CN101907230B - 舞台灯光照明系统及led阵列 - Google Patents
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Abstract
一种舞台灯光照明系统，尤其包括：一与所述LED阵列相对应的包括复数个透镜的透镜阵列，以将LED的输出光准直成近平行光；一聚焦透镜，将所述近平行光汇聚成的光束聚焦到该照明系统的光出射口；一LED阵列，包括封装在散热基板上的复数个LED，其中N行LED的排布遵循下列规律：该N行LED被平均分成左半部和右半部，其中左半部摆放的各LED芯片按一个方向分别旋转了一个该LED芯片预定的角度；右半部各LED芯片的摆放角度相同于左半部中与该LED芯片关于阵列中心点对称的LED芯片的摆放角度。采用本发明，可将LED阵列的方形输出光斑转换成圆形，从而提高了系统的光利用率。
Description
技术领域 本发明涉及照明装置或其系统的功能特征或零部件，具体来说，尤其涉及主要用于舞台灯光照明的照明系统及其电路元件设置。
背景技术 LED(发光二极管)光源为绿色无污染的干净节能光源，其可达到的光通量设计指标在逐年提升。目前LED光源主要应用于一些小功率、低端的换色灯产品上。
大功率舞台灯光光源主要采用金卤放电泡。金卤放电泡为白色光源，使用寿命较低，一般为几百小时到数千小时不等。因金卤放电泡的发光谱为白色连续光谱，舞台灯光所需的不同色彩只能靠彩色滤光片来滤光实现，使得灯光投射出的图案具有较低的色彩饱和度，色彩既不鲜艳，也不丰富。
若舞台灯光采用LED光源，则可以省掉所述彩色滤光片，并通过调节不同基色LED的电流来改变光源的颜色，从而利用单色LED较高的色彩饱和度，可使舞台灯光色彩的表现自由度大为提高。但目前LED发热量大，发光效率还不够高，且单个LED芯片不能承受高功率，因此大功率舞台灯光的高光通量往往要靠LED阵列来实现。
申请号为200720061982.0的中国专利公开了一种舞台灯的光源组件，采用一个LED阵列和大型散热装置，可以提供一百瓦的发光功率，并可通过控制该LED阵列中的不同色LED的工作来实现色彩调整。
上述现有技术的不足之处在于：基于散热和光通量等性能指标方面的考虑，所述中国专利公开的光源组件尚不能满足大功率舞台灯光的需求。
发明内容 本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足之处，而提出一种舞台灯光照明系统及其组件，尽可能提高光源的输出功率，同时改善灯光的亮色均匀性。
为解决上述技术问题，本发明的基本构思为：目前LED芯片被广泛应用于所述LED阵列中，基于单个LED芯片的发光面一般呈方形，而舞台灯光的图案片为圆形，这样现有技术中会损失掉来自LED芯片的部分发光，因此若将LED芯片发光源输出的方形光斑转换成圆形光斑，无疑将提高现有带LED阵列的舞台灯光照明系统的输出功率；基于来自一个LED芯片的准直平行光通过聚焦透镜后得到的光斑形状与所述准直平行光束的光斑形状相同的认识，若通过改变LED矩阵中各LED芯片相对于基板的旋转角度，则通过聚焦透镜后的光斑形状将为这些不同角度“旋转”的方形光斑的叠加，从而表现为圆形，同时所述叠加还将一定程度上消除LED芯片固有缺陷叠加所带来的光斑亮度分布不均现象。
作为实现本发明构思的技术方案是，提供一种舞台灯光照明系统，包括光出射口和封装在散热基板上的LED阵列，尤其是，还包括与所述LED阵列相对应的包括复数个透镜的透镜阵列，每一所述透镜对准一LED以将该LED的输出光准直成近平行光；还包括一聚焦透镜，由所述透镜阵列输出的近平行光汇聚成的光束通过该聚焦透镜聚焦到所述光出射口上；所述LED阵列包括复数个LED芯片，这些LED芯片按行和列规则排布，其中N行LED芯片是按下列规律在所述散热基板上进行排布和封装的：所述N行LED芯片被平均分成左半部和右半部，其中左半部摆放的各LED芯片按一个方向分别旋转了一个该LED芯片预定的角度；右半部各LED芯片的摆放角度相同于左半部中与该LED芯片关于阵列中心点对称的LED芯片的摆放角度；其中N为大于或等于6的自然数；所述左半部的各LED芯片摆放成：除首行外的每一行中的LED芯片都相对于首行LED芯片按所述方向旋转了一个角度，该角度为90/N的自然数倍，各行之间LED芯片的旋转角度各不相同；或者，所述左半部的各LED芯片摆放成：除首个外的每一个LED芯片都相对于首个LED芯片按所述方向旋转了一个角度，设M为该左半部的LED芯片数量，则该角度为90/M的自然数倍，各LED芯片的旋转角度各不相同。
