ES2399604B1 - Very high flexibility optical system for adjusting the lighting field in luminaires and lighting devices - Google Patents
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Abstract
La invención ?Sistema óptico de muy alta flexibilidad para el ajuste del campo de la iluminación en luminarias y dispositivos de alumbrado?, describe un sistema de lentes cilíndricas compuesto por dos o varios conjuntos de lentes que se pueden desplazar entre sí para ser incorporado en luminarias y dispositivos de iluminación. Cuando se usa el primer conjunto de lentes, esto posibilita ajustar el campo de iluminación en una sola dirección del espacio. Cuando se usa el segundo conjunto montado a 90º, se consigue ajustar el campo de iluminación en la dirección perpendicular. Cuando un conjunto es rotado en referencia al otro, se consiguen ajustes del campo de iluminación complejos.#La ventaja que aporta esta patente es la conseguir a partir de un haz de rayos colimados, el ajuste del campo de iluminación a voluntad e independientemente en las dos direcciones del espacio sin necesidad de recurrir a pantallas y por lo tanto sin perder rendimiento luminoso.The invention? Very high flexibility optical system for adjusting the lighting field in luminaires and lighting devices ?, describes a cylindrical lens system consisting of two or several lens sets that can be moved together to be incorporated into luminaires and lighting devices. When the first set of lenses is used, this makes it possible to adjust the illumination field in a single direction of space. When the second set mounted at 90 ° is used, the illumination field can be adjusted in the perpendicular direction. When a set is rotated in reference to the other, complex lighting field adjustments are achieved. # The advantage provided by this patent is to obtain from a beam of collimated rays, the adjustment of the illumination field at will and independently in the two directions of the space without resorting to screens and therefore without losing luminous efficiency.
Description
SISTEMA ÓPTICO DE MUY ALTA FLEXIBILIDAD PARA EL AJUSTE DEL CAMpe DE lA OPTICAL SYSTEM OF VERY HIGH FLEXIBILITY FOR THE ADJUSTMENT OF THE CAMPE DE LA
ILUMINACiÓN EN LUMINARIAS Y DISPOSITIVOS DE ALUMBRADO LIGHTING IN LUMINAIRES AND LIGHTING DEVICES
ANTECEDENTES BACKGROUND
La invención que a continuación se describe, se enmarca en el sector de la iluminación y el alumbrado, y está encaminada a dotar a las luminarias y otros dispositivos de un mecanismo flexible de ajuste del campo de alumbrado. The invention described below is framed in the lighting and lighting sector, and is intended to provide luminaires and other devices with a flexible mechanism for adjusting the lighting field.
En el mercado existen una gran variedad de luminarias y dispositivos de iluminación que recurren a distintos sistemas ópticos para perfilar el haz luminoso de acuerdo a aplicaciones concretas. De la vasta relación de dispositivos que conozco, no existe ninguno que utilice un sistema de ajuste similar a descrito en este documento. In the market there is a great variety of luminaires and lighting devices that use different optical systems to profile the light beam according to specific applications. Of the vast list of devices I know, there is none that uses an adjustment system similar to that described in this document.
Existen multitud de sistemas de apertura fija, cuyos sistemas ópticos se amoldan para conseguir resultados óptimos para aplicaciones concretas, pero que no permiten alterar de modo continuo el campo del alumbrado, por lo que su empleo deja de ser óptimo cuando las condiciones de instalación varían. There are many fixed opening systems, whose optical systems are adapted to achieve optimal results for specific applications, but that do not allow the lighting field to be continuously altered, so that its use is no longer optimal when installation conditions vary.
Por otra parte existen dispositivos flexibles cuyo ajuste permite variar el campo de la iluminación de modo continuo, y es en este apartado donde se inscribe la invención aquí descrita. On the other hand, there are flexible devices whose adjustment allows the illumination field to be varied continuously, and it is in this section that the invention described here is inscribed.
Uno de los campos donde habitualmente se utilizan dispositivos de ajuste de campo de iluminación continuo es en aplicaciones teatrales, espectaculares y televisión en donde se demanda que el perfil de la luz se amolde al espacio, personas u objetos a iluminar. One of the fields where continuous lighting field adjustment devices are usually used is in theatrical, spectacular and television applications where it is demanded that the light profile be adapted to the space, people or objects to be illuminated.
Para ello se han desarrollado una serie de dispositivos de iluminación que van desde los más simples a los más complejos. Aquí se describen algunos de los dispositivos empleados en la actualidad para realizar las labores de iluminación. For this, a series of lighting devices have been developed, ranging from the simplest to the most complex. Here are described some of the devices currently used to perform lighting work.
Proyectores pe, o de lente plano-convexa: Estos dispositivos llevan una lámpara, un reflector recuperador de geometría esférica, todo ello montado en un carro móvil cuyo desplazamiento en referencia a la lente de tipo plano-convexo, permite variar la apertura del haz luminoso de modo continuo entre 4º y unos 60º, con una simetrfa en el haz luminoso de tipo circular. Pe, or flat-convex lens projectors: These devices carry a lamp, a spherical geometry recovery reflector, all mounted on a mobile car whose displacement in reference to the flat-convex type lens, allows the light beam aperture to be varied continuously between 4º and about 60º, with a symmetry in the circular beam.
Una variante de este dispositivo, es el proyector de lente Fresnel, cuya variación en referencia al dispositivo anterior, es el empleo de una lente Fresnel o escalonada, que aporta la ventaja de menor peso, volumen y estrés térmico, que lo hacen apto para aplicaciones con lámparas de muy alta potencia (hasta 10 Kw). A variant of this device, is the Fresnel lens projector, whose variation in reference to the previous device, is the use of a Fresnel or stepped lens, which provides the advantage of lower weight, volume and thermal stress, which make it suitable for applications with very high power lamps (up to 10 Kw).
Proyectores tipo PAR, que utilizan un reflector parabólico, y una lente frontal fija, que permite PAR type projectors, which use a parabolic reflector, and a fixed front lens, which allows
elegir entre distintos tipos de aperturas para el haz luminoso, por lo que estos dispositivos se choose between different types of openings for the light beam, so these devices are
suelen fabricar con lentes intercambiables. They usually manufacture with interchangeable lenses.
