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Title:
MULTILAYER PLANAR OPTICAL DEVICE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2016/102720
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a multilayer planar optical device formed by a multilayer planar structure in the form of a flexible, mouldable or rigid band (or set of bands) containing different active or passive optical elements for emitting and detecting light beams, connected to a power supply, regulation and control unit. The device can be secured to tools or instruments and used for lighting, optical analysis, image recording and controlling devices by means of the emission and detection of light signals in hard-to-reach spaces and cavities. The invention is suitable for use in industries involved in the production of appliances, devices and auxiliary elements for lighting, optical analysis of materials and image recording. More specifically, the invention is suitable for use in the fields of automation, motors and pipes for gases and fluids, as well as in medicine, surgery, dentistry, biology and veterinary medicine.

Inventors:
GÓMEZ GONZÁLEZ EMILIO (ES)
Application Number:
ES2015/000180
Publication Date:
June 30, 2016
Filing Date:
December 17, 2015
Export Citation:
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Assignee:
UNIV SEVILLA (ES)
International Classes:
F21L4/00
Domestic Patent References:
WO2010141580A22010-12-09
Foreign References:
EP1786042A12007-05-16
US20120025701A12012-02-02
US20060022592A12006-02-02
US20100327737A12010-12-30
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Claims:
REIVI N DICACIONES

Dispositivo óptico planar muiticapa caracterizado porque comprende:

a) Una banda óptica muiticapa flexible, rnoldeabie o rígida (1 ) o conjunto le ellas, estando constituida cada una por las Siguientes capas siendo el orden relativo de las capas componentes corno sigue enumerado desde ei espacio hacia donde se emite la luz

Una capa protectora superior (4)

Capa óptica pasiva (5)

Capa óptica activa (6)

Lámina disipadora térm ica y de soporte estructura! { ?)

Capa de elementos detectores de iuz (9)

Capa de elementos emisores de luz (8)

Capa mag nética de fijación o capa plástica con ¡manes intercalados ( 1 0;

Una capa protectora inferior { 1 1 }.

Una capa de matenai adhesivo ( 1 2) para su fijación permanente o temporal ó) Unidad de alimentación, regulación y control (2) y

c) Conjunto de cableado térmico y eléctrico de conexión (3).

para iluminación , análisis óptico, registro ce imágenes y control de dispositivos mediante emisión, modulación y recepción de haces luminosos.

2. Dispositivo óptico planar muiticapa según reivindicación anterior caracterizado porque las capas protectoras superior e inferior se unen por sus lados configurando una envoltura hermética, cerrada por su perímetro. De esta manera, ia banda óptica puede usarse en recintos espacios, cavidades u oquedades rellenos de material fluido o l íquidos sin que éstos hagan contacto con los elementos y capas contenidos dentro del envoltorio definido por las capas protectoras unidas.

3 Dispositivo óptico planar muiticapa según reivindicaciones anteriores caracterizado porque la capa óptica pasiva está constituida por elementos refractantes, reflectantes, difractantes, dispersantes y difusores insertados, grabados o troquelados en una lamina soporte de material adecuado, preferentemente de material plástico

4. Dispositivo óptico p!anar muiticapa según reivindicaciones anteriores caracterizado porque ia capa óptica activa está constituida por un conjunto de elementos pianos activos, preferentemente de cristal líquido, moduladores espaciales de luz. obturadores, lentes de forma variable mediante centro! eléctrico y filtros regulables insertados en una lámina de soporte flexibie en la que se integran los elementos electrónicos y cableado necesarios para su correcta aumentación y control

5 Dispositivo óptico pianar multicapa según reivindicaciones anteriores caracterizado porque la lámina disipadora térmica y de soporte estructural ce la banda óptica es una cinta de un buen conductor térmico, preferentemente metalice, de un espesor que oscila entre 0.05 mm y 3 mm. dotada ce huecos en las posiciones de ios emisores y ios detectores, en contacto directo con ios mismos y con la capa óptica activa, de manera que permite ia disipación de! calor generado por los elementos ópticos activos, emisores y detectores hacia la unidad externa de regulación y control

6. Dispositivo óptico pianar multicapa según reivindicación 5 caracterizado porque la lámina disipadora térmica y de soporte estructural es de material de cobre o similar, con un espesor que oscila entre 0,05 mm y 0.5 m para una banca óptica flexible o maieabie.

7 Dispositivo óptico pianar multicapa según reivindicación 5 caracterizado porque la lamina disipadora térmica y de soporte estructura; es de material de aluminio o similar, con un espesor que oscila entre 0,2 mm y 3 m para una banda óptica rígida

8. Dispositivo óptico pianar multicapa según reivindicaciones anteriores caracterizado porque la capa de elementos emisores de luz consta de un conjunto de diodos emisores de luz (LED) de alfa luminosidad o diodos láser (LD), montados de forma superficial (S D) sobre una muta soporte, en contacto térmico con ia lamina disipadora térmica y en la que se integran los elementos electrónicos adicionales y cableado necesarios para su correcta alimentación y control. 9 Dispositivo óptico pianar muiticapa según reivindicaciones anteriores caracterizado porque la capa de elementos detectores de luz consta de un conjunto de detectores cuyas posiciones están intercaladas o consecutivas con ios elementos emisores, Situados sobre su misma capa y en contacto térrico con ia lámina disipadora térmica.

10. Dispositivo óptico pianar muiticapa según reivindicaciones anteriores caracterizado porque ia unidad ce alimentación, regulación y control consta de a) una fuente de alimentación continua de bajo voitaje, preferentemente 12V o 24 V. que proporciona ia tensión y corriente eléctrica necesarias a ios eiernentos activos de ia banda óptica conectada con la misma:

b) un conjunto de eiernentos disipadores pasivos, tipo aletas, o activos, tipo ventiladores o módulos termoeléctricos, que disipan el calor generado por los elementos activos situados en ia banda óptica, y

c) la circuiterta electrónica que genera, transmite, adapta, y modula las señales de control ce las propiedades y características de ios elementos ópteos activos, o) la Circuiiería electrónica que genera, transmite, adapta, y modula las señales que son convertidas por los diodos emisores en secuencias de pulsos luminosos de la ampüiud. frecuencia, longitud de onda, fase y polarización requeridas para conseguir la activación y comunicación con otros elementos detectores de luz que se encijentren situados en el entorno de la banda que las emite, y

e) la circuiiería electrónica que recibe, desedifica y almacena las señales recibidas por los detectores situados en ia banda óptica

1 1 . Dispositivo óptico placar muiticapa según reivindicaciones anteriores caracterizado porque el conjunto de cableado térmico y eléctrico de conexión está dotado oe cocedores en sus exiremos a la banda óptica y a la unidad de alimentación y control que transmiten el calor generado en la banda óptica, la alimentación eléctrica, las señales ele control y modulación óe la luz emitida y las señales y datos generados por los detectores.

