi a través de un cable conductor del calor, puesto que los elementos disipadores establecen una diferencia de temperatura (y, en consecuencia , un gradiente térmico) entre ellos y la banda
o) la circuiteria electrónica que genera , transmite , adapta, y modula las señales de control de las propiedades y características de los elementos Ópticos activos
d) la circuiteria electrónica que genera, transmite, adapta, y modula las señales que son convertidas por los emisores en secuencias de pulsos luminosos de la amplitud, frecuencia, longitud de onda , fase y polarización requeridas para conseguir la activación y comunicación con elementos detectores que se encuentren situados en ei entorno de la banda que las emite, y
e) la circuiteria electrónica que recibe, decodsfica y almacena las señales recibidas por los detectores situados en la banda óptica
AdiCionai ente, esta unidad de control puede conectarse con un ordenador, un sistema de y al acenamiento de datos o dispositivo análogo , mediante cableado o de forma inalámbrica.
La alimentación eléctrica, las señales de control y modulación ge la luz emitida y las señales y dates generados por ios detectores se transmiten hacia las banda/s óptica/s y desde eüa/s a la unidad de alimentación y control mediante un conjunto de cables específicos, dotados de los conectares adecuados en sus extremos. La lámina disipadcra térmica se conecta mediante un conector adecuado a un cable buen conductor del calor (por ejemplo, de cobre) El conjunto de los cables de conexión eléctrica y térmica puede estar agrupado en forma de un haz, conductores coaxiales, cable plano o de otro tipo. El cableado puede estar recubierto por materiales que se puedan limpiar y, en su caso, esterilizar
Tanto ia banda óptica como la unidad externa de alimentación, regulación y control pueden se portátiles Asimismo, cada banda óptica y sus canecieres, envolturas y cableado de conexión pueden ser realizables, reciclables o desechadles
Con la configuración básica descrita , se pueden optimizar los parámetros geométricos, ópticos, electrónicos y de montaje para diferentes aplicaciones específicas. En algunas de ellas, corno el uso como dispositivo de Iluminación propuesto, la invención descrita puede fabricarse con dispositivos y tecnologías comerciaimente disponibles, en un rango muy ampfio de costes y prestaciones, posibilitando su implementacíón en forma de dispositivos economices y coste -efectivos
MODO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCION
Con referencia a las figuras adjuntas, la presente invención se refiere a un dispositivo óptico portátil de iluminación, análisis, registro de imágenes y control ce dispositivos mediante emisión, modulación y recepción de haces luminosos, compuesto de una banda óptica multicapa { 1 } (o conjunto de ellas) conectada con una unidad de alimentación, regulación y control (2; por un conjunto de cables de conexión eléctrica y térmica (3).
Cada banda óptica se compone de una pluralidad de emisores de luz (diodos LED y diodos láser), detectores de luz {puntuales, lineales y mainciales) y elementos ópticos activos y pasivos dispuestos en capas superpuestas con una lámina disipadora térmica y de soporte estructural y el correspondiente capieado de conexión con la unidad de alimentación y control Una vez definidas las características gener ales de la invención propuesta, se presentan a continuación un conjunto de cuatro modos preferentes o ejemplos ce realización de la misma.
Modo de realización 1 Dispositivo de Iluminación.
Esta realización tiene un campo de aplicaciones especificas co o dispositivo de iluminación en cavidades, recintos y oquedades del interior de conjuntos complejos de múltiples piezas, como en la industria de la automoción, en ia inspección del Inferior de motores y conductos tales como tuberías y circuitos de fluidos y gases, y en procedimientos de cirugía mínimamente invasiva o de intervención quirúrgica en campo profundo. Como se muestra en ia figura 4, a modo de ejemplo, ia banda óptica (1 ) está dotada de un cierto número de diodos emisores LEO iguales (25), de luz blanca y de alta luminosidad, en montaje superficial (tecnología SMD). Cada uno de ellos emite un cono de luz con ángulo de 1 20° (47! . El numero de diodos emisores, su potencia y sus posiciones relativas se determinan por ei nivel de iluminación deseado en la superficie (48) que se desea iluminar . Ei control de la intensidad de la l uz emitida se realiza mediante un circuito regulador situado en la unidad de alimentación, regulación y control. Según el numero de diodos emisores instalados y su potencia, se determina el espesor de ia lámina disipadora térmica y de soporte estructural Co o ejemplo , con un conjunto de 6 diodos de luz blanca de 800 lumen, montados en una banda SMD de unos 10 rnm de ancho, SO mm de longitud y 4 rom de grosor, la banda óptica resultante tendría unos 80-90 mm de longitud y unos 1 0- 1 5 mm de ancho (incluyendo ios margenes (43) para los orificios de fijación mecánica y la escala graduada de longitud) . Como los referidos diodos consumen una potencia de unos 1 5 W, la lámina disipadora estaría realizada en una lámina de cobre de 0 1 -0 3 rnm de espesor SI se usan diodos de tipo RGB, de color variable, el control de la luz emitida por estos también se regula en la unidad de alimentación, regulación y control
Usando los referidos diodos y materiales, el dispositivo montado según esta realización puede ser de bajo coste, posibilitando una construcción y montaje sencillo y económico.
