ES2363396B1 - OPTICAL SYSTEM OF COLIMATION OR CONCENTRATION OF LIGHT RADIATION - Google Patents

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.Optical system of collimation or concentration of light radiation. The present invention relates to an optical system that allows obtaining a high level of collimation from a light source or allows the concentration of radiation with different degrees of collimation on a given surface. The system comprises two zones: zone 1 includes a surface (1) that has the geometry of a Cartesian ellipsoid, captures the light from the light source (4) of the system and collimates said light by a single refraction; Zone 2 includes two parts: a parabola (2) that reflects the collimated light in zone 1 and a conical surface (3) of straight section where the light reflected in the parabola (2) undergoes a refraction and leaves parallel to the optical axis (5) of the system. When the collimation system works in the opposite direction, it behaves like a radiation concentrator. With this basic configuration, the parameters that define the system can be optimized through the use of mathematical models.

Description

Sistema óptico de colimación o concentración de radiación luminosa. Optical system of collimation or concentration of light radiation.

Objeto de la invención Object of the invention

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. The present invention refers to an optical system that allows a high level of collimation to be obtained from a light source or, if it works in the opposite direction, allows the concentration of light radiation with different degrees of collimation on a surface determined.

Antecedentes de la invención Background of the invention

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. The collimation of the light generated by a light source allows to obtain high intensities of light in the direction of collimation and therefore makes it possible to perceive it over great distances or to illuminate surfaces from remote locations with great efficiency. If the system works in the opposite direction, that is to say as a light concentrator, it allows the light of a collimated source to be concentrated on a small surface, as is done in high concentration photovoltaic systems in which it is tried to reduce the surface to the maximum of cell used.

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. The incorporation of LEDs into the field of signage for 10 years has been unstoppable due to the advantages that they incorporate compared to other sources of light used historically. These advantages are essentially based on their low consumption, high efficiency, spectral emission, possibility of continuous flux variation and vibration safety.

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. The incorporation of LEDs to the lighting market in architecture and signage in the last 3 years has marked an imperative need for the development of optical systems that allow their application to such an environment. We can see how the catalogs of the best houses have been incorporating products based on this type of sources: Erco, LLedó, Philips, etc ... In general this type of devices does not require a high degree of collimation, although in certain cases this does It’s like that. Collimation is essential in lighting systems such as flashlights, spotlights or beacons.

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. Given the enormous competition generated there are currently many systems that allow this goal and in particular the collimation of light. There are quite a few houses that have specialized in the development of specific LED optics and are looking for new collimation systems.

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 The collimator / concentrator is based on an optical design system that has been widely exposed in many publications under the name of “nonimaging optics” (Wiston, Nonimaging optics, Elsevier (2005); J. Chaves Introduction to nonimaging optics, CRC Press , (2008); JJ O'Gallagher Nonimaging optics in solar energy, Frank Kreith (2008)). In these works various methodologies are exposed to concentrate light on a surface

o bien colimar la luz emitida por una fuente luminosa. or collimate the light emitted by a light source.

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. Among the patents that are part of the state of the art, patent EP1880139B1 stands out. It refers to a dual lens system to control the radiation angle of the LED and illuminate locally at a long distance.

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. Another patent is US2007263390A1, which refers to a system composed of a converging lens inside and a reflector outside.

La invención DE202005007500U1 es muy similar a la anterior tanto en concepción como en diseño. The invention DE202005007500U1 is very similar to the previous one both in conception and in design.

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. The US2004070855A1 patent shows a concept developed by Benítez and Miñano for solar concentrators and applied to collimators. It is a device similar to the previous ones, although the geometry is not exactly equivalent. In this case, the rays undergo two internal reflections in the dielectric that surrounds the light source, although it is not in direct contact with it, before leaving collimated.

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. US2003075167A1 is completely different and develops a series of jagged surfaces that work in total reflection and are developed in a curved profile to avoid shielding one from the other.

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. The same happens to US2005129358A1, although it has another version in which there are several total reflections and the output surface is located on the periphery. In addition, this solution only works with light that emits laterally from the emitter, and therefore, discards the frontal emission of the source.

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. In EP1266255B1 collimation is produced by internal reflection of the radiation coming from the source, located on the optical axis of the system. The faces of the device can be "soft", or be composed of microfacets. As in previous cases, this device can function as a radiation concentrator if it operates in reverse.