1 2 Dispositivo óptico pianar muiticapa según reivindicaciones anteriores caracterizado porque el cableado está recubierto de material biocompatibie y esteriiizabie par ser reutilizable, reciclable o desechadle.

1 3. Uso del dispositivo desculo en las reivindicaciones anteriores para la Iluminación, análisis óptico, captación de imágenes y control óptico de otros dispositivos., en recintos, cavidades, oquedades y espacios de difícil acceso , preferentemente en los sectores de autorooción, motores y conducciones de gases y fiuidos asi como en medicina , cirugía, odontología, biología y veterinari

Description:
TÍTULO

Dispositivo óptico planar muiticapa

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un dispositivo óptico portátil compuesto por una estructura planar muiticapa con forma de banda flexible, moldeadle o rígida (o conjunto de ellas) que contiene diversos elementos ópticos, activos y pasivos, de emisión y detección de haces luminosos, conectada/s con una unidad de alimentación , regulación y controi. Este dispositivo puede fijarse a herramientas o instrumentos y permite la iluminación, el anáfisis óptico, el registro de imágenes y el control de dispositivos mediante la emisión y recepción de señales luminosas en espacios y cavidades de difícil acceso.

Tiene su aplicación dentro de ias industrias de fabricación de aparatos, dispositivos y elementos auxiliares de luminación, de análisis óptico de materiales y de registro de imágenes Más concretamente en ios sectores de automoción , motores y conducciones de gases y fluidos así co o en medicina, cirug ía, odontología biolog ía y veterinaria

ESTADO DE LA TÉCNICA

En numerosas aplicaciones Industriales y tecnológicas resolta necesario iluminar, captar imágenes y analizar las propiedades ópticas de cavidades, recintos y oquedades de tamaño reducido o de difícil acceso. Tales aplicaciones incluyen ios ámbitos de automoción. inspección ce motores y conducciones de gases y fluidos, asi como los sectores de medicina, cirug ía, odontología, biología o veterinaria

Para Iluminar en este tipo de recintos se utilizan, er¡ general, i) lámparas o luminarias de múltiples tipos, sujetas mediante diversos mecanismos articulados o rígidos , il) fibras ópticas que transmiten luz de una fuente externa ai interior del espacio y sil) linternas o fuentes puntuales Las fuentes de tipo lámparas externas tienen en com ún que la luz incidente sobre la zona q ue se desea iluminar se dirige a la misma en forma de un haz cil indrico o cónico como en el modelo de utilidad ES 1088014 Aunque pueden conseguirse niveles de iluminación adecuados para ios diversos usos el uso simultáneo de herramientas o Instrumentos genera zonas de sombra o de iluminación limitada Análogamente sucede con ias fibras ópticas de iluminación, cíe uso común en aplicaciones médicas y quirúrgicas. Por otra parte, el rápido desarrollo de las tecnologías de diodos emisores de luz (LED) ha llevado a ia generalización de numerosos tipos de luminarias basados en este tipo de fuentes luminosas, con deseables características ce durabilidad, fiabiüdad y ba¡o consumo. Aigunos de ios aspectos tecnológicos más destacadas que deben resolverse en cada caso son ios referentes a la distribución espacia! de la luz emitida, tai como en ia patente ESI 076869, y ia propia distribución de emisores en las lámparas o luminarias, como en ios modelos de utilidad ES 1088169, ES2096710T3 y ES1067877U. Entre las aplicaciones de estas fuentes de luz destacan cables o tiras de tales diodos para usos ornarrienlales y decorativos y corno elementos en paneles de señalización o iluminación, como el descrito en el modelo de utilidad ES1076900U

Por otra parte, para captar imágenes en ios recintos y cavidades descritos se utilizan dispositivos tales como endoscopios y sistemas an logos, en ios que la imagen captada por una fibra óptica o una microcamara s tuada en si extremo de un elemento ce inserción es transmitida ai extenor Asimismo para realizar mecidas de propiedades ópticas en tales entornos se introducen en ios mismos diversos sistemas de captación de ia luz reflejada mediante fibras ópticas o pequeños sensores. Por su parte, para el control de dispositivos en un recinto o cavidad se utilizan mecanismos de comunicación radioeiéctrica o cableado de unión con los mismos

La invención prepuesta combina, en un único dispositivo, elementos que aportan un enfoque innovador a las limitaciones de ios referidos sistemas el caior generado por las fuentes luminosas y otros elementes activos es evacuado a través del elemento que le da forma y soporte estructural, ia forma de banda muiticapa permite disponer, simultáneamente y en el mismo dispositivo de emisores y receptores ce luz dotados, cada uno. de diversos elementos ópticos activos y pasivos que modulan o modifican las propiedades de la luz emitida y recibida Estos elementos adicionales tienen forma y geometría planar. a diferencia de las combinaciones de lentes y espejos propios de las fuentes luminosas tales como los referidos en las patentes EP1880139B1 . US20072633SCA1 y DE2020G50G7500U 1 y en dispositivos de colimación y concentración como el descrito en ia patente ES236339681 La geometría ce! dispositivo propuesto en forma de banda rnulticapa permite, asimismo, que sea de tamaño reducido y de fácil introducción en recintos de difícil acceso y la posibilidad ce fiexionarlo o moldear su forma permite adaptarlo a la forma de instrumentes o herramientas de uso común en cada aplicación. La combinación de estas características y les elementos Indicados posibilita que. en el mismo dispositivo, puedan realizarse simultanea o independientemente las funciones de iluminación , medida de propiedades ópticas, captación de imágenes y control óptico de otros dispositivos. DESCRI PCIÓN DE LAS FIGURAS

Para complementar la descripción de ia invención, se acompaña el siguiente conjunto de figuras como parte integrante de su descripción, con carácter ilustrativo y no limitativo.