Modo de realización 2: Dispositivo para análisis óptico
Esta realización oe la invención propuesta se destina al ám bito del análisis de propiedades ópticas de materiales En particular , permite ia realización de medidas de reflectancia difusa, ia obtención ce ios espectros de absorción y de fluorescencia , tanto estáticos como dinámicos, oe las paredes (o medio) en el que se refleja la luz emitida por la banda Estas medidas se realizan mediante ia combinación y sincronización oe la emisión de haces continuos o púlsanos desde uno o vanos diodos emisores con la recepción en uno o vanos detectores puntuales, lineales o rnatncsales dotados, en su caso, tanto los emisores co o ios detectores , oe filtros, lentes o prismas en la/s capas opfica/s pasiva y activa
Como se muestra en la figura 5, a modo de ejemplo, la banda óptica ( 1 ) está dolada de dos diodos emisores LED ¡guales (25) y un diodo láser {26} y un detector de tipo fotodiodo (27) Cada uno de los diodos LED emite un cono de luz con ángulo de 90° (49) y los diodos láser emiten un haz de sección rectangular del mismo tamaño de ia superficie activa de emisión (50) . Ei numero de diodos emisores (i. ED y láser), sus potencias y sus posiciones relativas se determinan por ei nivel de iluminación deseado en la superficie (51 ) que se desea a.naiizar £1 tipo de elementos situados en las capas Opticas activa y pasiva se determinan según ías propiedades deseadas en la luz emitida por ios emisores y en la recibida por los detectores La luz emitida por los diodos LED (25) y los diodos iáser (26) incide sobre la superficie objeto deí análisis (51 ) y tras reí!ejarse; transmitirse, refractarse o difractarse en la misma (52) es captada (53) por el detector (27). La banda óptica (1 ) está curvada un ángulo α para facilitar la incidencia (sobre ios detectores) de ía íuz reflejada por las paredes del recinto
Según ei tipo do análisis que se desee realizar, los diodos emisores pueden generar un conjunto de varias longitudes de onda (colores) o. como el diodo láser, ser monocromáticos y emitir un único color Sus características eléctricas son similares a las recogidas en la realización 1 anterior. Los detectores pueden ser íotcdiocos sensibles en ios rangos visible e infrarrojo cercano (tipicamente. desde unos 400 nanometros (nm) a unos 850 nm) con un consumo eléctrico del orden de 0.1 VV. Las dimensiones de ía banda óptica con ios elementos anteriores serian unos 100 mm de longitud, 10-12 mrn de anchura y 4-6 mm de espesor Los elementos de la capa óptica pasiva pueden incluir filtros ópticos que determinen los rangos de longitudes de onda recibida por ios detectores y, por ejemplo, eliminen la luz ambiente de manera que sobre ios detectores únicamente incidan las longitudes de onda (colores) de interés. Para la medida de ios espectros de absorción en régimen estacionario, ia luz se emite ce manera continua y los detectores se mantienen activos (recibiendo) durante ei intervalo de tiempo necesario para que la señal sea recogida con ía relación señal-ruido adecuada Por su parte, para la realización de medidas en régimen dinámico. ía unidad de alimentación regulación y control debe emitir señales de sincronización para que la emisión y recepción de ios haces luminosos generados por los emisores y recibida por los detectores se realice en ios intervalos temporales o siguiendo los pi.¡h.o ce duración y frecuencia necesarios
Para la medida de espectros de fluorescencia, la longitud de onda emitida debe ser la adecuada para estimular el correspondiente fenómeno de fluorescencia en el medio o recinto sobre el que incide la luz. Por ejemplo, para el uso de este dispositivo en Intervenciones de cirugía en las que se necesite medir la fluorescencia vascular, los diodos emisores deben emitir longitudes de onda en el rango infrarrojo cercano y los detectores deben recibir longitudes de onda en ei rango visible Si interesa medir la fluorescencia oncológica, los emisores deben generar haces de luz en el espectro ultravioleta cercano y los detectores deben medir en el rango visible En esta realización, ia capa protectora superior cebe incluir, insertados en ia misma, ventanas ópticas transparentes situadas en las posiciones correspondientes a ios emisores y detectores de luz. Estas ventanas pueden estar realizadas en plástico transparente o. si se requiere aita calidad o características específicas de transmisión (por ejemplo, para ias longitudes de onda en los rangos ultravioleta e infrarrojo), en cristal uitraf-nc de características adecuadas.