35 Otra serie de dispositivos ampliamente utilizados son los proyectores denominados de recorte, en ellos se suele utilizar un dispositivo concentrador de luz, que habitualmente recurre al empleo de sistemas de reflectores elipsoidales, parabólicos o esféricos combinados con sistemas de lentes, en este diseño, la luz se hace pasar a través de una apertura circular, y es recogida por un sistema de lentes (2 o más en los dispositivos denominados zoom). las lentes forman imagen en la proyección de la apertura circular, cuyo tamaño se controla con de movimiento de las lentes, dentro de los parámetros de funcionamiento del zoom. Estos dispositivos suelen llevar 4 cuchillas de recorte, que permiten el enmascarado de las zonas iluminadas, simplemente desplazándolas sobre la apertura, consiguiéndose así limitar el campo óptico para definir figuras poligonales (triángulos y cuadriláteros). 35 Another series of widely used devices are the so-called cut-out projectors, in them a light concentrating device is usually used, which usually resorts to the use of ellipsoidal, parabolic or spherical reflector systems combined with lens systems, in this design, the Light is passed through a circular aperture, and is collected by a lens system (2 or more on devices called zoom). the lenses form an image in the projection of the circular aperture, the size of which is controlled by the movement of the lenses, within the operating parameters of the zoom. These devices usually have 4 cutter blades, which allow masking of the illuminated areas, simply by moving them over the opening, thus limiting the optical field to define polygonal figures (triangles and quadrilaterals).
Recientemente se han desarrollado dispositivos robotizados, que permiten realizar una serie de acciones de control de la luz de forma mecanizada y con control remoto. Estos dispositivos incluyen complejos sistemas ópticos y de efectos, que permiten moldear de diversas formas el haz lumínico que proyectan, pero hasta la fecha, ninguno de los dispositivos incorpora un sistema similar al descrito en esta patente. Recently, robotic devices have been developed, which allow a series of light control actions to be carried out mechanically and with remote control. These devices include complex optical and effect systems, which allow the light beam they project to be molded in various ways, but to date, none of the devices incorporate a system similar to that described in this patent.
Todos estos dispositivos permiten realizar una iluminación ajustada a las necesidades concretas del alumbrado, a la vez que permiten modelar y matizar, personas, cosas y espacios con la luz. All these devices allow to realize a lighting adjusted to the specific needs of the lighting, at the same time that they allow modeling and shading, people, things and spaces with the light.
OTROS ANTECEDENTES DE RELEVANCIA OTHER RELEVANCE BACKGROUND
En el estado de la técnica encontramos otros antecedentes de relevancia que son descritos a conti nuación: In the state of the art we find other relevant antecedents that are described below:
En el documento US 5068768A de 26.11.1991, Kobayashi describe una invención de proyector aplicado en la industria automovilística que consiste en un faro para la iluminación de la carretera y que consta de dos lentes cilíndricas que se mueven una en referencia a la otra mediante un mecanismo controlado con la velocidad del automóvil, esta disposición permite variar la amplitud del haz proyectado sobre la carretera, de tal forma que a velocidades bajas el campo de iluminación se hace más amplio y menos intenso facilitando la visualización de elementos fuera en los márgenes de la carretera, mientras que a velocidades altas, el haz se concentra aumentando su intensidad y logrando un alcance de la iluminación más lejano. In US 5068768A of 26.11.1991, Kobayashi describes a projector invention applied in the automobile industry consisting of a headlight for road lighting and consisting of two cylindrical lenses that move in reference to each other by means of a mechanism controlled with the speed of the car, this arrangement allows to vary the amplitude of the beam projected on the road, in such a way that at low speeds the lighting field becomes wider and less intense facilitating the display of elements outside the margins of the road, while at high speeds, the beam is concentrated increasing its intensity and achieving a farther range of illumination.
En el documento US 4293892 A de 06.10.1981, Plummer describe un dispositivo de iluminación pensado especialmente para cámaras fotográficas y sistemas de vídeo, cuya principal ventaja es la de poder ajustar el campo de luz con simetría rectangular. En esta invención Plummer describe un dispositivo que consta de dos lentes, compuestas cada una de ellas por una disposición de lentes cilíndricas en la cara anterior y una disposición de lentes cilíndricas en la cara posterior, con dicha disposición posterior, rotada 90º en referencia a las de la cara anterior. Ambas lentes se pueden mover una respecto a la otra, consiguiendo de este modo un campo de iluminación de apertura variable y con simetría rectangular. En este documento de hace mención a las relaciones de distancias focales entre las lentes horizontales y las lentes verticales, para obtener de este modo un patrón de proyección de luz con una forma similar a la de las películas fotográficas. En esta invención, el sistema se completa con In US 4293892 A of 06.10.1981, Plummer describes a lighting device specially designed for cameras and video systems, whose main advantage is to be able to adjust the light field with rectangular symmetry. In this invention Plummer describes a device consisting of two lenses, each consisting of an arrangement of cylindrical lenses on the front face and an arrangement of cylindrical lenses on the rear face, with said rear arrangement, rotated 90 ° in reference to the of the anterior face. Both lenses can be moved relative to each other, thus achieving a variable aperture illumination field with rectangular symmetry. In this document, reference is made to the relationships of focal distances between horizontal and vertical lenses, in order to obtain a light projection pattern with a shape similar to that of photographic films. In this invention, the system is completed with
un reflector parabólico para conseguir un haz de rayos casi colimado. a parabolic reflector to get a beam of almost collimated rays.
Con esta disposición consigue ajustar el campo de iluminación de acuerdo a los objetivos a 40 utilizar y de acuerdo con la distancia a la que se desea tomar la fotografía. Se ha de hacer notar que en esta invención, no existe grado de libertad de ajuste de la luz vertical en referencia al ajuste horizontal de la luz, ya que ambos disposiciones de lentes cilíndricas están unidas solidariamente en el mismo elemento, cosa que por otra parte es lógica, ya que la relación de dimensiones entre longitud horizontal y longitud vertical en una toma fotográfica se mantiene With this arrangement, the lighting field can be adjusted according to the objectives to be used and according to the distance at which the photograph is to be taken. It should be noted that in this invention, there is no degree of freedom of adjustment of the vertical light in reference to the horizontal adjustment of the light, since both arrangements of cylindrical lenses are joined together in the same element, which on the other hand It is logical, since the relationship of dimensions between horizontal length and vertical length in a photographic shot is maintained
5 constante independientemente de la distancia focal del objetivo empleado para tomar la foto. 5 constant regardless of the focal length of the lens used to take the photo.