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. In the case of US7006306B2, it is a question of producing homogeneous illumination from a point source, at an angle of 180º, by means of internal reflections of the light in a dielectric (the case of 360º is also mentioned). The light source is placed inside a truncated cone with the internal faces carved in microfacets so that the light coming from the source is reflected and exits perpendicular to the optical axis. This device does not collimate the light but rather the opposite: it distributes it radially in a homogeneous way.

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. A TIR lens type design is used in US2004105171A1. Total internal reflection is used on the facets of the internal face, along with the angular displacement of the axis of symmetry to align the rays in a direction that is not parallel to the optical axis of the system.

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. There are therefore many collimation systems that are already used for LEDs, however there are particularities that need to be improved, such as efficiency and the elimination or reduction of chromatic aberrations.

Descripción de la invención Description of the invention

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 The present invention refers to a new optical system of collimation of light radiation by combining different geometries and ways of working for each zone of the system. The system is divided into two zones that work differently: on the one hand a zone 1 that is a surface that directly captures the light emitted by the light source and by means of a single refraction the colima, and on the other hand a zone 2 that reflects the light towards an exit surface that in section is straight suffering the light in this part first a reflection and then a refraction. As can be seen in Figure 1, zone 1 has the geometry of a Cartesian ellipsoid (1) that captures the light emitted by the light source (4); Zone 2 comprises two parts: an inclined parabola (2), whose angular size is limited by the maximum level of loss admitted in the system, and a conical surface of straight section

(3) 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). (3) inclined an angle such that the light reflected in the parabola (2) comes out, once refracted in the conical surface of straight section (3), parallel to the optical axis of the system (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. The relationship between the rotation of the parabola (2) and the angle between the conical surface with a straight section (3) and the optical axis of the system (5) is represented in Figure 3, where the abscissa axis represents the angle of inclination of the parabola and that of ordinates that of the conical surface of straight section.

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. Another aspect of the invention relates to a light radiation collimation system that can also be designed to work in the reverse direction as a concentration system.

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. With respect to other systems known in the state of the art, a difference of the present invention is that in our case we do not use a box for the housing of the light source and the lateral exit surface is in our case conical of straight section . In the present invention, when considering the light as coming from the chip, although there is an air sheet, it is flat parallel and therefore does not deflect the light, the outer exit surface focuses on the source.

Esta diferencia tiene dos consecuencias: This difference has two consequences:

1.-el sistema propuesto en la presente invención tiene menos aberraciones cromáticas que los sistemas ya conocidos; 1.-the system proposed in the present invention has less chromatic aberrations than the systems already known;

2.-tiene una ligera mayor eficiencia ya que la refracción en la caja se realiza con ángulos más reducidos. 2.-It has a slightly greater efficiency since refraction in the box is carried out with smaller angles.

El punto 1 tiene especial importancia cuando se aplica a LED blancos, de un uso muy extendido en la actualidad. Point 1 is especially important when applied to white LEDs, which are widely used today.

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. This invention is further supported by a theoretical development that allows a modeling by which the final configuration of the system is optimized by optimizing the performance of the collimator optics according to the specific needs assigned to the system in terms of collimation characteristics, the Chip size and set size restrictions.

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. The invention also refers to the collimation system working in the opposite direction, behaving in this case as a light radiation concentrator with application, for example, to photovoltaic systems.

Como se aprecia en la figura 1, la primera parte del sistema, es decir la zona 1, se corresponde con un elipsoide cartesiano calculado para el índice de refracción del material con el que se construye la unidad. El tamaño angular γ de esa zona 1 se calcula de acuerdo con la máxima pérdida que de acuerdo con las ecuaciones de Fresnel se quiera asumir al producirse la refracción. En la figura 2 a) se representa cómo es el trazado de rayos en esta zona. La distancia a la que se encuentra el vértice del elipsoide cartesiano (1) respecto de la fuente luminosa (4) es función del tamaño total máximo que queramos que tenga el sistema y de la máxima desviación de la luz que podamos tolerar para el tamaño de fuente luminosa (4). As can be seen in Figure 1, the first part of the system, that is zone 1, corresponds to a Cartesian ellipsoid calculated for the index of refraction of the material with which the unit is constructed. The angular size γ of that zone 1 is calculated according to the maximum loss that according to the Fresnel equations one wishes to assume upon refraction. Figure 2 a) shows what lightning is like in this area. The distance at which the vertex of the Cartesian ellipsoid is (1) with respect to the light source (4) is a function of the maximum total size that we want the system to have and the maximum deviation of the light that we can tolerate for the size of light source (4).