MOGO de realización 3 Dispositivo para registro de imágenes
Esta realización de ia invención propuesta permite la captación de imágenes mediante delectores de tipo sensor de imagen (lineales o matriciales) dotados, en su caso, con filtros y lentes superpuestas en las capas ópticas (activa y pasiva) La proyección de haces de luz estructurada con patrones generados por ;a capa óptica activa, iluminada por los diodos emisores, y la captación simultánea o secuencia! de ¡as correspondientes imágenes permite obtener secuencias (escapeados) de imágenes bidimensionaies (2D) convencionales, pares estereoscópicos u otros conjuntos adecuados para obtener reconstrucciones o visuaíizaclones íridimensionaies (3D) del recinto en el que se sitúa la banda Esto puede resultar de particular interés en el interior de cavidades y recintos de difícil acceso, en los que no resulta posible introducir otros tipos de cámaras.
Con referencia a la figura 6 adjunta, y a modo de ejemplo, ia banda Optica (1 ) está angulada (un ángulo a) y dotada de dos diodos emisores LED (25) y dos detectores de tipo sensores matnciales de imagen (28) Delante ce cada emisor (25). hay un modulador espacial de luz o de cristal liquide (54) en la capa óptica activa Estos elementos generan un conjunto de lineas, retículas o figuras de diferentes formas, como circunferencias, cruces, y otras (56) que, ai ser iluminadas por la luz emitida, definen un patrón de luz estructurada que se proyecta sobre la superficie (51 ) que se desea escanear en tres dimensiones
Los sensores de imagen (28) pueden registrar imágenes zD (fotografías) convencionales pero con las diferencias angulares definidas por ios ángulos entre sus ejes ópticos Como ejemplo, se muestra el ángulo o Los elementos ópticos situados en las capas activa y pasiva determinan los campos ele visión (56. 57) captados por los sensores malnclales.
Modo de realización . Dispositivo para control y comunicación óptica con otros dispositivos.
En esta realización, ia unidad de control - genera o transmite a ia/s banda/s conectadas con alia ¡as señales que deban ser convertidas por ios diodos emisores en secuencias de pulsos luminosos de ia amplitud frecuencia, longitud de onda, fase y polarización requeridas para conseguir la activación o comunicación con otros dispositivos dotados de detectores ópticos que se encuentren situados en el entorno de ia banda que las emite
·· recsbe y decodifica las señales luminosas generadas por los detectores cuando sobre ellos inciden ios haces o señales luminosas emitida por otros dispositivos dotados de emisores de luz situados en el entorno de ¡a banda que ias recibe.
Esta forma de activación o control de dispositivos (y. en su caso, oe comunicación con ios mismos) presenta ias caracter ísticas de ser inalámbrica, de gran rapidez, sin generar ni ser sometida a perturbaciones o interferencias electromagnéticas (tales co o corrientes chispas o arcos voltaicos y otras) Por todo ello, este modo de realización de la invención propuesta puede ser particularmente adecuada para su uso en entornos en los que sea preciso evitar tales riesgos, como las aplicaciones en recintos con atmósferas químicamente reactivas, explosivas o incendiarias, o en el interior del cuerpo humano, animales u organismos biológicos.