En el documento DE 3926618 A de 12.02.1991 de Philips Patentverwaltung, se describe un dispositivo de iluminación simple que utilizar lentes de simetría circular y que pueden encajar completamente una en la otra, este sistema combinado con una lámpara montada en un reflector elipsoidal es capaz de modular la apertura de la luz desde divergencia cero hasta In document DE 3926618 A of 12.02.1991 of Philips Patentverwaltung, a simple lighting device is described that uses circular symmetry lenses that can completely fit into each other, this system combined with a lamp mounted on an ellipsoidal reflector is capable from modulating the opening of the light from zero divergence to
10 máxima apertura mediante la separación de ambas lentes entre si. 10 maximum aperture by separating both lenses from each other.
En el documento US 3484599 A de 16.12.1969, Little, describe un dispositivo de iluminación capaz de variar el campo de iluminación gracias el empleo de una disposición de dos lentes con disposiciones cilíndrica, en esta invención la característica fundamental es que la segunda lente es confocal de la primera, en el sentido de que la primera lente enfoca la luz colimada In US 3484599 A of 16.12.1969, Little, describes a lighting device capable of varying the illumination field thanks to the use of a two lens arrangement with cylindrical arrangements, in this invention the fundamental characteristic is that the second lens is confocal of the first, in the sense that the first lens focuses the collimated light
15 sobre una línea, y cuando la segunda lente la recibe la salida que parte de su foco, la luz se proyecta sin divergencia. En esta invención se permite que una de las lentes gire en relación la otra de tal modo que el paralelismo de ambas lentes se pierde y la luz empieza a divergir de modo progresivo, alcanzado la máxima divergencia cuando ambas lentes han sido rotadas 90º una en referencia a la otra. 15 on a line, and when the second lens receives the output that starts from its focus, the light is projected without divergence. In this invention, one of the lenses is allowed to rotate in relation to the other such that the parallelism of both lenses is lost and the light begins to diverge progressively, reaching maximum divergence when both lenses have been rotated 90 ° one in reference to the other
NUEVAS DEMANDAS LUMINICAS NEW LIGHTING DEMANDS
Todos los dispositivos descritos arriba tienen como tónica general su alta flexibilidad para amoldarse a la iluminación requerida, pero todos ellos tienen como inconveniente la baja eficacia de los dispositivos cuando se trata de perfilar o iluminar espacios y objetos concretos, All the devices described above have as a general tonic their high flexibility to adapt to the required lighting, but all of them have as disadvantage the low efficiency of the devices when it comes to profiling or illuminating spaces and concrete objects,
25 sobre todo cuando dichos espacios y objetos carecen de simetría circular, puesto que para ello se emplean viseras, cuchillas de recorte, IIgobos", pantallas opacas y otros medios que perfilan la luz introduciendo un obstáculo opaco que absorbe la luz de la zona que no se quiere iluminar, perdiéndose de este modo una gran eficiencia energética. 25 especially when said spaces and objects lack circular symmetry, since visors, trimmer blades, IIgobos ", opaque screens and other means that profile the light are introduced by introducing an opaque obstacle that absorbs the light from the area that does not you want to light up, thus losing great energy efficiency.
La invención aquí descrita intenta mejorar este aspecto recurriendo a un diseño novedoso del 30 sistema óptico que permite una mayor flexibilidad que los dispositivos descritos anteriormente. The invention described herein attempts to improve this aspect by resorting to a novel design of the optical system that allows greater flexibility than the devices described above.
La invención amparada por esta patente comprende dos sistemas de lentes con simetría cilíndrica, cada uno de ellos se compone por al menos un conjunto de dos lentes, en el que se The invention covered by this patent comprises two lens systems with cylindrical symmetry, each of which is composed of at least one set of two lenses, in which
35 pueden desplazar cada lente de un conjunto en referencia a la otra lente del mismo conjunto. 35 can move each lens of a set in reference to the other lens of the same set.
Las lentes de simetría cilíndrica, como es sabido, solo alteran la dirección de los rayos luminosos en una dirección del espacio, dejando la otra dirección inalterada. Cylindrical symmetry lenses, as is known, only alter the direction of the light rays in one direction of space, leaving the other direction unchanged.
Por dicho motivo, una asociación de dos o más lentes cilíndricas con ejes de simetría paralelos que se puedan desplazar entre sí, nos permite variar en una dimensión la amplitud de la mancha luminosa proyectada. Esta asociación de lentes que permite ajustar en una dirección la luz es denominada "conjunto de lentes" en este documento. Esto ya ha sido descrito en el For this reason, an association of two or more cylindrical lenses with parallel symmetry axes that can move between them allows us to vary the amplitude of the projected light spot in one dimension. This association of lenses that allows the light to be adjusted in one direction is called the "lens set" in this document. This has already been described in the
5 documento US 5068768 A de Kobayashi, para aplicaciones en iluminación aplicada a automóviles. 5 document US 5068768 A of Kobayashi, for applications in lighting applied to automobiles.
la figura 1 muestra el efecto que tiene sobre un haz de rayos luminosos colimados (paralelos), el uso de un conjunto de lentes cilíndricas como los descritos en esta patente. Se presentan 5 dibujos dentro de la figura. El primero (parte superior de la hoja), muestra el comportamiento Figure 1 shows the effect on a bundle of collimated (parallel) light rays, the use of a set of cylindrical lenses such as those described in this patent. 5 drawings are presented within the figure. The first (top of the sheet), shows the behavior
10 de un conjunto de lentes cuando éstas están en contacto, como se comprueba la divergencia de la luz es mínima. 10 of a set of lenses when they are in contact, as the divergence of the light is verified is minimal.