上述方案中，舞台灯光照明系统包括两个所述LED阵列及两个所述透镜阵列，还包括一个合色滤光片；该合色滤光片分别通过透射和反射的方式将来自该两个透镜阵列的两束近平行光束汇聚成一束，投射往所述聚焦透镜。所述合色滤光片或者为二向色片，或者为镀有分光滤光膜的玻璃片。
上述方案中，舞台灯光照明系统包括三个所述LED阵列及三个所述透镜阵列，还包括一个分光合色装置；该分光合色装置通过透射或反射的方式将来自三个透镜阵列的三束近平行光束汇聚成一束，投射往所述聚焦透镜。每一所述LED阵列上的各LED芯片均为一同色LED。
上述方案中，所述分光合色装置为一个X型合色滤光装置，该X型合色滤光装置的三个光入口端分别对准一个对应的所述透镜阵列。或者所述分光合色装置包括两片二向色片或镀有分光滤光膜的玻璃片，先用其中一片二向色片或镀有分光滤光膜的玻璃片来汇聚所述三束近平行光束中的两束，再与另一束通过另一片二向色片或镀有分光滤光膜的玻璃片来汇聚成一束。
上述方案中，所述舞台灯光照明系统还包括一介于所述聚焦透镜与光出射口之间的截头圆锥棒，该圆锥棒的侧面具有光反射作用。所述截头圆锥棒为侧面抛光的实心玻璃棒，或者为侧面镀有反射膜的空心棒。所述舞台灯光照明系统还包括设置在所述光出射口处用来容纳圆形图案片的图案盘。该图案片与靠近该截头圆锥棒的底面之间的距离小于15毫米。
作为实现本发明构思的技术方案还是，提供一种LED阵列，包括封装在散热基板上的复数个LED芯片，这些LED芯片按行和列规则排布，尤其是，其中N行LED芯片是按下列规律在所述散热基板上进行排布和封装的：所述N行LED芯片被平均分成左半部和右半部，其中左半部摆放的各LED芯片按一个方向分别旋转了一个该LED芯片预定的角度；右半部各LED芯片的摆放角度相同于左半部中与该LED芯片关于阵列中心点对称的LED芯片的摆放角度；其中N为大于或等于6的自然数；所述左半部的各LED芯片摆放成：除首行外的每一行中的LED芯片都相对于首行LED芯片按所述方向旋转了一个角度，该角度为90/N的自然数倍，各行之间LED芯片的旋转角度各不相同；或者，所述左半部的各LED芯片摆放成：除首个外的每一个LED芯片都相对于首个LED芯片按所述方向旋转了一个角度，设M为该左半部的LED芯片数量，则该角度为90/M的自然数倍，各LED芯片的旋转角度各不相同。各所述LED芯片为一同色LED芯片。
上述方案中，所述LED阵列的LED芯片总行数为N的自然数倍，以所述N行LED芯片的排布规律为单位进行排布和封装。
采用上述各技术方案，将LED阵列的方形输出光斑转换成圆形光斑，便于匹配舞台灯光的圆形图案盘，提高了舞台灯光照明系统对发光源的光利用率，并有助于改善系统的亮色均匀性，使大功率光系统结构更为紧凑。
附图说明 图1示意了本发明舞台灯光照明系统的结构框图；
图2示意了对图1的结构改进；
图3示意了单个LED发光源在聚焦透镜后的聚焦光斑；
图4是本发明LED阵列的排布示例图；
图5示意了本发明舞台灯光照明系统所获得的聚焦光斑；
图6示意了不采用图4所示的LED阵列所获得的聚焦光斑；
图7示意了图1或图2中的分光合色装置的替换实施例；
其中，各附图标记为：1--LED芯片/芯片阵列，2--透镜阵列，3--分光合色器/分光合色装置，4--聚焦透镜，5--截头圆锥棒，6--图案盘。
具体实施方式 下面，结合附图所示之最佳实施例进一步阐述本发明。
本发明舞台灯光照明系统如图1所示，包括用来承载特定图案片的圆形图案盘6和封装在散热基板上的LED阵列1。还包括与所述LED阵列1相对应的透镜阵列2，该透镜阵列2包括复数个透镜，每一所述透镜对准一LED芯片以将该LED芯片的输出光准直成近平行光。
为了提高系统光输出功率，本实施例中系统包括三个LED阵列1及三个透镜阵列2，以及一个以X型合色滤光装置为代表的分光合色装置3。该X型合色滤光装置3的三个光入口端分别对准一个透镜阵列2，通过透射或反射的方式将来自三个透镜阵列的三束近平行光束汇聚成一束。所述X型合色滤光装置3可以是分光合色棱镜，也可以是由两片分光合色片(例如但不限于二向色片)垂直交叉构成的分光合色片组。因该X型合色滤光装置属于现有技术，不在此赘述。
本发明系统还包括聚焦透镜4，将由所述近平行光或近平行光束汇聚成的光束聚焦到所述图案盘6。
现有LED芯片的发光面一般呈方形。本发明利用光学模拟软件验证发现：将所述LED芯片置于所述透镜的焦点处，则穿过该透镜后，该LED芯片的出射光被准直成近平行光，该近平行光经聚焦透镜4而投在图案盘6上的光斑为如图3所示的方形。若将所述LED阵列上的复数个LED芯片以现有技术按行和列规则排布，则在图案盘6上得到的光斑将如图6所示，为多个(本试验包括6行6列)方形叠加后的方形。若考虑到各芯片上的一些固有缺陷(如芯片上的电路)将会被放大成像在图案盘处，则光能量的如此叠加将造成图象暗区，严重的会造成图像白场偏色。