Con referencia a ia figura 7 adjunta, a modo de ejemplo, la banda óptica (1 ) está dotada de dos diodos emisores I..EC iguales (25) y dos detectores de tipo fotodiodo (27). Cada uno de los diodos LED emite un cono con áng ulo de 120Λ (47) y ia luz emitida está modulada por las señales generadas por ia unidad de alimentación , regulación y control (2).
Por otra parte , las señales ópticas (60) emitidas por otros dispositivos en el entorno de la banda óptica son recibidas por Sos detectores (2?) y transmitidas a la unidad de aiimentación, regulación y control (2)
El número de diodos emisores, sus potencias y sus posiciones relativas se determinan por ei nivel de iluminación necesario para establecer la comunicación con los dispositivos (58) El tipo de elementos situados en las capas ópticas activa y pasiva se determinan según las propiedades deseadas en la luz emitida por los emisores y la recibida por los detectores El cableado de conexión (3) une ia banda óptica ( 1 ) con le unidad de alimentación, regulación y control (2)
Algunos aspectos comunes a los distintos modos de realización son los siguientes'
- El cableado de conexión (3) se compone de cables convencionales, incluyendo aquellos de transmisión oe la alimentación eléctrica, los de transmisión de señales de control desde la unidad de alimentación, regulación y control a los elementos activos de las bandas, los de transmisión ce ías señales y datos generados per los detectores y un cable conductor térmico para conexión de ia lámina disipadora con eí elemento disipador de ¡a uni iad de alimentación, regulación y control.
- En todas sus aplicaciones, ia invención actúa a partir de ¡a alimentación eléctrica proporcionada por !a unidad de alimentación, regulación y control (2) Esta alimentación será de corriente continua, baja tensión ( 12 voitios o 24 voltios), según el tipo de diodos y otros elementos activos, proporcionada por baterías, acumuladores c elementos similares dispuestos en la referida unidad Esta es portátil, operando en comente continua de baja tensión para evitar Sos posibles riesgos eiéctricos derivados del uso de corriente alterna, permitiendo asi su uso corno dispositiva en contacto directo con el cuerpo humano, animales u organismos biológicos, recintos con atmósferas de gases explosivos, inflamables y otros.
- Las capas protectoras superior (4) e inferior (11 ) pueden realizarse en material plástico de distintos tipos, según ei medio o entorno en ei que vayan a disponerse las bandas ópticas.
- Los materiales, forma, tamaño y disposición de los elementos y las capas son susceptibles de variaciones que no supongan alteraciones a la esenciaiidad de ia invención.

Claims

REIVI N DICACIONES
■ Dispositivo óptico planar muiticapa caracterizado porque comprende:
a) Una banda óptica muiticapa flexible, rnoldeabie o rígida (1 ) o conjunto le ellas, estando constituida cada una por las Siguientes capas siendo el orden relativo de las capas componentes corno sigue enumerado desde ei espacio hacia donde se emite la luz
Una capa protectora superior (4)
Capa óptica pasiva (5)
Capa óptica activa (6)
Lámina disipadora térm ica y de soporte estructura! { ?)
Capa de elementos detectores de iuz (9)
Capa de elementos emisores de luz (8)
Capa mag nética de fijación o capa plástica con ¡manes intercalados ( 1 0;
Una capa protectora inferior { 1 1 }.
Una capa de matenai adhesivo ( 1 2) para su fijación permanente o temporal ó) Unidad de alimentación, regulación y control (2) y
c) Conjunto de cableado térmico y eléctrico de conexión (3).
para iluminación , análisis óptico, registro ce imágenes y control de dispositivos mediante emisión, modulación y recepción de haces luminosos.
2. Dispositivo óptico planar muiticapa según reivindicación anterior caracterizado porque las capas protectoras superior e inferior se unen por sus lados configurando una envoltura hermética, cerrada por su perímetro. De esta manera, ia banda óptica puede usarse en recintos espacios, cavidades u oquedades rellenos de material fluido o l íquidos sin que éstos hagan contacto con los elementos y capas contenidos dentro del envoltorio definido por las capas protectoras unidas.