El segundo de los dibujos, esquematiza que pasa cuando las lentes se han separado entre sí 7 milímetros, y como se aprecia los rayos luminosos alteran su trayectoria inclinándose, tanto más cuanto más lejos están los rayos del borde de la lente, en este caso para los rayos The second of the drawings, schematizes what happens when the lenses have separated 7 millimeters from each other, and as you can see the light rays alter their trajectory by tilting, the further the farther the rays are from the edge of the lens, in this case to the rays
15 luminosos del borde, el ángulo de inclinación llega a ser de 8º, totalizando un pincel de rayos de 16º de divergencia total. 15 luminous of the edge, the angle of inclination becomes 8º, totaling a 16º ray brush of total divergence.
El tercero de los dibujos, esquematiza que pasa cuando las lentes se han separado entre sí 14 milímetros, y como se aprecia los rayos luminosos alteran su trayectoria inclinándose aun más, en este caso para los rayos luminosos del borde, el ángulo de inclinación llega a ser de 19º, The third of the drawings, schematizes what happens when the lenses have separated 14 millimeters from each other, and as you can see the light rays alter their trajectory by tilting even more, in this case for the light rays of the edge, the angle of inclination reaches be 19th,
20 totalizando un pincel de rayos de 38º de divergencia total. 20 totaling a 38º ray brush of total divergence.
El cuarto de los dibujos, esquematiza que pasa cuando las lentes se han separado entre sí 21 milímetros, y como se aprecia los rayos luminosos alteran su trayectoria inclinándose aun más, en este caso para los rayos luminosos del borde, el ángulo de inclinación llega a ser de 29º, totalizando un pincel de rayos de 58º de divergencia total. The fourth of the drawings, schematizes what happens when the lenses have separated 21 mm from each other, and as you can see the light rays alter their trajectory by tilting even more, in this case for the light rays of the edge, the angle of inclination reaches be 29º, totaling a 58º ray brush of total divergence.
25 El quinto de los dibujos, esquematiza que pasa cuando las lentes se han separado entre sí 26 milímetros, y como se aprecia los rayos luminosos alteran su trayectoria inclinándose aun más, en este caso para los rayos luminosos del borde, el ángulo de inclinación llega a ser de 31º, totalizando un pincel de rayos de 62º de divergencia total. 25 The fifth of the drawings, schematizes what happens when the lenses have separated 26 millimeters from each other, and as you can see the light rays alter their trajectory by tilting further, in this case for the light rays of the edge, the angle of inclination arrives to be 31º, totaling a 62º ray brush of total divergence.
Una mayor separación de las lentes en referencia a la marcada en el quito dibujo es posible, A greater separation of the lenses in reference to the one marked in the drawing quito is possible,
30 pero no aporta ninguna inclinación mayor de los rayos luminosos, y si hace que se pierda luz, por lo que no resulta práctico permitir que las lentes se puedan separar más de los 26 milímetros indicados en el quinto dibujo. 30 but it does not provide any greater inclination of the light rays, and if it causes light to be lost, it is therefore impractical to allow the lenses to be separated more than the 26 millimeters indicated in the fifth drawing.
la incorporación de un segundo conjunto de lentes cilíndricas, en disposición perpendicular al primer conjunto de lentes (su eje de simetría rotado 90º en referencia al primer conjunto de 35 lentes), nos permite variar el haz lumínico en la dimensión perpendicular, de tal modo que con dos conjuntos de lentes se hace posible moldear el haz luminoso de una forma muy flexible, siguiendo un esquema de simetría cartesiana y sin la pérdida del rendimiento de otros sistemas de iluminación como los descritos arriba. En el documento US 4293892 A Plummer describe una disposición que cuenta con dos lentes cilíndricas montadas en relación de 90º 40 como se describe aquí, pero la diferencia de mi invención en referencia con la de Plummer, es the incorporation of a second set of cylindrical lenses, in perpendicular arrangement to the first set of lenses (its axis of symmetry rotated 90 ° in reference to the first set of 35 lenses), allows us to vary the light beam in the perpendicular dimension, so that With two sets of lenses it is possible to mold the light beam in a very flexible way, following a Cartesian symmetry scheme and without losing the performance of other lighting systems such as those described above. In US 4293892 A Plummer describes an arrangement that has two cylindrical lenses mounted at a 90º ratio as described here, but the difference of my invention in reference to that of Plummer is
que este segundo conjunto de lentes está separado y se puede controlar independientemente del primer conjunto, por lo que es posible controlar la apertura horizontal y vertical de la luz de modo independiente y a voluntad, cosa que no es posible en la disposición planteada por Plummer en su documento. that this second set of lenses is separated and can be controlled independently of the first set, so it is possible to control the horizontal and vertical opening of the light independently and at will, which is not possible in the arrangement proposed by Plummer in its document.
Es posible montar este segundo conjunto de lentes cilíndricas de tal modo que se pueda rotar en referencia al primero para conseguir distribuciones lumínicas sin simetría cartesiana, utilizable para iluminar otras formas y superficies complejas. A esto se hace referencia en el documento US 3484599 A de little, pero a diferencia de lo que se describe en dicho documento, en mi patente, esta es una característica adicional que permite que además de ajustar la luz con simetría rectangular, se puedan conseguir también simetrías romboidales de la apertura deseada, cosa que no es posible en la invención de little. It is possible to mount this second set of cylindrical lenses so that it can be rotated in reference to the first to achieve light distributions without Cartesian symmetry, usable to illuminate other complex shapes and surfaces. This is referred to in document US 3484599 A by little, but unlike what is described in that document, in my patent, this is an additional feature that allows that in addition to adjusting the light with rectangular symmetry, they can be achieved also rhomboidal symmetries of the desired opening, which is not possible in the invention of little.