Figura 1 .·· Esquerra general del dispositivo óptico pianar muiticapa.

( 1 ) Banda óptica

(2) Unidad de alimentación , regulación y control

(3) Haz de cables de conexión.

(25) Diodo emisor LED de aita luminosidad.

(26) Diodo emisor láser.

(27) Detector de tipo fotodiodo (puntual).

(28) Detector de tipo sensor matacía! de imagen.

(43) Margen de unión de las capas protectoras superior e inferior

Figura 2. Perfil de una banda óptica

(A8) Eje longitudinal de la banda óptica.

(C D) y (EF) Ejes que definen eí plano (sección o perfil) de la banda a io largo del eje longitudinal AS

(4) Capa protectora superior

(5) Capa óptica pasiva.

(6) Capa óptica activa

(7) Lámina disipadora térmica y de soporte estructural

(8) Capa de emisores (diodos LED y diodos láser)

(9) Capa de detectores (fotodiodos puntuales y sensores lineales y matriciaies)

(10) Capa magnética.

( 1 1 ) Capa protectora inlenor

( 1 2} Capa adhesiva.

(35) Cable de conexión térmica ce la iámina disipadora térmica y de soporte estructural

(37) Cables de alimentación eléctrica de la capa óptica activa, ia capa de emisores y la capa de detectores

(38) Cabios de control de la capa óptica activa, la capa de emisores y la capa de detectores.

(39) Disipador térmico de ia unid ad de alimentación, regulación y control. (40) Ranuras de salida del calor/aire calienta de la unidad de alimentación, regulación y control

(41 ) Fuente de alimentación de corriente continua de todos los elementos de la banda.

(42) Módulos de electrónica para generación de las señales de control de todos los elementos de la banda y para recepción y análisis de las señales generadas por los detectores

(44) Escala graduada de longitud

(45) Orificios para permitir ia ij ció mecánica de la banda

(46; Conjunto de conectares de alimentación eléctrica, conducción térmica, señales de control y datos

Figura 3. · Vista esquemática de ia disposición de las diferentes capas que componen una banda óptica.

( 1 3) Haz de luz emitido por un diodo L EO

(1 ) Haz de luz emitido por un diodo láser

( 1 5) Ventanas ópticas de cristal ulírafsno o plástico transparente en la capa óptica activa. ( 16; Ventanas ópticas de cristal uitrarno o plástico transparente en ;a napa óptica pasiva

( 1 7) Filtro óptico de color (en la capa óptica pasiva).

(1 8) Lámina difusora (en la capa óptica pasiva).

( 19) Recl de difracclon/bologrática (en la capa óptica pasiva) .

(20) Conjunto de mscroprismas (en ia capa óptica pasiva)

(21 ) Conjunto de icrolentes (en ia capa óptica pasiva) .

(22) Modulador espacial de luz o de costal l iquido (en la capa óptica activa ;

(23) icroiente de forma variable (en la capa óptica activa).

(24) Filtro variable (en la capa óptica activa)

(29) Cables de alimentación eléctrica de la capa óptica activa

(30) Cables de alimentación eléctrica de ia capa de emisores.

(31 ) Cables de alimentación eléctrica oe ia capa de detectores

(32) Cables de control de la capa óptica activa

(33) Cables de control oe la capa oe detectores

(34) Cables de control de la capa de emisores

(36) Huecos en ia lamina disipadora térmica y de soporte estructural Corresponden a las posiciones de los emisores y detectore Figura 4 ·· Vista esquemática (perfil) de una primera realización preferida de la presente invención, como dispositivo de iluminación

(47) Cono de luz con ángulo de 120° emitido por los diodos emisores LED

(48) Superficie que se desea iluminar (representada, por sencillez, como un plano paralelo a la banda óptica ; .

Figura 5 - Vista esquemática (perfil) de una segunda realización preferida de la presente invención, como dispositivo de análisis óptico del medio o de las paredes del recinto en ei que se inserta la banda

(o) Áng ulo de curvatura (flexión) del eje longitudinal de la banda óptica.

(4Ss Cono de luz con ángulo de 90* emitido par los diodos LED

(50) Haz emitido por ei diodo láser, de sección rectangular del mismo tamaño de la superficie activa de emisión.

(51 ) Superficie cuyas propiedades óptica se desea analizar

(52) Haz reflejado (o emitido per fluorescencia) por la superficie analizada

(53) Luz inc ¡ den?e sobre el detector (fotodiodo puntual) .

Figura 6. · Vista esquemática (perfil) ce una tercera eali ación preferida de la presente invención, como dispositivo de registro de Imágenes .

(54) Ventanas ópticas de cristal ultrafioo o plástico transparente en la capa protectora superior

(55) Haces de luz estructurada proyectados sobre ia superficie que se desea registrar

(56) Campo de visión angular captaoo por el prime sensor matricsa: de Imagen.

(57) Campo de visión angular captado por el segundo sensor rnatnciai de Imagen

Figura 7.- Vista esquemática (perfil) de una cuarta realización pretenda de ia presente invención , como dispositivo de control y comunicación (mediante señales luminosas) de otros dispositivos

(58) Dispositivo que se comunica/controla mediante señales luminosas

(59) Recinto/espacio (59) iluminado por la banda óptica

(60) Señales ópticas (datos y señales) emitidas por los dispositivos controlados por la banda óptica DESCRiPCiÓN DE L A INVENCIÓN

L a presen e invención se refiere a un dispositivo óptico portátil de iluminación, anáfisis, registro de im genes y control de dispositivos mediante emisión, modulación y detección de haces luminosos , compuesto de una estructura multicapa de elementos Opticos con forma de banda (o conjunto de tales unidades ;, ffexibíe(s), moldeableíss o rigida(s). conectaoa(s) con una unidad de alimentación, regulación y control