3 Dispositivo óptico planar muiticapa según reivindicaciones anteriores caracterizado porque la capa óptica pasiva está constituida por elementos refractantes, reflectantes, difractantes, dispersantes y difusores insertados, grabados o troquelados en una lamina soporte de material adecuado, preferentemente de material plástico
4. Dispositivo óptico p!anar muiticapa según reivindicaciones anteriores caracterizado porque ia capa óptica activa está constituida por un conjunto de elementos pianos activos, preferentemente de cristal líquido, moduladores espaciales de luz. obturadores, lentes de forma variable mediante centro! eléctrico y filtros regulables insertados en una lámina de soporte flexibie en la que se integran los elementos electrónicos y cableado necesarios para su correcta aumentación y control
5 Dispositivo óptico pianar multicapa según reivindicaciones anteriores caracterizado porque la lámina disipadora térmica y de soporte estructural ce la banda óptica es una cinta de un buen conductor térmico, preferentemente metalice, de un espesor que oscila entre 0.05 mm y 3 mm. dotada ce huecos en las posiciones de ios emisores y ios detectores, en contacto directo con ios mismos y con la capa óptica activa, de manera que permite ia disipación de! calor generado por los elementos ópticos activos, emisores y detectores hacia la unidad externa de regulación y control
6. Dispositivo óptico pianar multicapa según reivindicación 5 caracterizado porque la lámina disipadora térmica y de soporte estructural es de material de cobre o similar, con un espesor que oscila entre 0,05 mm y 0.5 m para una banca óptica flexible o maieabie.
7 Dispositivo óptico pianar multicapa según reivindicación 5 caracterizado porque la lamina disipadora térmica y de soporte estructura; es de material de aluminio o similar, con un espesor que oscila entre 0,2 mm y 3 m para una banda óptica rígida
8. Dispositivo óptico pianar multicapa según reivindicaciones anteriores caracterizado porque la capa de elementos emisores de luz consta de un conjunto de diodos emisores de luz (LED) de alfa luminosidad o diodos láser (LD), montados de forma superficial (S D) sobre una muta soporte, en contacto térmico con ia lamina disipadora térmica y en la que se integran los elementos electrónicos adicionales y cableado necesarios para su correcta alimentación y control.
9 Dispositivo óptico pianar muiticapa según reivindicaciones anteriores caracterizado porque la capa de elementos detectores de luz consta de un conjunto de detectores cuyas posiciones están intercaladas o consecutivas con ios elementos emisores, Situados sobre su misma capa y en contacto térrico con ia lámina disipadora térmica.
10. Dispositivo óptico pianar muiticapa según reivindicaciones anteriores caracterizado porque ia unidad ce alimentación, regulación y control consta de a) una fuente de alimentación continua de bajo voitaje, preferentemente 12V o 24 V. que proporciona ia tensión y corriente eléctrica necesarias a ios eiernentos activos de ia banda óptica conectada con la misma:
b) un conjunto de eiernentos disipadores pasivos, tipo aletas, o activos, tipo ventiladores o módulos termoeléctricos, que disipan el calor generado por los elementos activos situados en ia banda óptica, y
c) la circuiterta electrónica que genera, transmite, adapta, y modula las señales de control ce las propiedades y características de ios elementos ópteos activos, o) la Circuiiería electrónica que genera, transmite, adapta, y modula las señales que son convertidas por los diodos emisores en secuencias de pulsos luminosos de la ampüiud. frecuencia, longitud de onda, fase y polarización requeridas para conseguir la activación y comunicación con otros elementos detectores de luz que se encijentren situados en el entorno de la banda que las emite, y
e) la circuiiería electrónica que recibe, desedifica y almacena las señales recibidas por los detectores situados en ia banda óptica
1 1 . Dispositivo óptico placar muiticapa según reivindicaciones anteriores caracterizado porque el conjunto de cableado térmico y eléctrico de conexión está dotado oe cocedores en sus exiremos a la banda óptica y a la unidad de alimentación y control que transmiten el calor generado en la banda óptica, la alimentación eléctrica, las señales ele control y modulación óe la luz emitida y las señales y datos generados por los detectores.
1 2 Dispositivo óptico pianar muiticapa según reivindicaciones anteriores caracterizado porque el cableado está recubierto de material biocompatibie y esteriiizabie par ser reutilizable, reciclable o desechadle.
1 3. Uso del dispositivo desculo en las reivindicaciones anteriores para la Iluminación, análisis óptico, captación de imágenes y control óptico de otros dispositivos., en recintos, cavidades, oquedades y espacios de difícil acceso , preferentemente en los sectores de autorooción, motores y conducciones de gases y fiuidos asi como en medicina , cirugía, odontología, biología y veterinari
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