El sistema óptico tal y como se describe, se comporta de una forma óptima cuando es iluminado con un haz de rayos luminosos bien colimado, lo cual aporta nuevas opciones a la invención. Así, si un conjunto de lentes que se crea con una lente positiva y una lente negativa, de tal modo que la lente positiva es de forma planoconvexa, y la negativa es de forma planocóncava y de la misma potencia óptica, es posible llegar a pegar ambas lentes sin espacio entre ellas, de este modo la trayectoria de los rayos luminosos no se altera. El desplazamiento de un elemento en referencia al otro consigue inclinar los rayos a voluntad, hasta prácticamente más allá de los 90º de apertura según el diseño. En el documento DE 3926618 Al, Philips describe 2 lentes que son encajables, pero dichas lentes poseen una simetría circular y además solamente se compone de un conjunto de dos lentes, mientras que en mi invención, las lentes son de simetría cilíndrica y existen al menos dos conjuntos de lentes independientes. The optical system as described, behaves in an optimal way when it is illuminated with a beam of luminous rays well collimated, which brings new options to the invention. Thus, if a set of lenses that is created with a positive lens and a negative lens, such that the positive lens is flat-convex, and the negative is flat-shaped and of the same optical power, it is possible to stick both lenses without space between them, in this way the path of the light rays is not altered. The movement of one element in reference to the other manages to tilt the rays at will, until practically beyond the 90º opening according to the design. In DE 3926618 Al, Philips describes 2 lenses that are clickable, but such lenses have a circular symmetry and also only consist of a set of two lenses, while in my invention, the lenses are cylindrical symmetry and exist at least Two sets of independent lenses.
En este invento, se pueden separar dos posibles usos del mismo, uno para crear luminarias que permiten proyectar imágenes, eso sí, de baja calidad, y luminarias pensadas solo para variar el campo de iluminación. En el primer tipo de luminaria, se utilizarían sistemas de lentes simples, y permitiría proyectar manchas luminosas con bordes bien definidos, al igual que se consigue con los proyectores de recorte, si bien la baja calidad de las imágenes, puede hacer que el posible uso de esta patente para esta aplicación sea muy limitado, puesto que el comportamiento de la luz en las líneas no paralelas a ninguno de los ejes de simetría de las lentes cilíndricas serán transformadas de modo extraño. In this invention, two possible uses of it can be separated, one to create luminaires that allow to project images, of course, of low quality, and luminaires designed only to vary the lighting field. In the first type of luminaire, simple lens systems would be used, and would allow projecting light spots with well-defined edges, as is achieved with clipping projectors, although the low quality of the images can make possible use of this patent for this application is very limited, since the behavior of the light in the lines not parallel to any of the axes of symmetry of the cylindrical lenses will be transformed in a strange way.
Sin embargo, se espera que las aplicaciones más demandadas sean aquellas en las que solo se pretende fabricar luminarias de campo variable pero no generadoras de imágenes, por lo que en este caso se podría utilizar un sistema de lentes múltiples, como el dibujado en la FIGURA 2, lo que aporta grandes ventajas, puesto que con esta disposición es posible tener conjuntos de lentes livianas, muy resistentes a la carga térmica de las lámparas y sobre todo con distancias focales muy reducidas, lo que permite llegar a alcanzar grades divergencias del haz luminoso con poco recorrido de las lentes, lo que además hará que las luminarias que lo incorporen sean compactas. However, it is expected that the most demanded applications are those in which it is only intended to manufacture luminaires of variable field but not generating images, so in this case a multi-lens system could be used, such as the one drawn in FIGURE 2, which brings great advantages, since with this arrangement it is possible to have sets of light lenses, very resistant to the thermal load of the lamps and especially with very reduced focal lengths, which allows reaching large divergences of the light beam with little lens travel, which will also make the luminaires that incorporate it compact.
40 En una lente múltiple, compuesta por varias lentes cilíndricas pegadas una a la otra, existe un grado de libertad en cuanto a la elección de la forma y curvatura de la superficie. Dicho grado de libertad permite fabricar sistemas de lentes con características óptimas según el tipo de aplicación buscada, lo que aporta un mayor rango de utilidad de esta invención a la hora de fabricar luminarias. 40 In a multiple lens, composed of several cylindrical lenses attached to each other, there is a degree of freedom in the choice of surface shape and curvature. This degree of freedom allows to manufacture lens systems with optimal characteristics according to the type of application sought, which provides a greater range of usefulness of this invention when manufacturing luminaires.
Si se trata de moldear un haz de rayos colimados (el sistema para colimar los rayos, no es objeto de esta patente), se ha descubierto, que la utilización de una superficie con forma hiperbólica convexa para la primera lente, y la forma opuesta para la segunda, es la mejor opción, puesto que esta geometría goza de menos aberraciones ópticas primarias que una superficie esférica convencional, habilitando un mejor control de la luz, haciendo posible reducir la distancia focal de las lentes y mejorando la calidad de la proyección y aumentando el ángulo máximo de proyección de la luz. De hecho, en la FIGURA 1 se muestra el comportamiento de un conjunto de lentes con superficie hiperbólica donde se ve como los rayos de luz van ganando en inclinación a medida que se separan entre sí las lentes. El conjunto de lentes dibujado no es muy crítico, y como se ve es capaz de producir inclinaciones en el pincel de rayos luminosos por encima de los 302 para conseguir haces luminosos de más de 602 de ángulo de campo. If it is a question of molding a beam of collimated rays (the system to collimate the rays, is not the object of this patent), it has been discovered that the use of a surface with convex hyperbolic form for the first lens, and the opposite form for the second is the best option, since this geometry enjoys less primary optical aberrations than a conventional spherical surface, enabling better light control, making it possible to reduce the focal length of the lenses and improving the quality of the projection and increasing the maximum angle of projection of the light. In fact, FIGURE 1 shows the behavior of a set of lenses with hyperbolic surface where it is seen how the rays of light gain in inclination as the lenses separate from each other. The set of lenses drawn is not very critical, and as seen it is capable of producing inclinations in the brush of light rays above 302 to get light beams of more than 602 field angle.
El sistema óptico objeto de esta patente comprende dos o más conjuntos de 2 o más lentes cada uno. Cada lente tiene una simetría cilíndrica y se puede mover en relación a la lente contigua, tal que esto permite la variación del campo de iluminación en una dirección del espacio (los rayos luminosos solo se curvan en una dirección perpendicular al eje de simetría de la lente) dejando la otra dirección (la paralela al eje de simetría de la lente) sin alterar (la luz no sufre cambio de dirección en esta dirección), la variación de la luz en esta segunda dimensión será el cometido del segundo conjunto de lentes. The optical system object of this patent comprises two or more sets of 2 or more lenses each. Each lens has a cylindrical symmetry and can be moved relative to the adjacent lens, such that this allows the variation of the illumination field in one direction of space (the light rays only curve in a direction perpendicular to the axis of symmetry of the lens ) leaving the other direction (parallel to the axis of symmetry of the lens) unaltered (the light does not change direction in this direction), the variation of the light in this second dimension will be the task of the second set of lenses.