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. Optionally, the system may include a zone 3 comprising an input surface (6) of the light to the system being this surface (6) parallel to the outer surface of the light source such that the sheet remaining between both surfaces It is flat parallel. In the case of the systems analyzed in the state-of-the-art patents, the housing or LED box does not generate that parallel flat sheet, which results in higher energy losses.

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. A particular con fi guration of the present system is that the surface (3) is oriented towards the light source (4), such that the direct light from the source (4) exits through this surface (3), so that no there are unwanted light outputs in the system, which would either reduce the efficiency of the system or cause it to have luminance in unwanted directions.

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 δ1. Since the surface (3) must be oriented towards the light source, in order for the rays to come out parallel to the optical axis of the system (5), it is necessary that they strike at a certain angle δ1.

Como se puede ver en la figura 2 b) y de una forma más detallada en la figura 7: As can be seen in Figure 2 b) and in a more detailed way in Figure 7:

Esto nos lleva a que la superficie (2) debe ser una parábola girada un ángulo en sentido antihorario definido por: This leads us to the fact that the surface (2) must be a parabola turned an angle counterclockwise defined by:

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: The relationship between the angle of rotation of the parabola and the angle of inclination of the straight section of the conical part (3) to ensure an emission of collimated light is expressed in the following mathematical equation:

o, lo que es lo mismo, si se ha determinado el ángulo γ, entonces se encuentra el ángulo α: or, which is the same, if the angle γ has been determined, then the angle α is found:

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. With this configuration all the light emitted by the central point of the light source (4) is parallel to the optical axis of the system (5). Since the light source is never punctual, the light emitted by the system will have a divergence that will be a function of the size of the source and the distance from the source to the vertex of zone 1 from which we have generated the system.

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. With the direction of the axis of the parabola of the surface (2) defined, the focal length is determined by calculating that focal distance that causes the parabola to cut with the output surface (3) at the point defined by the diameter D of the system such and as depicted in Figure 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 Notwithstanding the foregoing, it is possible to slightly rotate the parabola of the surface (2), and therefore the surface (3) so that the light continues to collimate, in order to maximize the flow of energy that leaves the system. A turn of the surface (3) will imply a certain amount of light that is lost by directly affecting the light source

(4) que se compensará por las pérdidas de Fresnel que produce la refracción sobre la cara de la superficie (3). Dicha radiación sería la que corresponde con el ángulo ζ tal y como aparece representado en la figura 5. (4) to be compensated for Fresnel losses caused by refraction on the surface face (3). This radiation would be the one that corresponds to the angle ζ as it is represented in Figure 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, ...). When the emitting source emits at various wavelengths, the system is calculated for that which optimizes the system in the parameters that are considered priority (output fl ow, peak intensity, maximum divergence, ...).

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. With this basic configuration, it is possible to proceed, if necessary, to an optimization process of the parameters that define the system, optimizing, for example, the output fl ow of the entire system. For this, the models shown in this report are used.

Descripción de los dibujos Description of the drawings

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: To complement the description that is being made and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, a set of drawings is attached as an integral part of said description, where, for illustrative and non-limiting purposes, the next:

Figura 1.-Muestra, de forma esquemática, la configuración básica del dispositivo y la distribución de las diferentes zonas de funcionamiento. Figure 1.- Shows, schematically, the basic configuration of the device and the distribution of the different operating areas.

Figura 2.-Muestra de forma esquemática las diferentes formas de trabajo de las zonas 1 y 2. Figure 2.-Shows schematically the different ways of working in zones 1 and 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). Figure 3.- Shows a graph with the relationship between the inclination of the surface (3) and the necessary inclination of the surface (2).

Figura 4.-Determinación de la distancia focal de la parábola. Figure 4.-Determination of the focal length of the parabola.

Figura 5.-Muestra el ángulo que describe la radiación perdida por incidencia directa sobre la ventana de salida de la superficie (3). Figure 5.- Shows the angle that describes the radiation lost by direct incidence on the surface exit window (3).

Figura 6.-Muestra un esquema de los ángulos de incidencia y transmisión en el elipsoide cartesiano que define la superficie (1). Figure 6.- Shows a diagram of the angles of incidence and transmission in the Cartesian ellipsoid that defines the surface (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). Figure 7.- It shows a diagram of the angles of incidence and transmission in the parabola of the surface (2) and the straight section of the conical part of the surface (3).

Figura 8.-Muestra el Flujo total de salida del dispositivo en función del ángulo de inclinación de la parábola para una emisión de 90º. Figure 8.- Shows the total output flow of the device as a function of the angle of inclination of the parabola for a 90º emission.