Cada banda óptica se compone de una pluralidad de elementos emisores de iuz (diodos emisores de luz {üght emiitmg d ode L E O) diodos láser (faser oVoo'e. L.D n en montaje superficial {surface mounted asede SMD). elementos detectores de iuz (puntuales, que reciben iuz y la convienen en una señal eléctrica, y sensores lineales y matnciaies. que permiten captar una imagen) y elementos ópticos activos y pasivos, todos dispuestos en capas superpuestas sobre una lámina disipadora térmica y de soporte estructural, y el correspondiente cableado de conexión (con la referida unidad de alimentación y control }, conformando una estructura plana? , con forma genérica de banda (o cinta), flexible, moldeable o rígida (según el material y dimensiones de la lámina de soporte estructural), de tamaño variable , envuelta o recubienta con un material plástico transparente dotado de escalas indicadoras de longitud y de orificios para su fijación mecánica Cada banda puede fijarse, asimismo, mediante adhesivos o Imanes a instrumentos, dispositivos o herramientas para permitir su uso en el mteoor de cavidades, oquedades y espacios reducidos o de difícil acceso

El tamaño de fas bandas esta principalmente determinado por las tecnolog ías ce los emisores y detectores utilizados en montaie superficial, sus características de consumo eléctrico y el tipo de datos o señales que emitan o reciban . Con las tecnologías actualmente disponibles, la dimensión transversal (ancho) de una banda puede ser desde unos 4 milímetros (mm) basta 15 mm. la dimensión longitudinal · largo) desde unos 30 m hasta unos 3C0 mm y el grosor (espesor) desde unos 3 mm basta 10 mm .

El presente dispositivo es de carácter modula?, de manera que un conjunto de bandas ópticas, dotadas de diversas agrupaciones de emisores y detectores de lu , puede combinarse con otras para conseguir múltiples configuraciones geométricas de diversas formas y tamaños, según la finalidad deseada Estas funciones son:

- iluminación de un recinto de difícil acceso (mediante la combinación de un conjunto de diodos emisores y. en su caso elementos ópticos difusores en la capa óptica pasiva). ·- análisis óptico de propiedades de; medio o reciento en el que se encuentra el dispositivo. Específicamente permite ia realización de medidas de reflectancia difusa, reg istro de ios espectros oe absorción o de fluorescencia , tanto estáticos como dinám icos (mediante ia com binación de vanos diodos emisores y detectores puntuales, lineales o matriCiales y. en su caso , disponiendo filtros, lentes o prismas en las capas ópticas activa y pasiva)

■■ registro de imágenes (mediante detectores de luz dei tipo sensores lineales o matrtclaies de imagen con lentes y filtros superpuestos) Específicamente, pueden registrarse imágenes del interior de cavidades y recintos de difícil acceso La combinación de proyecciones de haces de luz estructurada (con patrones generados por a capa óptica activa , iluminada por les diodos emisores) con ia captación i multánea o secuencia! de Imágenes en sensores matriciaies (dotados, en su caso, con lentes superpuestas en las ca pa óptica pasiva) permite obtener secuencias (o escaneados) de ¡m agenes b;d¡rnens!ona!es (2D) convencionales , pares estereoscópicos u otros conjuntos adecuados para obtener reconstrucciones o visuaiizaciones trid imensionales (3D) del recinto en el que se sitúa la banda

• comu nicación y control de dispositivos capaces de emitir y recibir pulsos luminosos o señales luminosas con inform ación codificada en amplitud, frecuencia, longitud de onda fase , polarización o cu alquier oir propiedad de las ondas y haces luminosos Esta codificación se consigue mediante la modulación o control de las propiedades de la luz emitida por los emisores y de las características de los elementos (de tipo cristal l iquido) que se disponen en la capa óptica activa, tanto sobre tos emisores como sobre los detectores.

Con referencia a ias figuras 1 . 2 y 3 adjuntas, ¡ os elementos constitutivos y caracter ísticas de cada parte de ia invención descrita son los Siguientes

E n cada banda óptica , el orden relativo de las capas componentes es corno sigue (enumerado desde el espacio hacia donde se e ite la lu ) .

capa protectora superior (4 ) ,

- capa óptica pasiva (5) ,

· ca pa óptica activa (6) ,

- lámina disipadora térmica y de soporte estructural ( 7 j ,

- capa de elementos detectores (9) , - capa de elementos emisores (8).

·· capa magnética de fijación o capa plástica con ¡ manes intercalados (10),

·· capa protectora inferior (1 1 ).

■■ capa adhesiva ( 1 2) para su fijación permanente o temporal.

Ei número y tipo concreto de capas en cada banda depende de la aplicación especifica a ia que se destine e! dispositivo.

Las características de cada una de ias capas que componen cada banda óptica son las siguientes:

Las capas protectoras superior (4) e míerio? ( 1 1 ). Son laminas de plástico o material similar transparente {ai menos, en su parte supenor}. flexibles, que recubren ei conjunto de ia banda uniéndose por su borde (48), configurando una envoltura que puede ser Impermeable, resistente a ia acción de agentes y deterioro exterior y posibilitando su limpieza y reutllizació Según el materia! del que se hagan las referidas capas y del procedimiento de aplicación (laminado en trio, encolado, piastificado térmico u otro), la envoltura generada mediante las capas protectoras unidas puede ser estefillzable o estar dotada de resistencia específica para posibilitar ei eso de la banda óptica en presencia de agentes físicos, biológicos o qu ímicos determinados. Específicamente, cada banda óptica y sus conecíores y cableado pueden recubrirse o envolverse con capas protectoras transparentes y blocompatibles. adecuadas para estar en contacto directo con tejidos y órganos humanos o animales u otros materiales biológicos.