Dichos conjuntos de lentes puede ser rotados a voluntad (de acuerdo al eje de trasmisión de la luz), para posibilitar el direccionamiento de la luz en La dirección deseada. Para entender esto, se parte de una haz de rayos luminosos colimado (paralelo) que se desplaza en el eje "Z". La lente que intercepta el haz luminoso está en el plano "XY", siendo por ejemplo el plano l/X", el eje de simetría de la lente. Así la luz no ve alterada su trayectoria en referencia al eje "X", pero si en referencia al eje l/y", y dicha alteración depende únicamente de la separación de las lentes que forman el conjunto. El giro de los conjuntos de lentes 902 en referencia al plano "Z", hace que la inclinación de la luz se varíe del eje "y" al eje "X". Said sets of lenses can be rotated at will (according to the axis of light transmission), to enable the direction of the light in the desired direction. To understand this, we start from a beam of collimated (parallel) light rays that travels on the "Z" axis. The lens that intercepts the light beam is in the "XY" plane, for example the l / X "plane, the axis of symmetry of the lens. Thus the light does not change its trajectory in reference to the" X "axis, but if in reference to the axis l / y ", and said alteration depends solely on the separation of the lenses that form the set. The rotation of the lens assemblies 902 in reference to the "Z" plane causes the inclination of the light to vary from the "y" axis to the "X" axis.
El primer conjunto de lentes como el descrito en el párrafo anterior solo permite variar el haz de luz en una dirección, para poder además variar la luz en el otro sentido, es necesario añadir un segundo conjunto de lentes cilíndricas similar al primero (es posible que se haya de modificar ligeramente su geometría para captar todos los rayos luminosos que salen del primer sistema). The first set of lenses such as the one described in the previous paragraph only allows varying the light beam in one direction, in order to also vary the light in the other direction, it is necessary to add a second set of cylindrical lenses similar to the first (it is possible that its geometry has to be modified slightly to capture all the light rays coming out of the first system).
Este segundo conjunto de lentes, que se puede llegar rotar en referencia al primer conjunto de lentes, de modo que cuando se orienta formando 902 de inclinación con el eje de las lentes del primer conjunto de lentes, permite variar la apertura luminosa de la luz en la dirección perpendicular a la variación del primer conjunto de lentes, pudiendo de este modo completar el ajuste del campo de la iluminación en la dirección que el primer conjunto de lentes no alteraba la luz. Cuando esto se hace así, la luz adquiere una distribución con simetría en el plano horizontal (eje "X", modelado por la primera disposición de lentes) yen el plano vertical (eje "Y", modelado por la segunda disposición de lentes). El giro del segundo conjunto de lentes en referencia al primer conjunto de lentes, permite obtener distribuciones de luz no simétricas, que pueden ser útiles para iluminar superficies más complejas. This second set of lenses, which can be rotated in reference to the first set of lenses, so that when oriented by forming 902 of inclination with the axis of the lenses of the first set of lenses, it allows to vary the light aperture of the light in the direction perpendicular to the variation of the first set of lenses, thus being able to complete the adjustment of the illumination field in the direction that the first set of lenses did not alter the light. When this is done, the light acquires a distribution with symmetry in the horizontal plane ("X" axis, modeled by the first lens arrangement) and in the vertical plane ("Y" axis, modeled by the second lens arrangement). The rotation of the second set of lenses in reference to the first set of lenses, allows to obtain non-symmetrical light distributions, which can be useful for illuminating more complex surfaces.
Si no se desea conferir al sistema con este grado de libertad de ajuste adicional, es posible hacer coincidir la última lente del primer conjunto de lentes y la primera del segundo conjunto de lentes, en una misma pieza, ahorrando de este modo espacio, y dos superficies de difracción, lo que permite ganar rendimiento lumínico al sistema y hacer el sistema más ligero y menos costoso. Se ha de advertir que aun así, se mantiene el grado de libertad y control independiente de la apertura horizontal y de la apertura vertical del haz luminoso, que es la característica relevante de esta invención. If it is not desired to confer to the system with this degree of freedom of additional adjustment, it is possible to match the last lens of the first set of lenses and the first of the second set of lenses, in one piece, thus saving space, and two diffraction surfaces, which allows the system to gain light efficiency and make the system lighter and less expensive. It should be noted that even so, the degree of freedom and independent control of the horizontal aperture and vertical aperture of the light beam, which is the relevant feature of this invention, is maintained.
Un sistema de lentes puede contener una lente cilíndrica plano-convexa con superficie curvada de forma hiperbólica, y otra lente cilíndrica cóncava-plana de superficie curvada de forma hiperbólica, tal que una lente y la otra puedan pegarse completamente y no se produzca alteración de los rayos luminosos. Cuando ambas lentes se van separando una de la otra el ángulo del campo luminoso se va abriendo. A lens system may contain a flat-convex cylindrical lens with a hyperbolic curved surface, and another concave-flat cylindrical lens with a hyperbolic curved surface, such that one lens and the other can be fully glued and there is no alteration of the light rays When both lenses separate from each other, the angle of the light field opens.
Puesto que un sistema completo, se van a utilizar 6, 8 o más superficies refractantes montadas al aire, y cada una de ellas por las leyes de la óptica van a generar unas pérdidas por reflexiones de más de un 4% de la luz que incida sobre cada una de las superficies, es importante limitar en los sistemas de alto rendimiento estas pérdidas por reflexión, con lo que es posible que para estos sistemas se utilicen recubrimientos antirreflectivos, de una o varias capas para aminorar las pérdidas del sistema. Since a complete system, 6, 8 or more air-mounted refractive surfaces are going to be used, and each of them by the laws of optics will generate losses by reflections of more than 4% of the light that falls on each of the surfaces, it is important to limit these losses in reflection in high performance systems, so it is possible that for these systems antireflective coatings of one or several layers are used to reduce system losses.