Figura 9.-Muestra Flujo total de salida en función del ángulo de inclinación de la parábola para una emisión de 80º. Figure 9.- Sample Total outflow according to the angle of inclination of the parabola for an emission of 80º.

Figura 10.-Sistema colimador con superficie de entrada (6) de la luz paralela a la superficie exterior de la fuente luminosa. Figure 10.- Collimator system with the input surface (6) of the light parallel to the outer surface of the light source.

Figura 11.-Sistema óptico de la invención trabajando como concentrador. Figure 11.-Optical system of the invention working as a concentrator.

Modo de realización de la invención Embodiment of the invention

Una vez definida la geometría del sistema y los parámetros que caracterizan la misma, a continuación se presentan ejemplos de optimización de dichos parámetros. Once the system geometry and the parameters that characterize it have been defined, examples of optimization of these parameters are presented below.

Ejemplo 1 Example 1

Se procedió a determinar el valor del ángulo de rotación de la parábola α que asegura la máxima eficiencia del sistema óptico de colimación. The value of the angle of rotation of the parabola α that ensures the maximum efficiency of the collimation optical system was determined.

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 Φ paralelo al eje óptico del sistema (5) se describe mediante la siguiente ecuación: The maximum efficiency of the system is equivalent to extracting the greatest amount of collimated flow, the system values are determined without the need to mirror any surface. Assuming a point and uniform source, with uniform emission in all directions, and with a semi-angle of emission 90 °, the fl ow emitted Φ parallel to the optical axis of the system (5) is described by the following equation:

Sustituyendo el ángulo sólido Ω por el ángulo de emisión de la fuente β, y expresando la transmitancia T en función de la reflectancia R: Substituting the solid angle Ω for the emission angle of the source β, and expressing the transmittance T as a function of the re fl ectance R:

se obtiene la siguiente ecuación: The following equation is obtained:

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]. This equation depends on a constant of proportionality I because the uniform light source is assumed and generates fl ow regardless of the value of the emission angle. But this constant is not relevant in this example because what is sought is to find the maximum of the previous equation [ec.1].

También se necesita conocer las expresiones de la reflectancia en función del ángulo de entrada y de salida a la superficie analizada en cada zona. It is also necessary to know the expressions of the reflectance as a function of the angle of entry and exit to the analyzed surface in each zone.

Las dos componentes, perpendicular y paralela, de la reflectancia son: The two components, perpendicular and parallel, of the reflectance are:

Siendo θ1,y θ2, los ángulos de entrada y de salida a la superficie estudiada respectivamente. Being θ1, and θ2, the angles of entry and exit to the surface studied respectively.

Ahora, para poder calcular la integral del flujo, es necesario despejar θ1,y θ2 en función del ángulo de emisión β, teniendo en cuenta si estamos analizando el caso de la luz trasmitida por la elipse, zona 1, o reflejada en la parábola, zona 2, figura 6. Now, in order to calculate the fl ow integral, it is necessary to clear θ1, and θ2 based on the angle of emission β, taking into account whether we are analyzing the case of the light transmitted by the ellipse, zone 1, or reflected in the parabola, Zone 2, Figure 6.

En base al anterior esquema se formulan las ecuaciones de partida: Based on the previous scheme, the starting equations are formulated:

Mediante un desarrollo teórico se obtienen los ángulos de incidencia, θ1, y transmitancia, θ2, en función del ángulo de emisión β: By means of a theoretical development, the angles of incidence, θ1, and transmittance, θ2 are obtained, depending on the emission angle β:

Análisis del ángulo de incidencia y transmisión en la parábola (2) y en la sección recta de la parte cónica de la superficie (3). Analysis of the angle of incidence and transmission in the parabola (2) and in the straight section of the conical part of the surface (3).

Parábola (2) Sección recta de la parte cónica de la superficie (3) Parabola (2) Straight section of the conical part of the surface (3)

Estas relaciones aparecen reflejadas en la figura 8. En esta figura el eje de abscisas representa el ángulo de inclinación de la parábola α y el eje de ordenadas el flujo emitido por el sistema. A trazos se representa el flujo transmitido por la superficie 1, en cruces el transmitido por la parábola (2) y la superficie cónica de sección recta (3) y con cuadrados el flujo total. These relationships are reflected in Figure 8. In this figure the axis of abscissa represents the angle of inclination of the parabola α and the axis of ordinates the fl ow emitted by the system. In strokes, the fl ow transmitted by the surface 1 is represented, in crossings the one transmitted by the parabola (2) and the conical surface of straight section (3) and with squares the total fl ow.