En cualquier caso, ei procedimiento de depósito y unión de las capas protectoras superior e inferior cebe ser tal que no produzca daño ni modificación en ios elementos y componentes ópticos y electrónicos de las otras capas. L as capas protectoras superior (4) s inferior { 1 1 ) pueden unirse alrededor de la banda óptica constituyendo una cubierta aislante cerrada y, en su caso, hermética, de manera tal que las capas protectoras unidas sobresalgan a ambos lados y por los extremos de la banda cpi.ca en forma de una zona exterior (margen o reborde) (43) Este margen puede recortarse con la forma deseada (por ejemplo, en forma curva en sus esquinas) y marcarse con Indicadores de posición o longitud ( 14), graduados en las unidades necesarias (típicamente, milímetros) para facilitar la medida de la profundidad de inserción de ia banda óptica en un espacio determinado (por ejemplo, en oquedades de difícil acceso) . Asimismo, el referido borde (43) puede troquelarse con orificios o ranuras ( 1 5) ce la forma y tamaño deseados, situados con ei espaciado adecuado entre ios mismos para posibilitar el uso oe cables, hilos, alambres, tomillos u otros elementos de fijación o anclaje mecánico. La capa de elementos emisores do luz (3): Consta de una piuraikia de diodos emisores de \K¡Z {LED) de pequeño tamaño y alta luminosidad y. en su caso, de diodos láser (LD), montados de forma superficial (SMD), sobre una cinta plástica flexible, en la que se integran, asimismo, ios elementos electrónicos adicionales (resistencias, diodos) y cableado necesarios para su correcta alimentación y control.

Los diodos LED pueden ser emisores de alia luminosidad, de diversos tipos, tales co o emisores monocromáticos {emiten una única longitud de onda o color) policromáticos (emiten un conjunto discreto de longitudes de onoa o colores), de luz blanca (emiten luz de color resultante blanco) o de color regulable (red~green-blue. RGB) (emiten luz de color resultante seleccionadle por el escaño).

Los diodos láser (LD) pueden ser de diversos tipos existentes que puedan montarse sobre la referida banda.

Las corrientes y tensiones (voltajes o diferencias de potencial eléctrico) que regulan la intensidad y, en su caso , el color de la luz emitida por los diodos LED o LD. asi co o, en su caso, so modulación en amplitud, frecuencia o fase, se controlan desde la unidad externa de alimentación Los emisores LED o LD pueden ser controlados Individualmente o en agrupaciones (típicamente, de dos o tres unidades) . L as posiciones preferentes oe estos emisores LED o LD son consecutivas, alineadas siguiendo el eje longitudinal de la banda.

La capa de elementos detectores de luz (9): Consta de una pluralidad de detectores puntuales, lineales y matnciaies cuyas posiciones están intercaladas entre los elementos emisores, o consecutivas con ios mismos, según el tipo de aplicación especifica requerida. Los detectores y su cableado están situados sobre la capa de elementos emisores, de manera que ambos tipos de elementos (emisores y detectores) estén, a su vez. en contacto térmico con la lámina disipadora térmica.

Los detectores puntuales son totediodos, fototransistores y foicrresistencias que proporcionan una señal eléctrica (voltaje o comente) relacionada con la intensidad y características de la luz recibida

L os detectores lineales y matr ¡ cíales son elementos en forma de consuntos (arraya) lineales o matnciales de elementos individuales que configuran un sensor capaz de captar una imagen. Los detectores ele imagen lineales y matrloiales pueden ser dispositivos de carga acopiada {cherge-coupted rjeviae, CCD) . dispositivos de pieles activos como los de tipo semiconductor complementario de oxido metálico {cmnpimnmtary mfítal-oxiüe-SBmiconduclor, CMOS) y ele otros tipos. En su caso , y dotados de ios elementos electrónicos adicionales necesarios , los detectores pueden permitir la conversión de las señales luminosas en señales digitales o datos binarios en d istintos formatos

La lámin disipadora térmica y de soporte estructural ( ?}, Es una cinta (lámina) de un buen conductor érmico (preferentemente, metá lico) Oe un espesor típico de 0 05 - 3 0 rom . dotada de orificios de forma y tamaño adecuados en las posiciones de ios emisores y detectores , y situada en contacto directo con ia capa óptica activa (6) y las capas de emisores (8) y detectores (9) . Este contacto -y ia fijación entre las capas- puede mejor ar se mediante la aplicación de masilla o pegamento térmico entre ellas , para permitir el flujo de calor hacia la lámina disipadora pero sin q ue haya contacto eléctrico entre ias capas.

El material, la forma y ias dimensiones de ia lámina térmica y de soporte estructural determinan las características de flexibil idad , maleabilidad y rigidez estructural deseadas para la banda . Por ejemplo, si se requiere poder adaptar su for ma para adherirlo o fiiario 3 un instrumento o herramienta determinado, la l ámi na puede realizarse en cobre con un espesor del orden de 0 05 -0 5 rom Por el contrario, si se requiere que la banda sea rígida , esta lam ina puede ser de aluminio u otro material análogo , con un espesor de 0.2- 3.0 rom. Al tratarse , en todo caso, de un material buen conductor térmico se posibilita ia evacuación del calor generado por ios elementos Opticos activos hada ia unidad externa de regulación y control , donde se disipa de forma pasiva o , en su caso, mediante ventiladores o refrigeradores activos , oomo ios módulos termoeléctricos utilizados en aplicaciones electrónicas portátiles

La capa óptica activa (ó) . Consta de elementos ópticos planos activos , preferentemente láminas de costal liq uido, moduladores espaciales de luz. obturadores , lentes de forma variable mediante control eléctrico y filtros regulables, todos ellos insertados en una lámina de soporte flexible (preferentemente de plástico) en la que se integran los elementos electrónicos y cableado necesarios para su correcta alimentación y control £i tamaño de los elementos activos es el adecuado para situarse sobre los emisores o sobre los detectores. Al disponerse esta capa ópnca activa

- sobre ios emisores: permite la modulación de la luz. em itida po? los m ismos en pulsos de duración y frecuencia regulable , así como el control de la amplitud y la fase de la luz em itida por cada em isor.

