ES2363396A1 - Sistema optico de colimacion o concentracion de radiacion luminosa. - Google Patents
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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
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, en caso de que trabaje en sentido inverso,
permite la concentración de la radiación luminosa con distintos
grados de colimación sobre una superficie determinada.
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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 180º, mediante reflexiones internas de la luz en un
dieléctrico (también se habla del caso de 360º). 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 dé aberraciones
cromáticas.
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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 \gamma 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 \delta1.
Como se puede ver en la figura 2 b) y de una
forma más detallada en la figura 7:
Esto nos lleva a que la superficie (2) debe ser
una parábola girada un ángulo en sentido antihorario definido
por:
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:
o, lo que es lo mismo, si se ha
determinado el ángulo \gamma, entonces se encuentra el ángulo
\alpha:
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 \zeta 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.
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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:
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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 90º.
Figura 9.- Muestra Flujo total de salida en
función del ángulo de inclinación de la parábola para una emisión de
80º.
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.
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Una vez definida la geometría del sistema y los
parámetros que caracterizan la misma, a continuación se presentan
ejemplos de optimización de dichos parámetros.
\vskip1.000000\baselineskip
Se procedió a determinar el valor del ángulo de
rotación de la parábola \alpha 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 90º,
el flujo emitido \Phi paralelo al eje óptico del sistema (5) se
describe mediante la siguiente ecuación:
Sustituyendo el ángulo sólido \Omega por el
ángulo de emisión de la fuente \beta, y expresando la
transmitancia T en función de la reflectancia R:
se obtiene la siguiente
ecuación:
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].
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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:
Siendo \theta_{1}, y \theta_{2}, los ángulos
de entrada y de salida a la superficie estudiada
respectivamente.
Ahora, para poder calcular la integral del
flujo, es necesario despejar \theta_{1}, y \theta_{2} en función
del ángulo de emisión \beta, 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:
Mediante un desarrollo teórico se obtienen los
ángulos de incidencia, \theta_{1}, y transmitancia, \theta_{2},
en función del ángulo de emisión \beta:
Análisis del ángulo de incidencia y
transmisión en la parábola (2) y en la sección recta de la parte
cónica de la superficie (3).
Parábola (2)
\newpage
Sección recta de la parte cónica de la
superficie (3)
Estas relaciones aparecen reflejadas en la
figura 8. En esta figura el eje de abscisas representa el ángulo de
inclinación de la parábola \alpha 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.
Semiángulo de divergencia de la fuente 90º.
Resultado máxima eficiencia ángulo
inclinación\alpha =16.9º.
\vskip1.000000\baselineskip
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 80º.
Resultado máxima eficiencia angulo
inclinación\alpha =17.9º tal y como aparece reflejado en la
figura 9. En esta figura el eje de abscisas representa el ángulo de
inclinación de la parábola \alpha 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.
\vskip1.000000\baselineskip
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.
\vskip1.000000\baselineskip
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
\lambda=550 nm 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 3,69 mm.
El tamaño angular \gamma 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 \gamma de inclinación de la
superficie (3) se calcula el ángulo \alpha de giro de la
superficie parabólica (2), que en este caso son 38,38º. 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 n_{1}=1.49 y aire n_{2}=1.
Claims (4)
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.
\vskip1.000000\baselineskip
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).
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| ES201000068A ES2363396B1 (es) | 2010-01-20 | 2010-01-20 | Sistema optico de colimacion o concentracion de radiacion luminosa |
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Also Published As
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2363396 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B1 Effective date: 20120830 |