EXPLICACiÓN BREVE DE LOS DIBUJOS BRIEF EXPLANATION OF THE DRAWINGS
Como ilustración de esta patente se han incorporado 3 dibujos denominados Figura 1, Figura 2 y Figura 3. As an illustration of this patent, 3 drawings named Figure 1, Figure 2 and Figure 3 have been incorporated.
FIGURA 1 FIGURE 1
La figura 1 muestra un esquema del comportamiento óptico del sistema de lentes de la invención para distintas separaciones entre las lentes. Como se aprecia de la figura los rayos de luz se comban a medida que se van separando las lentes entre sí. Figure 1 shows a schematic of the optical behavior of the lens system of the invention for different separations between the lenses. As can be seen from the figure, the light rays are combated as the lenses separate from each other.
FIGURA 2 FIGURE 2
La figura 2 muestra un diseño en tres dimensiones de un posible conjunto de lentes, Figure 2 shows a three-dimensional design of a possible set of lenses,
compuesto por una lente planoconvexa y una lente planocóncava. Cada una de las lentes It consists of a flat convex lens and a flat concave lens. Each of the lenses
posee 5 elementos cilíndricos adosados uno a otro. It has 5 cylindrical elements attached to each other.
35 FIGURA 3 35 FIGURE 3
En la FIGURA 3, se describe un posible dispositivo de iluminación (proyector de luz) que incorpora un sistema de lentes como el descrito en esta invención. In FIGURE 3, a possible lighting device (light projector) incorporating a lens system such as that described in this invention is described.
En esta figura se esquematiza el sistema óptico compuesto por dos conjuntos de lentes (conjunto primero, números 5 y 6; conjunto segundo, números 6 y 7) en combinación con otros elementos del dispositivo de iluminación (número 1, reflector parabólico; número 2, fuente de luz; número 3, pantalla opaca) In this figure the optical system composed of two sets of lenses (first set, numbers 5 and 6; second set, numbers 6 and 7) is schematized in combination with other elements of the lighting device (number 1, parabolic reflector; number 2, light source; number 3, opaque screen)
EXPLICACiÓN DE UN MODELO DE DISPOSITIVO QUE PUEDE INCORPORAR LA INVENCiÓN DESCRITA EXPLANATION OF A DEVICE MODEL THAT CAN INCORPORATE THE DESCRIBED INVENTION
En la FIGURA 3, se describe un dispositivo de iluminación que incorpora un sistema de lentes como el descrito en esta invención y que se explica a continuación. In FIGURE 3, a lighting device is described which incorporates a lens system such as that described in this invention and which is explained below.
Este dispositivo de iluminación consta de un reflector parabólico compuesto por un paraboloide de revolución (identificado con el número 1 en la figura). En el eje del paraboloide se le practica un orificio para introducir una fuente de luz (lámpara eléctrica) cuya área de emisión lumínica sea compacta (identificada con el número 2 en la figura), al objeto de situar el área de emisión de luz en el foco del paraboloide, y así lograr un haz luminoso bien colimado. Para evitar que la luz de la lámpara pueda llegar directamente al sistema de lentes, se interpone una pantalla opaca entre la lámpara eléctrica y el sistema de lentes (identificada con el número 3 en la figura). This lighting device consists of a parabolic reflector composed of a revolution paraboloid (identified with the number 1 in the figure). In the axis of the paraboloid a hole is made to introduce a light source (electric lamp) whose light emission area is compact (identified with the number 2 in the figure), in order to place the light emission area in the focus of the paraboloid, and thus achieve a well collimated light beam. To prevent the lamp light from reaching the lens system directly, an opaque screen is interposed between the electric lamp and the lens system (identified with the number 3 in the figure).
La lente planoconvexa del primer conjunto de lentes, se identifica en la figura con el número 4, y en este caso concreto, esta lente no se desplaza en referencia al reflector parabólico, mientras que con el número 5 se representa la lente planocóncava del primer conjunto de lentes, y ésta si es desplazable, y se muestra en tres posibles posiciones (pegada a la lente planoconvexa, en una posición intermedia y a la mayor separación posible de la lente planoconvexa del primer conjunto del primer conjunto de lentes). The flat convex lens of the first set of lenses is identified in the figure with the number 4, and in this specific case, this lens does not move in reference to the parabolic reflector, while with the number 5 the flat-shaped lens of the first set is represented of lenses, and this if it is movable, and is shown in three possible positions (attached to the convex flat lens, in an intermediate position and to the greatest possible separation of the flat convex lens from the first set of the first set of lenses).
Con el número 6 se identifica la lente planoconvexa de un segundo conjunto de lentes, que al igual que la lente "4", no se puede desplazar en referencia al reflector parabólico. Con el número 7 se identifica la lente planocóncava del segundo conjunto de lentes, que es desplazable en referencia a reflector parabólico, y al igual que en el caso anterior, se representa en tres posibles posiciones, cercana a la lente planoconvexa del segundo conjunto de lentes, en una posición intermedia y a la máxima separación de la lente planoconvexa del segundo conjunto de lentes. Este segundo conjunto de lentes tiene la particularidad de estar montado en el eje del paraboloide, pero rotado 902 en referencia a la orientación del primer With the number 6 the flat convex lens of a second set of lenses is identified, which, like the "4" lens, cannot be displaced in reference to the parabolic reflector. With the number 7, the flat concave lens of the second set of lenses is identified, which is movable in reference to the parabolic reflector, and as in the previous case, it is represented in three possible positions, close to the flat convex lens of the second set of lenses , in an intermediate position and at the maximum separation of the flat convex lens from the second set of lenses. This second set of lenses has the particularity of being mounted on the axis of the paraboloid, but rotated 902 in reference to the orientation of the first
35 conjunto de lentes. 35 set of lenses.