• sobre los detectores- permite modular o filtrar la luz incidente sobre los mismos. L a capa óptica pasiva (5) . Consta da un conjunte de elementos ópticos insertados, grabados o troquelados en una lámina soporte de matenal adecuado , preferentemente de material plástico , i ncluye elementos refractantes (lentes, micro-lentes y otros) , reflectantes (espejos, ranuras y otros), difractantes (redes de difracción , hoíograrnas y otros), dispersantes (prismas, microprismas y otros) y difusores (difusores lamberearos y oíros) para dirigir o filtrar tanto los haces luminosos emitidos por los emisores como ios haces luminosos recaídos por lo» detectores, en las direcciones deseadas y con los niveles de potencia e intensidad luminosa adecuados par a cada aplicación especifica

Específicamente, ios elementos cié ias capas ópticas activa y pasiva situados sobre los eiernentos detectores permiten filtrar ia luz recibida por los mismos según el tipo de anaiiSiS o reg istro de imágenes que se desee realizar.

La capa magnética de fijación ( 10). Es una cinta flexible de m aterial magnético que se adhiere por una cara a ia par e inferior de ia capa en la q ue se sitúan los emisores y receptores de luz. Al estar magnetizada permite ia fijación permanente o temporal a piezas , instrumentos o herramientas ce diversas form as y características (de tipo ferro ag nético con ei i de poder usar el dispositivo descrito en esta Invención en el interior de espacios diversos , incluyendo cavidades , oquedades y espacios de difícil acceso. La intensidad de la fuerza magnética de atracción depende de ias características de la propia cinta , encontrándose últiple opciones comerciales Debe escogerse una cinta con fuerza magnética tal que permita la fijación de la banda óptica a una superficie íerro agnética teniendo en cuenta ei espesor oe la capa protectora inferior ( 1 1 )

Fn aquellas situaciones en que no Interese la creación de una zona de campo magnético a io largo de toda la Panda óptica , la capa magnética de fijación ( 0) puede sustituirse por una plástica con imanes intercalados o. sim lemente, por una capa de material adhesivo de fijación (1 2) , adherido a la parte exterior de la capa protectora inferior . Asim ismo, una Panda óptica sin capa magnética ni adhesiva también puede fijar se o anclarse mecánicamente (mediante tornillos , hilos, alam bres o suturas) usando ios orificios ( 1 5) situados en ei margen (43) generado por la unión de las capas protectoras superior (4) e inferior ( " 1 1 ).

La unidad independiente de alimentación y control : Es una unidad q ue contiene a) una fuente de alimentación continua de bajo voltaje, preferentemente 1 2V- o 247. que proporciona ia tensión y corriente eléctrica necesarias a los elementos activos de la banca Optica conectada con la misma. La alimentación de la banda óptica es proporcionada por bate ias. acumuladores o elementos análogos. Esta alimentación es particularmente apropiada para bandas ópticas que vayan a utilizarse en espacios recintos o cavidades donde sea preciso evitar cualquier posible riesgo derivado del uso tensiones elevadas como en las aplicaciones en medicina, cirugía , biología o veterinaria, o en aplicaciones industriales en atmosferas químicamente reactivas, incendiarias, o explosivas

b) un conjunto de elementos disipadores pasivos, tipo aletas, o activos : tipo ventiladores o módulos termoeléctricos, que disipan ei calor generado por los elementos actives situados en la banda óptica . Estos disipadores son necesarios para evacuar el calor generado per los elementos ópticos activos (situados en la banda activa), y ios emisores y detectores de luz (situados en sus bandas correspondientes Este calor es transmitido por la lamina disipadora térmica desde ios elementos en los que se produce hasta \& referida unidad de controi a través de un cable conductor del calor, puesto que los elementos disipadores establecen una diferencia de temperatura (y, en consecuencia , un gradiente térmico) entre ellos y la banda

o) la circuiteria electrónica que genera , transmite , adapta, y modula las señales de control de las propiedades y características de los elementos Ópticos activos

d) la circuiteria electrónica que genera, transmite, adapta, y modula las señales que son convertidas por los emisores en secuencias de pulsos luminosos de la amplitud, frecuencia, longitud de onda , fase y polarización requeridas para conseguir la activación y comunicación con elementos detectores que se encuentren situados en ei entorno de la banda que las emite, y

e) la circuiteria electrónica que recibe, decodsfica y almacena las señales recibidas por los detectores situados en la banda óptica

AdiCionai ente, esta unidad de control puede conectarse con un ordenador, un sistema de y al acenamiento de datos o dispositivo análogo , mediante cableado o de forma inalámbrica.

La alimentación eléctrica, las señales de control y modulación ge la luz emitida y las señales y dates generados por ios detectores se transmiten hacia las banda/s óptica/s y desde eüa/s a la unidad de alimentación y control mediante un conjunto de cables específicos, dotados de los conectares adecuados en sus extremos. La lámina disipadcra térmica se conecta mediante un conector adecuado a un cable buen conductor del calor (por ejemplo , de cobre) El conjunto de los cables de conexión eléctrica y térmica puede estar agrupado en forma de un haz, conductores coaxiales, cable plano o de otro tipo. El cableado puede estar recubierto por materiales que se puedan limpiar y, en su caso, esterilizar

Tanto ia banda óptica como la unidad externa de alimentación, regulación y control pueden se portátiles Asimismo, cada banda óptica y sus canecieres, envolturas y cableado de conexión pueden ser realizables, reciclables o desechadles

Con la configuración básica descrita , se pueden optimizar los parámetros geométricos, ópticos, electrónicos y de montaje para diferentes aplicaciones específicas. En algunas de ellas, corno el uso como dispositivo de Iluminación propuesto, la invención descrita puede fabricarse con dispositivos y tecnologías comerciaimente disponibles, en un rango muy ampfio de costes y prestaciones, posibilitando su implementacíón en forma de dispositivos economices y coste -efectivos

MODO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCION

Con referencia a las figuras adjuntas, la presente invención se refiere a un dispositivo óptico portátil de iluminación , análisis, registro de imágenes y control ce dispositivos mediante emisión, modulación y recepción de haces luminosos, compuesto de una banda óptica multicapa { 1 } (o conjunto de ellas) conectada con una unidad de alimentación, regulación y control (2; por un conjunto de cables de conexión eléctrica y térmica (3).

Cada banda óptica se compone de una pluralidad de emisores de luz (diodos LED y diodos láser), detectores de luz {puntuales, lineales y mainciales) y elementos ópticos activos y pasivos dispuestos en capas superpuestas con una lámina disipadora térmica y de soporte estructural y el correspondiente capieado de conexión con la unidad de alimentación y control Una vez definidas las características gener ales de la invención propuesta, se presentan a continuación un conjunto de cuatro modos preferentes o ejemplos ce realización de la misma.