为此，本发明设计并在系统中采用了的LED阵列若包括N(为大于或等于6的自然数)行LED芯片，则令各LED芯片在所述散热基板上进行排布和封装遵循以下规律：所述N行LED芯片被平均分成左半部和右半部，其中左半部摆放的各LED芯片按一个方向分别旋转了一个该LED芯片预定的角度；右半部各LED芯片的摆放角度相同于左半部中与该LED芯片关于阵列中心点对称的LED芯片的摆放角度。
图4示意了上述设计以N＝6为例的一种实施例。在阵列左半部，每一行LED芯片相对于上一行LED芯片逆时针旋转了15度；各行之间的LED芯片旋转角度各不相同。实际上可以任意调整这些行的次序，从而使除首行外的每一行中的LED芯片都相对于首行LED芯片按预定方向旋转了一个角度，该角度为90/N的自然数倍。
系统采用所述LED阵列后，各LED芯片出射光通过透镜和聚焦透镜后在图案盘上的光斑与该LED芯片旋转方向一致，从而所有LED芯片对应的光斑将在图案盘上叠加成如图5所示的圆形光斑。该圆形光斑消除了上述LED芯片固有缺陷在特定位置反复叠加造成的图像暗区，一定程度上改善了图象的亮度和色度均匀性。
作为上述实施例的替换，本发明LED阵列中左半部的各LED芯片还可以摆放成：除首个外的每一个LED芯片都相对于首个LED芯片按所述方向旋转了一个角度，设M为该左半部的LED芯片数量，则该角度为90/M的自然数倍；各LED芯片的旋转角度各不相同。根据本发明精神，LED阵列中的各LED摆放方式还可以根据上述两个实施例进行组合，亦在本发明保护范围内，不在此赘述。
所述N越大则光斑转圆的效果越好。鉴于LED阵列规模的扩大，本发明LED阵列中的LED芯片总行数可以是N的自然数倍，以上述N行LED芯片的排布规律为单位重复进行排布。为使设计简化，每一所述LED阵列上的各LED芯片最好为一同色LED芯片。
本发明舞台灯光照明系统在光输出功率满足要求的前提下，可以将图1所示的系统简化为仅采用一个本发明LED阵列及一个透镜阵列，直接把由所述透镜阵列输出的近平行光射往聚焦透镜来聚焦到所述图案盘上。或可以简化为采用两个所述LED阵列、两个透镜阵列及一个合色滤光片，该合色滤光片分别通过透射和反射的方式将来自该两个透镜阵列的两束近平行光束汇聚成一束，投射往所述聚焦透镜。所述合色滤光片可以是二向色片，还可以是镀有分光滤光膜的透光片，例如但不限于玻璃片。
在系统结构容许的条件下，图1中所示的X型合色滤光装置还可以被两片二向色片或镀有分光滤光膜的玻璃片所替换。如图7所示，先用其中一片二向色片或镀有分光滤光膜的玻璃片来汇聚所述三束近平行光束中的两束，再与另一束通过另一片二向色片或镀有分光滤光膜的玻璃片来汇聚成一束。
为了使输出在本发明系统图案盘上的光斑亮度及色度更均匀，本发明系统还可以改进成如图2所示，还包括一介于所述聚焦透镜4与图案盘6之间的截头圆锥棒5，该截头圆锥棒5的侧面具有光反射作用。光束通过所述聚焦透镜4聚焦到该截头圆锥棒6上下底面中较小的一面，所述上下底面的另一面靠近所述图案盘6中的图案片，距离以小于15毫米为佳。所述截头圆锥棒5可以是侧面抛光的实心玻璃棒，或者是侧面镀有反射膜的空心棒，使该空心棒的内表面光反射率大于60％为佳。光线在足够短的截头圆锥棒5内反射2～3次后，由于光线方向被打乱，射在图案盘6上的光斑将具有极好的亮度均匀性。
此外本实施例中，所述截头圆锥棒5还可以以上下底面中较大的一面朝向所述聚焦透镜4，另一面靠近所述图案盘。因为所述较大的一面不必处于聚焦透镜4的聚焦面上，将有利于使系统结构更为紧凑。
经光学软件模拟，本发明LED阵列将提高舞台灯光照明系统对发光源的光利用率，从而比现有技术提高了舞台灯光照明系统的光输出功率。
Claims (17)
1.一种舞台灯光照明系统，包括光出射口和封装在散热基板上的LED阵列，其特征在于：
还包括与所述LED阵列相对应的包括复数个透镜的透镜阵列，每一所述透镜对准一LED以将该LED的输出光准直成近平行光；
还包括一聚焦透镜，由所述透镜阵列输出的近平行光汇聚成的光束通过该聚焦透镜聚焦到所述光出射口上；
所述LED阵列包括复数个LED芯片，这些LED芯片按行和列规则排布，其中N行LED芯片是按下列规律在所述散热基板上进行排布和封装的：所述N行LED芯片被平均分成左半部和右半部，其中左半部摆放的各LED芯片按一个方向分别旋转了一个该LED芯片预定的角度；右半部各LED芯片的摆放角度相同于左半部中与该LED芯片关于阵列中心点对称的LED芯片的摆放角度；其中N为大于或等于6的自然数；
所述左半部的各LED芯片摆放成：除首行外的每一行中的LED芯片都相对于首行LED芯片按所述方向旋转了一个角度，该角度为90/N的自然数倍，各行之间LED芯片的旋转角度各不相同；或者，