Flujo total del sistema colimador Total flow of the collimator system

Semiángulo de divergencia de la fuente 90º. Source divergence semi-angle 90º.

Resultado máxima eficiencia ángulo inclinación α =16.9º. Maximum result angle inclination efficiency α = 16.9º.

Ejemplo 2 Example 2

Si la fuente luminosa no emite en todo el semiespacio, tal y como es el caso de los LED con cazoleta, la solución es ligeramente diferente. Por ejemplo, en el caso de semiángulo de divergencia de la fuente 80º. If the light source does not emit throughout the half-space, as is the case with LEDs with a bowl, the solution is slightly different. For example, in the case of half angle divergence of the 80º source.

Resultado máxima eficiencia angulo inclinación α =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 α y el eje de ordenadas el flujo emitido por el sistema. A trazos se representa el flujo transmitido por la superficie 1, en cruces el transmitido por la parábola (2) y la superficie cónica de sección recta (3) y con cuadrados el flujo total. Maximum result angle inclination angle α = 17.9º as it is reflected in Figure 9. In this figure the axis of abscissa represents the angle of inclination of the parabola α and the axis of ordinates the flow emitted by the system. In strokes, the fl ow transmitted by the surface 1 is represented, in crossings the one transmitted by the parabola (2) and the conical surface of straight section (3) and with squares the total fl ow.

Ejemplo 3 Example 3

En el caso de que la fuente luminosa sea un LED con un encapsulado, la cara posterior del sistema incorpora una superficie (6) de entrada de la luz al sistema paralela a la superficie exterior del LED (figura 10) que permite su acople. La superficie (6) adopta la geometría del encapsulado del LED de manera que el interface entre el LED y el sistema es una lámina planoparalela que no modifica la colimación de la luz, aunque sí supone una ligera pérdida de energía. In the event that the light source is an LED with an encapsulation, the rear face of the system incorporates a surface (6) for entering the light into the system parallel to the outer surface of the LED (Figure 10) that allows its coupling. The surface (6) adopts the geometry of the LED encapsulation so that the interface between the LED and the system is a parallel flat sheet that does not modify the collimation of the light, although it does imply a slight loss of energy.

Ejemplo 4 Example 4

En este ejemplo se describe el sistema óptico de la invención diseñado en esta ocasión para trabajar como sistema de concentración solar de forma similar a como se muestra en la figura 11. This example describes the optical system of the invention designed on this occasion to work as a solar concentration system in a manner similar to that shown in Figure 11.

La superficie (1) está formada por un material transparente que, en este ejemplo, es la silicona con índice de refracción n= 1,49 para una longitud de onda elegida λ=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). The surface (1) is formed by a transparent material which, in this example, is the silicone with refractive index n = 1.49 for a chosen wavelength λ = 550 nm and for the calculation in which the surface (1 ) is located at a distance of 3.67 mm from the light source (4).

La superficie (1) responde a la geometría de un elipsoide cartesiano cuyo centro emisor es el centro de la fuente luminosa (4). The surface (1) responds to the geometry of a Cartesian ellipsoid whose emitting center is the center of the light source (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. The distance from the emitter to the vertex of the surface (1) is set according to the opening that is desired in the system, in this case they are 3.69 mm.

El tamaño angular γ de la superficie (1) que define la zona 1, se fija en función de la máxima pérdida por reflexión en dicha superficie (1) permitida al sistema, que en este ejemplo se establece en el 80%. The angular size γ of the surface (1) defined by zone 1 is set based on the maximum reflection loss on said surface (1) allowed to the system, which in this example is set at 80%.

Con el ángulo γ de inclinación de la superficie (3) se calcula el ángulo α de giro de la superficie parabólica (2), que en este caso son 38,38º. La distancia focal de la parábola (2) es de 2,16 mm. With the angle γ of inclination of the surface (3) the angle α of rotation of the parabolic surface (2) is calculated, which in this case is 38.38 °. The focal length of the parabola (2) is 2.16 mm.

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 n1=1.49 y aire n2=1. In Figure 9 this equation is plotted to check the range of values in the work area. We set the refractive index values for the following media: Silicone n1 = 1.49 and air n2 = 1.