Modo de realización 1 Dispositivo de Iluminación.

Esta realización tiene un campo de aplicaciones especificas co o dispositivo de iluminación en cavidades, recintos y oquedades del interior de conjuntos complejos de múltiples piezas, como en la industria de la automoción, en ia inspección del Inferior de motores y conductos tales como tuberías y circuitos de fluidos y gases, y en procedimientos de cirugía mínimamente invasiva o de intervención quirúrgica en campo profundo. Como se muestra en ia figura 4, a modo de ejemplo, ia banda óptica (1 ) está dotada de un cierto número de diodos emisores LEO iguales (25), de luz blanca y de alta luminosidad, en montaje superficial (tecnología SMD). Cada uno de ellos emite un cono de luz con ángulo de 1 20° (47! . El numero de diodos emisores, su potencia y sus posiciones relativas se determinan por ei nivel de iluminación deseado en la superficie (48) que se desea iluminar . Ei control de la intensidad de la l uz emitida se realiza mediante un circuito regulador situado en la unidad de alimentación, regulación y control. Según el numero de diodos emisores instalados y su potencia, se determina el espesor de ia lámina disipadora térmica y de soporte estructural Co o ejemplo , con un conjunto de 6 diodos de luz blanca de 800 lumen, montados en una banda SMD de unos 10 rnm de ancho, SO mm de longitud y 4 rom de grosor, la banda óptica resultante tendría unos 80-90 mm de longitud y unos 1 0- 1 5 mm de ancho (incluyendo ios margenes (43) para los orificios de fijación mecánica y la escala graduada de longitud) . Como los referidos diodos consumen una potencia de unos 1 5 W, la lámina disipadora estaría realizada en una lámina de cobre de 0 1 -0 3 rnm de espesor SI se usan diodos de tipo RGB, de color variable, el control de la luz emitida por estos también se regula en la unidad de alimentación, regulación y control

Usando los referidos diodos y materiales, el dispositivo montado según esta realización puede ser de bajo coste, posibilitando una construcción y montaje sencillo y económico.

Modo de realización 2: Dispositivo para análisis óptico

Esta realización oe la invención propuesta se destina al ám bito del análisis de propiedades ópticas de materiales En particular , permite ia realización de medidas de reflectancia difusa, ia obtención ce ios espectros de absorción y de fluorescencia , tanto estáticos como dinámicos, oe las paredes (o medio) en el que se refleja la luz emitida por la banda Estas medidas se realizan mediante ia combinación y sincronización oe la emisión de haces continuos o púlsanos desde uno o vanos diodos emisores con la recepción en uno o vanos detectores puntuales, lineales o rnatncsales dotados, en su caso, tanto los emisores co o ios detectores , oe filtros, lentes o prismas en la/s capas opfica/s pasiva y activa

Como se muestra en la figura 5, a modo de ejemplo, la banda óptica ( 1 ) está dolada de dos diodos emisores LED ¡ guales (25) y un diodo láser {26} y un detector de tipo fotodiodo (27) Cada uno de los diodos LED emite un cono de luz con ángulo de 90° (49) y los diodos láser emiten un haz de sección rectangular del mismo tamaño de ia superficie activa de emisión (50) . Ei numero de diodos emisores (i. ED y láser), sus potencias y sus posiciones relativas se determinan por ei nivel de iluminación deseado en la superficie (51 ) que se desea a.naiizar £1 tipo de elementos situados en las capas Opticas activa y pasiva se determinan según ías propiedades deseadas en la luz emitida por ios emisores y en la recibida por los detectores La luz emitida por los diodos LED (25) y los diodos iáser (26) incide sobre la superficie objeto deí análisis (51 ) y tras reí!ejarse ; transmitirse, refractarse o difractarse en la misma (52) es captada (53) por el detector (27). La banda óptica (1 ) está curvada un ángulo α para facilitar la incidencia (sobre ios detectores) de ía íuz reflejada por las paredes del recinto

Según ei tipo do análisis que se desee realizar, los diodos emisores pueden generar un conjunto de varias longitudes de onda (colores) o. como el diodo láser, ser monocromáticos y emitir un único color Sus características eléctricas son similares a las recogidas en la realización 1 anterior. Los detectores pueden ser íotcdiocos sensibles en ios rangos visible e infrarrojo cercano (tipicamente. desde unos 400 nanometros (nm) a unos 850 nm) con un consumo eléctrico del orden de 0.1 VV. Las dimensiones de ía banda óptica con ios elementos anteriores serian unos 100 mm de longitud, 10-12 mrn de anchura y 4-6 mm de espesor Los elementos de la capa óptica pasiva pueden incluir filtros ópticos que determinen los rangos de longitudes de onda recibida por ios detectores y, por ejemplo, eliminen la luz ambiente de manera que sobre ios detectores únicamente incidan las longitudes de onda (colores) de interés. Para la medida de ios espectros de absorción en régimen estacionario, ia luz se emite ce manera continua y los detectores se mantienen activos (recibiendo) durante ei intervalo de tiempo necesario para que la señal sea recogida con ía relación señal-ruido adecuada Por su parte, para la realización de medidas en régimen dinámico . ía unidad de alimentación regulación y control debe emitir señales de sincronización para que la emisión y recepción de ios haces luminosos generados por los emisores y recibida por los detectores se realice en ios intervalos temporales o siguiendo los pi.¡h.o ce duración y frecuencia necesarios

Para la medida de espectros de fluorescencia, la longitud de onda emitida debe ser la adecuada para estimular el correspondiente fenómeno de fluorescencia en el medio o recinto sobre el que incide la luz. Por ejemplo, para el uso de este dispositivo en Intervenciones de cirugía en las que se necesite medir la fluorescencia vascular, los diodos emisores deben emitir longitudes de onda en el rango infrarrojo cercano y los detectores deben recibir longitudes de onda en ei rango visible Si interesa medir la fluorescencia oncológica, los emisores deben generar haces de luz en el espectro ultravioleta cercano y los detectores deben medir en el rango visible En esta realización, ia capa protectora superior cebe incluir, insertados en ia misma, ventanas ópticas transparentes situadas en las posiciones correspondientes a ios emisores y detectores de luz. Estas ventanas pueden estar realizadas en plástico transparente o. si se requiere aita calidad o características específicas de transmisión (por ejemplo, para ias longitudes de onda en los rangos ultravioleta e infrarrojo), en cristal uitraf-nc de características adecuadas.