所述左半部的各LED芯片摆放成：除首个外的每一个LED芯片都相对于首个LED芯片按所述方向旋转了一个角度，设M为该左半部的LED芯片数量，则该角度为90/M的自然数倍，各LED芯片的旋转角度各不相同。
2.根据权利要求1所述的舞台灯光照明系统，其特征在于：
该舞台灯光照明系统包括两个所述LED阵列及两个所述透镜阵列，还包括一个合色滤光片；该合色滤光片分别通过透射和反射的方式将来自该两个透镜阵列的两束近平行光束汇聚成一束，投射往所述聚焦透镜。
3.根据权利要求2所述的舞台灯光照明系统，其特征在于：
所述合色滤光片或者为二向色片，或者为镀有分光滤光膜的玻璃片。
4.根据权利要求1所述的舞台灯光照明系统，其特征在于：
该舞台灯光照明系统包括三个所述LED阵列及三个所述透镜阵列，还包括一个分光合色装置；该分光合色装置通过透射或反射的方式将来自三个透镜阵列的三束近平行光束汇聚成一束，投射往所述聚焦透镜。
5.根据权利要求4所述的舞台灯光照明系统，其特征在于：
所述分光合色装置为一个X型合色滤光装置，该X型合色滤光装置的三个光入口端分别对准一个对应的所述透镜阵列。
6.根据权利要求4所述的舞台灯光照明系统，其特征在于：
所述分光合色装置包括两片二向色片或镀有分光滤光膜的玻璃片，先用其中一片二向色片或镀有分光滤光膜的玻璃片来汇聚所述三束近平行光束中的两束，再与另一束通过另一片二向色片或镀有分光滤光膜的玻璃片来汇聚成一束。
7.根据权利要求1、2或4所述的舞台灯光照明系统，其特征在于：
每一所述LED阵列上的各LED芯片均为一同色LED。
8.根据权利要求1所述的舞台灯光照明系统，其特征在于：
还包括一介于所述聚焦透镜与光出射口之间的截头圆锥棒，该圆锥棒的侧面具有光反射作用。
9.根据权利要求8所述的舞台灯光照明系统，其特征在于：
所述截头圆锥棒上下底面中较小的一面处于所述聚焦透镜的聚焦面上，另一面靠近所述光出射口。
10.根据权利要求8所述的舞台灯光照明系统，其特征在于：
所述截头圆锥棒上下底面中较大的一面朝向所述聚焦透镜，另一面靠近所述光出射口。
11.根据权利要求9或10所述的舞台灯光照明系统，其特征在于：
还包括设置在所述光出射口处用来容纳圆形图案片的图案盘，该图案片与靠近该截头圆锥棒的底面之间的距离小于15毫米。
12.根据权利要求8～10任一项所述的舞台灯光照明系统，其特征在于：
所述截头圆锥棒为侧面抛光的实心玻璃棒，或者为侧面镀有反射膜的空心棒。
13.根据权利要求1所述的舞台灯光照明系统，其特征在于：
所述LED阵列的LED芯片总行数为N的自然数倍，以所述N行LED芯片的排布规律为单位进行排布和封装。
14.根据权利要求1所述的舞台灯光照明系统，其特征在于：
还包括设置在所述光出射口处用来容纳圆形图案片的图案盘。
15.一种LED阵列，包括封装在散热基板上的复数个LED芯片，这些LED芯片按行和列规则排布；其特征在于，
其中N行LED芯片是按下列规律在所述散热基板上进行排布和封装的：所述N行LED芯片被平均分成左半部和右半部，其中左半部摆放的各LED芯片按一个方向分别旋转了一个该LED芯片预定的角度；右半部各LED芯片的摆放角度相同于左半部中与该LED芯片关于阵列中心点对称的LED芯片的摆放角度；其中N为大于或等于6的自然数；
所述左半部的各LED芯片摆放成：除首行外的每一行中的LED芯片都相对于首行LED芯片按所述方向旋转了一个角度，该角度为90/N的自然数倍，各行之间LED芯片的旋转角度各不相同；或者，
所述左半部的各LED芯片摆放成：除首个外的每一个LED芯片都相对于首个LED芯片按所述方向旋转了一个角度，设M为该左半部的LED芯片数量，则该角度为90/M的自然数倍，各LED芯片的旋转角度各不相同。
16.根据权利要求15所述的LED阵列，其特征在于：
该LED阵列的LED芯片总行数为N的自然数倍，以所述N行LED芯片的排布规律为单位进行排布和封装。
17.根据权利要求15所述的LED阵列，其特征在于：
各所述LED芯片为一同色LED芯片。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Shenzhen Appotronics Co., Ltd. Document name: Notification of Passing Examination on Formalities |