Se representan en esta figura los rayos luminosos que salen de la lámpara y que inciden en el The light rays coming out of the lamp and affecting the lamp are represented in this figure.
reflector parabólico y tal y como salen de él. No se representa el efecto de las lentes sobre parabolic reflector and as they leave it. The effect of the lenses is not represented on
estos rayos para no complicar la visión del dibujo. these rays to not complicate the vision of the drawing.
Partiendo de una fuente de luz de emisor compacto, es posible conseguir un haz luminoso bastante colimado utilizando un reflector parabólico. Estos rayos prácticamente colimados inciden sobre el primer conjunto de lentes, compuesto por una lente cilíndrica planoconvexa compuesta y una segunda lente cilíndrica planocóncava. Si la primera lente se mantiene fija en referencia al reflector, el desplazamiento de la segunda lente va a permitir que la luz vaya divergiendo de un modo controlado (en la figura los rayos luminosos se combarían hacia arriba y hacia abajo en el plano del dibujo). Starting from a compact emitter light source, it is possible to achieve a fairly collimated light beam using a parabolic reflector. These practically collimated rays strike the first set of lenses, composed of a composite cylindrical flat-convex lens and a second cylindrical flat-concave lens. If the first lens remains fixed in reference to the reflector, the displacement of the second lens will allow the light to diverge in a controlled manner (in the figure the light rays would combine up and down in the drawing plane) .
Así cuando ambas lentes están en contacto, el campo de iluminación es similar al campo de iluminación que se produciría utilizando la fuente de luz y el reflector parabólico, solamente atenuado por las pérdidas de reflexión en las superficies de las lentes. Pero a medida que ambas lentes se van separando una en referencia a la otra el campo de apertura de la iluminación se va abriendo, y todo esto en una sola dirección. Thus when both lenses are in contact, the illumination field is similar to the illumination field that would be produced using the light source and the parabolic reflector, only attenuated by the loss of reflection on the lens surfaces. But as both lenses are separated one in reference to the other the opening field of lighting is opening, and all this in one direction.
Con el segundo conjunto de lentes, se procede de igual forma, pero con la particularidad de que el campo de iluminación es variado en una dirección perpendicular al primer conjunto de lentes (los rayos luminosos se comban hacia adelante y hacia atrás en el plano perpendicular al dibujo). Esta asociación permite construir un dispositivo de iluminación capaz de ajustar su campo de alumbrado a voluntad abriéndolo o cerrándolo en dos direcciones del espacio, lo que supone ganar un grado de libertad en comparación con los dispositivos habituales de iluminación. With the second set of lenses, we proceed in the same way, but with the particularity that the illumination field is varied in a direction perpendicular to the first set of lenses (the light rays are combated back and forth in the plane perpendicular to the He drew). This association allows to build a lighting device capable of adjusting its lighting field at will by opening or closing it in two directions of space, which means gaining a degree of freedom compared to the usual lighting devices.
En este dibujo no se dan detalles de los montajes prácticos, mecanismos de separación de las lentes y otros detalles, puesto que se entiende que por la naturaleza de las lentes, no se van a requerir sistemas especiales de montaje y desplazamiento de las lentes, que no estén presentes en otros tipos de luminarias con reflectores y lentes móviles. This drawing does not give details of the practical assemblies, lens separation mechanisms and other details, since it is understood that due to the nature of the lenses, special lens mounting and displacement systems are not required, which they are not present in other types of luminaires with reflectors and moving lenses.
Se estima que en este sistema, tal y como está dibujado, la luz puede variar el campo de iluminación desde unos 32 de apertura mínima hasta más de 802 de apertura de acuerdo a uno de los ejes y unos entre 32 y unos 602 de acuerdo al eje perpendicular. Es importante advertir, que esto se logra con una cantidad de flujo luminoso casi invariable a lo largo de todo el recorrido en la apertura del haz luminoso en ambos sentidos. Para un sistema con recubrimiento antirreflectivo, el rendimiento del sistema puede llegar a alcanzar el 50%-60% del flujo total emitido por la lámpara, para una luminaria como la representada en la figura 3 (esto se puede mejorar incluso utilizando fuentes de luz LED compactas). It is estimated that in this system, as it is drawn, the light can vary the illumination field from about 32 minimum aperture to more than 802 aperture according to one of the axes and between 32 and 602 according to the perpendicular axis. It is important to note that this is achieved with an almost invariable amount of luminous flux along the entire path in the opening of the light beam in both directions. For a system with anti-reflective coating, the system performance can reach 50% -60% of the total flow emitted by the lamp, for a luminaire like the one shown in figure 3 (this can be improved even using LED light sources compact)
Claims (5)
- S S
- S. Un sistema de lentes de acuerdo a las reivindicación 1, se caracteriza por poder ser construido de tal modo que todos los conjuntos de lentes puedan ser rotados solidariamente en referencia al eje de la luminaria de este modo el giro solidario de los conjuntos de lentes permite orientar la luz en la dirección deseada. (Se entiende por eje de la luminaria, el eje de simetría de la luminaria, por ejemplo, en el caso de utilizar un reflector parabólico para colimar la luz de una lámpara, dicho eje coincide con el eje de revolución del paraboloide). S. A lens system according to claim 1, is characterized in that it can be constructed in such a way that all the lens assemblies can be rotated jointly in reference to the axis of the luminaire in this way the solidarity rotation of the lens assemblies Allows you to orient the light in the desired direction. (The axis of the luminaire is understood as the axis of symmetry of the luminaire, for example, in the case of using a parabolic reflector to collimate the light of a lamp, said axis coincides with the axis of revolution of the paraboloid).
- 10 10
- 6. Un sistema óptico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por estar compuesto por lentes de simetría cilíndrica y superficie esférica, parabólica, hiperbólica, elíptica o asférica. 6. An optical system according to any of the preceding claims characterized by being composed of cylindrical symmetry lenses and spherical, parabolic, hyperbolic, elliptical or aspherical surfaces.
- lS lS
- 7. Un sistema óptico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por estar compuesto por lentes que incorporan tratamientos antirreflectivos al objeto de disminuir las pérdidas por reflexión sobre las superficies de las lentes. 7. An optical system according to any of the preceding claims characterized by being composed of lenses incorporating anti-reflective treatments in order to reduce the losses due to reflection on the surfaces of the lenses.
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- . II 1. II 1
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