MOGO de realización 3 Dispositivo para registro de imágenes

Esta realización de ia invención propuesta permite la captación de imágenes mediante delectores de tipo sensor de imagen (lineales o matriciales) dotados, en su caso, con filtros y lentes superpuestas en las capas ópticas (activa y pasiva) La proyección de haces de luz estructurada con patrones generados por ;a capa óptica activa, iluminada por los diodos emisores, y la captación simultánea o secuencia! de ¡as correspondientes imágenes permite obtener secuencias (escapeados) de imágenes bidimensionaies (2D) convencionales, pares estereoscópicos u otros conjuntos adecuados para obtener reconstrucciones o visuaíizaclones íridimensionaies (3D) del recinto en el que se sitúa la banda Esto puede resultar de particular interés en el interior de cavidades y recintos de difícil acceso, en los que no resulta posible introducir otros tipos de cámaras.

Con referencia a la figura 6 adjunta, y a modo de ejemplo, ia banda Optica (1 ) está angulada (un ángulo a) y dotada de dos diodos emisores LED (25) y dos detectores de tipo sensores matnciales de imagen (28) Delante ce cada emisor (25). hay un modulador espacial de luz o de cristal liquide (54) en la capa óptica activa Estos elementos generan un conjunto de lineas, retículas o figuras de diferentes formas, como circunferencias, cruces, y otras (56) que, ai ser iluminadas por la luz emitida, definen un patrón de luz estructurada que se proyecta sobre la superficie (51 ) que se desea escanear en tres dimensiones

Los sensores de imagen (28) pueden registrar imágenes zD (fotografías) convencionales pero con las diferencias angulares definidas por ios ángulos entre sus ejes ópticos Como ejemplo, se muestra el ángulo o Los elementos ópticos situados en las capas activa y pasiva determinan los campos ele visión (56. 57) captados por los sensores malnclales.

Modo de realización . Dispositivo para control y comunicación óptica con otros dispositivos.

En esta realización, ia unidad de control - genera o transmite a ia/s banda/s conectadas con alia ¡as señales que deban ser convertidas por ios diodos emisores en secuencias de pulsos luminosos de ia amplitud frecuencia, longitud de onda, fase y polarización requeridas para conseguir la activación o comunicación con otros dispositivos dotados de detectores ópticos que se encuentren situados en el entorno de ia banda que las emite

·· recsbe y decodifica las señales luminosas generadas por los detectores cuando sobre ellos inciden ios haces o señales luminosas emitida por otros dispositivos dotados de emisores de luz situados en el entorno de ¡ a banda que ias recibe.

Esta forma de activación o control de dispositivos (y. en su caso, oe comunicación con ios mismos) presenta ias caracter ísticas de ser inalámbrica, de gran rapidez , sin generar ni ser sometida a perturbaciones o interferencias electromagnéticas (tales co o corrientes chispas o arcos voltaicos y otras) Por todo ello, este modo de realización de la invención propuesta puede ser particularmente adecuada para su uso en entornos en los que sea preciso evitar tales riesgos, como las aplicaciones en recintos con atmósferas químicamente reactivas, explosivas o incendiarias, o en el interior del cuerpo humano , animales u organismos biológicos.

Con referencia a ia figura 7 adjunta, a modo de ejemplo, la banda óptica (1 ) está dotada de dos diodos emisores I..EC iguales (25) y dos detectores de tipo fotodiodo (27). Cada uno de los diodos LED emite un cono con áng ulo de 120 Λ (47) y ia luz emitida está modulada por las señales generadas por ia unidad de alimentación , regulación y control (2).

Por otra parte , las señales ópticas (60) emitidas por otros dispositivos en el entorno de la banda óptica son recibidas por Sos detectores (2?) y transmitidas a la unidad de aiimentación, regulación y control (2)

El número de diodos emisores, sus potencias y sus posiciones relativas se determinan por ei nivel de iluminación necesario para establecer la comunicación con los dispositivos (58) El tipo de elementos situados en las capas ópticas activa y pasiva se determinan según las propiedades deseadas en la luz emitida por los emisores y la recibida por los detectores El cableado de conexión (3) une ia banda óptica ( 1 ) con le unidad de alimentación, regulación y control (2)

Algunos aspectos comunes a los distintos modos de realización son los siguientes '

- El cableado de conexión (3) se compone de cables convencionales, incluyendo aquellos de transmisión oe la alimentación eléctrica, los de transmisión de señales de control desde la unidad de alimentación, regulación y control a los elementos activos de las bandas, los de transmisión ce ías señales y datos generados per los detectores y un cable conductor térmico para conexión de ia lámina disipadora con eí elemento disipador de ¡a uni iad de alimentación, regulación y control.

- En todas sus aplicaciones, ia invención actúa a partir de ¡a alimentación eléctrica proporcionada por !a unidad de alimentación, regulación y control (2) Esta alimentación será de corriente continua, baja tensión ( 12 voitios o 24 voltios), según el tipo de diodos y otros elementos activos, proporcionada por baterías, acumuladores c elementos similares dispuestos en la referida unidad Esta es portátil, operando en comente continua de baja tensión para evitar Sos posibles riesgos eiéctricos derivados del uso de corriente alterna, permitiendo asi su uso corno dispositiva en contacto directo con el cuerpo humano, animales u organismos biológicos, recintos con atmósferas de gases explosivos, inflamables y otros.

- Las capas protectoras superior (4) e inferior (11 ) pueden realizarse en material plástico de distintos tipos, según ei medio o entorno en ei que vayan a disponerse las bandas ópticas.

- Los materiales, forma, tamaño y disposición de los elementos y las capas son susceptibles de variaciones que no supongan alteraciones a la esenciaiidad de ia invención.