Claims (5)

REIVINDICACIONES 1. Sistema óptico de colimación de radiación luminosa que comprende dos zonas: -la zona 1 incluye una superficie (1) que tiene la geometría de un elipsoide cartesiano, capta la luz procedente de la fuente luminosa (4) del sistema y colima dicha luz mediante una única refracción; 1. Light radiation collimation optical system comprising two zones: - Zone 1 includes a surface (1) that has the geometry of a Cartesian ellipsoid, captures the light from the light source (4) of the system and collimates said light by a single refraction;

--

la zona 2 incluye dos partes: Zone 2 includes two parts:

--

una parábola (2) que refleja la luz colimada en la zona 1; a parabola (2) that reflects the collimated light in zone 1;

--

una superficie (3) cónica de sección recta donde la luz reflejada en la parábola (2) sufre una refracción a conical surface (3) with a straight section where the light reflected in the parabola (2) undergoes refraction

y sale paralela al eje óptico (5) del sistema. and comes parallel to the optical axis (5) of the system.

2. 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). Optical collimation system according to claim 1, which includes a surface (6) for entering the light into the system, said surface (6) being parallel to the outer surface of the light source (4).

3. 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). Collimation optical system according to any of the preceding claims, wherein the straight sectional surface of the conical part (3) passes through the central point of the light source (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 4. Optical light radiation concentration system comprising two zones: - zone 1 includes a surface (1) that has the geometry of a Cartesian ellipsoid, captures the light from the light source external to the system and concentrates said light by means of a only refraction; - Zone 2 includes two parts: - A conical surface (3) with a straight section where the light is refracted and directed towards the rotated parabola of the surface (2). This surface forms an angle such that refracted light is introduced into the system 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). forming an angle equal to the rotation of the axis of the parabola (2). -A parabolic surface (2) rotated at an angle to the system axis (5). OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS SPANISH OFFICE OF THE PATENTS AND BRAND N.º solicitud: 201000068 Application no .: 201000068 ESPAÑA SPAIN Fecha de presentación de la solicitud: 20.01.2010 Date of submission of the application: 01.20.2010 Fecha de prioridad: Priority Date: INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA REPORT ON THE STATE OF THE TECHNIQUE 51 Int. Cl. : G02B17/08 (2006.01) 51 Int. Cl.: G02B17 / 08 (2006.01) DOCUMENTOS RELEVANTES RELEVANT DOCUMENTS

Categoría Category

Documentos citados Reivindicaciones afectadas Documents cited Claims Affected

X X

US 4770514 A (SILVERGLATE, D.) 13.09.1988, resumen; columna 1, líneas 17-27; columna 1, línea 49 -columna 2, línea 7; columna 2, línea 30 -columna 3, línea 18; columna 4, líneas 15-26; figuras 1 y 2. 1-4 US 4770514 A (SILVERGLATE, D.) 13.09.1988, summary; column 1, lines 17-27; column 1, line 49 - column 2, line 7; column 2, line 30-column 3, line 18; column 4, lines 15-26; Figures 1 and 2. 1-4

X X

WO 2005/022216 A2 (SCHEFENACKER VISION SYSTEMS GERMANY GMBH & CO. KG ET AL.) 10.03.2005, todo el documento. 1-3 WO 2005/022216 A2 (SCHEFENACKER VISION SYSTEMS GERMANY GMBH & CO. KG ET AL.) 10.03.2005, the whole document. 1-3

X X

US 2007/0263390 A1 (TIMINGER, A. ET AL.) 15.11.2007, resumen; párrafos [0001]-[0002], [0004], [0006]-[0009], [0014]-[0015]; figura 1. 1 US 2007/0263390 A1 (TIMINGER, A. ET AL.) 15.11.2007, summary; paragraphs [0001] - [0002], [0004], [0006] - [0009], [0014] - [0015]; Figure 1. one

A TO

2, 3 2. 3

A TO

US 2007/0086204 A1 (CHINNIAH, J. ET AL.) 19.04.2007, todo el documento. 1-3 US 2007/0086204 A1 (CHINNIAH, J. ET AL.) 04/19/2007, the whole document. 1-3

A TO

EP 0635744 A2 (SOLARI UDINE S.P.A.) 25.01.1995, todo el documento 1, 2 EP 0635744 A2 (SOLARI UDINE S.P.A.) 25.01.1995, the whole document 1, 2

A TO

US 2215900 A (BITNER, R.) 24.09.1940, todo el documento. 1, 2 US 2215900 A (BITNER, R.) 24.09.1940, the whole document. 1, 2

A TO

EP 1045193 A1 (MCDERMOTT, K.) 18.10.2000, todo el documento. 1-3 EP 1045193 A1 (MCDERMOTT, K.) 18.10.2000, the whole document. 1-3

Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud Category of the documents cited X: of particular relevance Y: of particular relevance combined with other / s of the same category A: reflects the state of the art O: refers to unwritten disclosure P: published between the priority date and the date of priority submission of the application E: previous document, but published after the date of submission of the application

El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº: This report has been prepared • for all claims • for claims no:

Fecha de realización del informe 13.07.2011 Date of realization of the report 13.07.2011

Examinador Ó. González Peñalba Página 1/4 Examiner Ó. González Peñalba Page 1/4

INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA REPORT OF THE STATE OF THE TECHNIQUE Nº de solicitud: 201000068 Application number: 201000068 Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) G02B Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de Minimum documentation searched (classification system followed by classification symbols) G02B Electronic databases consulted during the search (name of the database and, if possible, terms of búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC search used) INVENES, EPODOC Informe del Estado de la Técnica Página 2/4 State of the Art Report Page 2/4 OPINIÓN ESCRITA  WRITTEN OPINION Nº de solicitud: 201000068 Application number: 201000068 Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 13.07.2011 Date of the Written Opinion: 13.07.2011 Declaración Statement

Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986) Novelty (Art. 6.1 LP 11/1986)

Reivindicaciones Reivindicaciones 1-4 SI NO Claims Claims 1-4 IF NOT

Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986) Inventive activity (Art. 8.1 LP11 / 1986)

Reivindicaciones Reivindicaciones 1-4 SI NO Claims Claims 1-4 IF NOT

Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986). The application is considered to comply with the industrial application requirement. This requirement was evaluated during the formal and technical examination phase of the application (Article 31.2 Law 11/1986). Base de la Opinión.-  Opinion Base.- La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica. This opinion has been made on the basis of the patent application as published. Consideraciones:  Considerations: La presente invención se refiere, respectivamente en sus reivindicaciones 1 y 4, a un colimador o concentrador óptico que comprende, en sentido radial con respecto a su eje óptico, dos zonas: una primera y central, con geometría de elipsoide cartesiano, que colima la luz procedente de una fuente luminosa o concentra luz ya colimada en sentido contrario, según se comporte el sistema como colimador o concentrador, mediante una única refracción en su superficie; y una segunda zona periférica a la primera, que a su vez consta de dos superficies: una parabólica girada un cierto ángulo y una cónica de sección recta, de tal manera que la superficie parabólica actúa por reflexión interna sobre los rayos procedentes de la fuente luminosa, enviándolos hacia la zona cónica, donde se refractan hasta salir colimados en el caso del colimador, o bien sobre los rayos ya refractados en dicha zona cónica, concentrándolos en un punto, en el caso del concentrador. Por su parte, las reivindicaciones 2 y 3, dependientes de la primera, especifican la superficie de entrada de la luz al colimador como paralela a la superficie exterior de la fuente luminosa, de manera que queda entre medias una interfaz uniforme (reivindicación 2), y detallan la geometría de la zona cónica, que, prolongada, debe pasar por el centro de la fuente de luz (reivindicación 3). The present invention relates, respectively in its claims 1 and 4, to a collimator or optical concentrator which comprises, in radial direction with respect to its optical axis, two zones: a first and central one, with Cartesian ellipsoid geometry, which collimates the light coming from a light source or concentrates light already collimated in the opposite direction, as the system behaves as a collimator or concentrator, by means of a single refraction on its surface; and a second peripheral zone to the first, which in turn consists of two surfaces: a parabolic rotated a certain angle and a conic of straight section, such that the parabolic surface acts by internal reflection on the rays coming from the light source , sending them towards the conical zone, where they are refracted until they are collimated in the case of the collimator, or on the rays already refracted in said conical zone, concentrating them on a point, in the case of the concentrator. On the other hand, claims 2 and 3, depending on the first one, specify the light inlet surface to the collimator as parallel to the outer surface of the light source, so that a uniform interface is in between (claim 2), and detail the geometry of the conical zone, which, prolonged, must pass through the center of the light source (claim 3). Informe del Estado de la Técnica Página 3/4 State of the Art Report Page 3/4 OPINIÓN ESCRITA  WRITTEN OPINION Nº de solicitud: 201000068 Application number: 201000068 1. Documentos considerados.-1. Documents considered.- A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión. The documents belonging to the state of the art taken into consideration for the realization of this opinion are listed below.

Documento Document

Número Publicación o Identificación Fecha Publicación Publication or Identification Number publication date

D01 D01

US 4770514 A (SILVERGLATE, D.) 13.09.1988 US 4770514 A (SILVERGLATE, D.) 13.09.1988

2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración 2. Statement motivated according to articles 29.6 and 29.7 of the Regulations for the execution of Law 11/1986, of March 20, on Patents on novelty and inventive activity; quotes and explanations in support of this statement Se considera que la invención definida en las reivindicaciones 1 a 4 de la presente Solicitud carece de novedad por haber sido divulgada idénticamente en el estado de la técnica. En efecto, en el documento D01, citado en el Informe sobre el Estado de la Técnica (IET) con la categoría X para dichas reivindicaciones y considerado el estado de la técnica más próximo al objeto en ellas definido, se describe un sistema óptico con idénticas características geométricas al de la invención y que puede actuar como colimador y como concentrador. Así, este sistema (referencia 10, Figura 1 o referencia 30, Figura 2) comprende, en sentido radial con respecto a su eje óptico, dos zonas: una primera y central (16; 34), con geometría de elipsoide (que, en el caso más general, será cartesiano), que colima la luz procedente de una fuente luminosa It is considered that the invention defined in claims 1 to 4 of the present Application is new because it has been disclosed identically in the state of the art. Indeed, in document D01, cited in the Report on the State of the Art (IET) with category X for said claims and considering the state of the art closest to the object defined therein, an optical system is described with identical geometric characteristics to that of the invention and that can act as a collimator and as a concentrator. Thus, this system (reference 10, Figure 1 or reference 30, Figure 2) comprises, radially with respect to its optical axis, two zones: a first and central one (16; 34), with ellipsoid geometry (which, in the most general case will be Cartesian), which collimates the light coming from a light source (12) o concentra luz ya colimada en sentido contrario (en un detector 32, Figura 2), según se comporte el sistema como colimador o concentrador, mediante una única refracción en su superficie; y una segunda zona periférica a la primera (18; 36), que a su vez consta de dos superficies: una parabólica girada un cierto ángulo (22; 40; columna 2, línea 60) y una cónica de sección recta (20; 38), de tal manera que la superficie parabólica actúa por reflexión interna sobre los rayos procedentes de la fuente luminosa, enviándolos hacia la zona cónica, donde se refractan hasta salir colimados en el caso del colimador, o bien sobre los rayos ya refractados en dicha zona cónica, concentrándolos en un punto (detector 32), en el caso del concentrador. En la Figura 1 se aprecia, además, que la superficie cónica recta, prolongada, pasa por el centro del emisor 12, anticipando así idénticamente el contenido de la reivindicación 3. Cabe concluir, en consecuencia, que el objeto técnico definido en dichas reivindicaciones 1, 3 y 4 carece de novedad respecto a D01, de acuerdo con el Artículo 6 LP. Por otra parte, en la Figura 3 se aprecia que el emisor o fuente luminosa (12), representado esquemáticamente en todo el documento por un segmento de superficie plana (véase especialmente la Figura 1), coincide geométricamente con la superficie trasera de entrada de la luz al sistema óptico, de tal manera que puede afirmarse que ambas superficies son paralelas, lo que anticipa también idénticamente el contenido de la reivindicación 2, afectando, por tanto, a su novedad con respecto a D01 según el mencionado Art. 6 LP. (12) or concentrates light already collimated in the opposite direction (in a detector 32, Figure 2), as the system behaves as a collimator or concentrator, by means of a single refraction on its surface; and a second peripheral zone to the first (18; 36), which in turn consists of two surfaces: a parabolic turned a certain angle (22; 40; column 2, line 60) and a conic of straight section (20; 38 ), in such a way that the parabolic surface acts by internal reflection on the rays coming from the light source, sending them towards the conical area, where they are refracted until they are collimated in the case of the collimator, or on the rays already refracted in said area conical, concentrating them in a point (detector 32), in the case of the concentrator. In Figure 1 it can also be seen that the long straight conical surface passes through the center of the emitter 12, thus anticipating the content of claim 3 identically. It can therefore be concluded that the technical object defined in said claims 1 , 3 and 4 lacks novelty with respect to D01, in accordance with Article 6 LP. On the other hand, in Figure 3 it can be seen that the emitter or light source (12), schematically represented throughout the document by a flat surface segment (see especially Figure 1), geometrically coincides with the rear entrance surface of the light to the optical system, so that it can be said that both surfaces are parallel, which also identically anticipates the content of claim 2, thus affecting its novelty with respect to D01 according to said Art. 6 LP. Informe del Estado de la Técnica Página 4/4 State of the Art Report Page 4/4