|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Stage lighting system and LED array Effective date of registration: 20140828 Granted publication date: 20120627 Pledgee: Shenzhen SME credit financing guarantee Group Co., Ltd. Pledgor: Shenzhen Appotronics Co., Ltd. Registration number: 2014990000713 |
|
| PLDC | Enforcement, change and cancellation of contracts on pledge of patent right or utility model | ||
| C56 | Change in the name or address of the patentee | ||
| CP02 | Change in the address of a patent holder |
Address after: 518055 Guangdong city of Shenzhen province Nanshan District Xili town tea light road Shenzhen Industrial Park 401 integrated circuit design and Application Patentee after: Shenzhen Appotronics Co., Ltd. Address before: 1703 room 518057, overseas student Pioneer Building, Nanshan District hi tech Zone, Guangdong, Shenzhen Patentee before: Shenzhen Appotronics Co., Ltd. |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20180305 Granted publication date: 20120627 Pledgee: Shenzhen SME credit financing guarantee Group Co., Ltd. Pledgor: Shenzhen Appotronics Co., Ltd. Registration number: 2014990000713 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20180810 Address after: 518055 Chaguang Road, Xili Town, Nanshan District, Shenzhen City, Guangdong Province Patentee after: Shenzhen Yili Ruiguang Technology Development Co.,Ltd. Address before: 518055 Guangdong province Shenzhen Nanshan District Xili town Cha Guang road Shenzhen integrated circuit design application Industrial Park 401 Patentee before: Shenzhen Appotronics Co., Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Stage lighting system and LED array Effective date of registration: 20200703 Granted publication date: 20120627 Pledgee: Shenzhen hi tech investment small loan Co.,Ltd. Pledgor: APPOTRONICS CHINA Corp. Registration number: Y2020980003760 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20211119 Granted publication date: 20120627 Pledgee: Shenzhen hi tech investment small loan Co.,Ltd. Pledgor: YLX Inc. Registration number: Y2020980003760 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |