CN102865467A - 照明系统及图案投射灯 - Google Patents

Abstract

一种照明系统，包括光源阵列、第一透镜以及一透镜阵列。光源阵列用于提供多个光束。第一透镜配置于光束的传递路径上。照明系统的焦距为f，第一透镜的焦距为f1，且2≤|f1/f|≤8。透镜阵列配置于光束的传递路径上，且位于光源阵列与第一透镜之间。透镜阵列包括多个凸面朝向第一透镜的第二透镜。光束分别通过对应的第二透镜，并传递至第一透镜。除此之外，还提出一种包括上述照明系统的图案投射灯。

Description

照明系统及图案投射灯

技术领域

本发明涉及一种光学系统，且特别涉及一种照明系统与图案投射灯(Gobo projector)。

背景技术

近年来，由于发光二极管(light emitting diode，LED)的发光亮度与发光效率持续地提升，故逐渐被使用于照明系统中。一般而言，大于50W的高功率发光二极管通常需搭配大的封装以降低热阻。另一方面，为了增加照明系统的输出亮度，封装芯片上通常会配置多个发光二极管以达到更高的功率(如120W)，而这同时也会使发光二极管的发光面积增加。然而，当发光二极管的发光面积增加时，发光二极管的光展量(entendue)也会增加。

一般而言，光学元件的光展量依据光学元件的发光面积与光线发射角的乘积得出，亦即当发光面积与光线的发射角越大时，光学元件的光展量会越大。因此，一旦前端照明系统的光展量大于后端光学元件的光展量时，将会使得前端照明系统的光能量无法完全传递至后端的光学元件，从而造成系统的光使用效率的浪费。换句话说，现有技术的光学系统会因发光二极管的发光面积太大，而有光展量增加，进而导致系统的光使用效率低落的缺点。除此之外，现有技术的芯片上的发光二极管的配置也有散热不易的问题，因此照明系统的照明亮度依旧并不理想。

为了改善上述情况，现有技术中在发光二极管前方加了一个球面镜以汇聚光束，并通过多个这样的结构达到高功率输出的效果。然而，由于这些加了球面镜的发光二极管的彼此间距较大，故会使得发光二极管的发光面积较为分散。因此，在这样的架构下，亦会增加发光二极管的光展量，从而导致最后照射到物体的光亮度不足。

为了解决上述问题，提出了一种包括反射单元的照明系统。举例来说，美国专利号7070301与7222968公开了包括反射镜的照明系统。然而，由于反射镜在制作与组装上较不易，故会增加照明系统的制作成本。此外，此照明系统所使用的元件较多，亦会增加照明系统的体积与重量。另外，美国专利号7331694、7733574与美国专利公开号20050174768亦公开了利用透镜组增加照明系统的照明效率的技术。

由上述可知，如何设计一种照明系统，使其能够兼顾较低的制造成本以及较高的光使用效率便成为相关从业人员所亟欲研究的重点。

发明内容

本发明提供一种照明系统，其兼具低成本与良好光使用效率的优点。

本发明提供一种图案投射灯，其兼具低成本且能提供良好的投射效果。

本发明的其它目的和优点可以从本发明所公开的技术特征中得到进一步的了解。

为达上述之一或部分或全部目的或是其它目的，本发明实施例提供一种照明系统。照明系统包括光源阵列、第一透镜以及透镜阵列。光源阵列用于提供多个光束。第一透镜配置于光束的传递路径上，其中照明系统的焦距为f，第一透镜的焦距为f1，且2≤|f1/f|≤8。透镜阵列配置于光束的传递路径上，且位于光源阵列与第一透镜之间。透镜阵列包括多个凸面朝向第一透镜的第二透镜，其中光束分别通过对应的这些第二透镜，并传递至第一透镜。

除此之外，本发明实施例还提供一种图案投射灯。图案投射灯包括上述照明系统、投射镜头以及图案片。投射镜头配置于光束的传递路径上，且位于照明系统的后方。图案片配置于光束的传递路径上，且位于照明系统与投射镜头之间。

本发明实施例可达到下列优点或功效的至少其一。在本发明实施例中，通过适当地设计第一透镜与第二透镜的光学特性，能提升照明系统的光使用效率与光均匀度，故相较于现有技术的照明系统，本实施例的照明系统具有降低制作成本、缩小体积与减轻重量的优点，且图案投射灯能提供良好的投射效果。

为让本发明上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明实施例的图案投射灯的架构示意图；

图2为图1的光源、透镜阵列、透镜与图案片的立体示意图；以及

图3A与图3B分别为图2的亮区A沿X轴与Y轴的光能量分布图。

【主要元件符号说明】

100：图案投射灯

110：照明系统

120：图案片

130：投射镜头

112：光源阵列

114：透镜阵列

116：透镜

112’：光源

112a：发光二极管

112b：球面镜

L1、L2：光束

P1、P2：传递路径

S1～S7：表面

O：光轴

A：亮区

X、Y：轴

具体实施方式

有关本发明前述及其它技术内容、特点与功效，在以下配合附图的优选实施例的详细说明中，将可清楚呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

图1为本发明实施例的图案投射灯(Gobo projector)的架构示意图。请参照图1，图案投射灯100包括照明系统110、图案片(Gobo sheet)120以及投射镜头130。照明系统110用于提供多个光束L1、L2。投射镜头130配置于光束L1、L2的传递路径P1、P2上，且位于照明系统110的后方。图案片120配置于光束L1、L2的传递路径P1、P2上，且位于照明系统110与投射镜头130之间。

在本实施例中，当照明系统110的光束L1、L2依次通过图案片120与投射镜头130后，便能将图案片120的图案投射在墙上、地板或天花板等投射区域(未图示)。换句话说，本实施例的图案投射灯100可应用在摇头灯(moving head)，而其作法例如是将图案投射灯100固持于轭状物(未图示)中，以使图案投射灯100能任意旋转或倾斜，同时将图案片120的图案投射到任意位置。

详细而言，本实施例的照明系统110包括光源阵列112、透镜阵列114以及透镜116。光源阵列112用于提供多个光束L1、L2。在本实施例中，光源阵列112包括多个光源112’，且每一光源112’例如包括发光二极管(lightemitting diode，LED)112a与球面镜(ball lens)112b。其中球面镜112b能缩小光束L1、L2的出光角度，以使通过球面镜112b的光束L1、L2更集中，从而减少光源112’的光展量(entendue)。

另外，透镜116配置于光束L1、L2的传递路径P1、P2上。在本实施例中，照明系统100的焦距为f，透镜116的焦距为f1，且2≤|f1/f|≤8。其中透镜116例如为双凸透镜。

另一方面，透镜阵列114配置于光束L1、L2的传递路径P1、P2上，且位于光源阵列112与透镜116之间。除此之外，透镜阵列114包括多个凸面S4朝向透镜116的透镜114a、114b，其中光束L1、L2分别通过对应的透镜114a、114b，并传递至透镜116。详言之，光源112’的个数与透镜114a、114b的个数相同，其中光束L1依次通过对应的透镜114a与透镜116，而光束L2依次通过对应的透镜114b与透镜116。另一方面，在本实施例中，透镜阵列114上每一透镜114a、114b的焦距为f2，且|f2/f|≤3。其中本实施例的焦距f、f1、f2与限制条件的数值可参考表一，需注意的是表一中数据数据并非用以限定本发明。

(表一)

照明系统110	f	9.1(毫米)
			透镜116	f1	48.07(毫米)
透镜114	f2	18.31(毫米)
				|f1/f|	5.28
	|f2/f|	2.01

由表一可知，本实施例的照明系统110满足2≤|f1/f|≤8以及|f2/f|≤3的条件式。在本实施例中，通过依据上述条件式来设计透镜114与116，能有效地减少照明系统110的光展量，从而能使照明系统110在与后端的光学元件搭配时，因有较佳的匹配效果而能发挥良好的光使用效率。

以下内容将举出照明系统110的实施例。需注意的是，下述的表二中所列的数据并非用以限定本发明，任何所属技术领域中的普通技术人员在参照本发明之后，当可对其参数或设定作适当的修改，但其仍应属于本发明的范围内。

(表二)

在表二中，间距是指一表面至一透镜的表面顶点间沿光轴O方向的直线距离，或一透镜的两表面的两顶点间沿光轴O方向的直线距离，或相邻透镜的两表面的两顶点间沿光轴O方向的直线距离。举例来说，表面S1的间距，即表面S1至表面S2的顶点沿光轴O方向的直线距离；表面S2的间距为表面S2的顶点至表面S3的顶点沿光轴O方向的直线距离；表面S3的间距为表面S3的顶点至表面S4的顶点沿光轴O方向的直线距离；表面S4的间距为表面S4的顶点至表面S5的顶点沿光轴O方向的直线距离；表面S6的间距为表面S6的顶点至图案片120的表面S7沿光轴O方向的直线距离。备注栏中各透镜所对应的厚度、折射率与阿贝数(Abbe number)请参照同列中各间距、折射率与阿贝数对应的数值。另外，在表二中，透镜阵列114上的透镜114a、114b例如为双凸透镜，但本发明并不受限于此。

图2为图1的光源112’、透镜阵列114、透镜116与图案片120的立体示意图。如图2所示，本实施例的光源112’例如为四个。透镜阵列114例如包括四个透镜，亦即两个透镜114a与两个透镜114b。当光束L1与L2依次通过透镜114a、114b与透镜116后，会照射在图案片120上，并形成均匀的亮区A。详细来说，各个光源112’的光束L1、L2在经过透镜阵列114中对应的透镜114a、114b会被收敛。接着，通过透镜阵列114的光束L1、L2在经过透镜116会被叠加，而均匀分布照射在图案片120上，而形成亮区A。整体而言，在本实施例中，光源112’上因制程形成的细纹或刻痕，在经过透镜阵列114与透镜116后，这些细纹或刻痕的成像会被雾化，而不会明显地成像在图案片120上。因此，本实施例的图案投射灯100所投射出的图案较不会受到干扰，而能提供良好的投射效果。

图3A与图3B分别为图2的亮区A沿X轴与Y轴的光能量分布图，其中光能量例如为照度(illuminance)。如图3A与图3B所示，X轴与Y轴上各位置的光能量皆差不多。因此，本实施例的照明系统110能提供均匀的光源至图案片120，从而使得图案投射灯100能提供良好的投射效果。举例来说，图案投射灯100用于将图案片120上的图案均匀地投射到墙上、天花板或地板，以达到娱乐或吸引公众注意的目的。应注意的是，由于本实施例透镜阵列114与透镜116能对光束L1、L2进行收敛，而使得光束L1、L2在通过透镜阵列114与透镜116具有较小的发射角度，故照明系统110的光展量能获得降低，进而提升照明系统110的光使效用效率。举例来说，当发光二极管112b的发光效率为100％时，本实施例照明系统110的光使用效率例如为61.9％，但本发明并不受限于此。

综上所述，本发明实施例包括以下优点或功效的至少其中之一。在本发明的实施例中，通过适当地设计单一透镜与透镜阵列上的透镜的光学特性，能提升照明系统的光使用效率与光均匀度，故相较于现有技术的照明系统与图案投射灯，本发明的照明系统与图案投射灯具有降低制作成本、缩小体积与减轻重量的优点。

以上所述，仅为本发明的优选实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即所有依本发明权利要求及发明内容所作的简单的等效变化与修改，皆仍属本发明专利覆盖的范围内。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所公开的全部目的或优点或特点。此外，摘要和发明名称仅是用来辅助专利文件检索，并非用来限制本发明的权利范围。说明书中提及的第一透镜、第二透镜、…仅用以表示元件的名称，并非用来限制元件数量上的上限或下限。

Claims (11)

1.一种照明系统，包括：

光源阵列，用于提供多个光束；

第一透镜，配置于这些光束的传递路径上，其中所述照明系统的焦距为f，所述第一透镜的焦距为f1，且2≤|f1/f|≤8；以及

透镜阵列，配置于这些光束的传递路径上，且位于所述光源阵列与所述第一透镜之间，所述透镜阵列包括多个凸面朝向所述第一透镜的第二透镜，其中这些光束分别通过对应的这些第二透镜，并传递至所述第一透镜。

2.如权利要求1所述的照明系统，其中所述第一透镜为双凸透镜。

3.如权利要求1所述的照明系统，其中各所述第二透镜的焦距为f2，且|f2/f|≤3。

4.如权利要求3所述的照明系统，其中各所述第二透镜为双凸透镜。

5.如权利要求1所述的照明系统，其中所述光源阵列包括多个光源，且这些光源的个数与这些第二透镜的个数相同。

6.如权利要求5所述的照明系统，其中各所述光源包括发光二极管与球面镜。

7.一种图案投射灯，包括：

照明系统，包括：

光源阵列，用于提供多个光束；

第一透镜，配置于这些光束的传递路径上，其中所述照明系统的焦距为f，该第一透镜的焦距为f1，且2≤|f1/f|≤8；以及

透镜阵列，配置于这些光束的传递路径上，且位于所述光源阵列与所述第一透镜之间，所述透镜阵列包括多个凸面朝向所述第一透镜的第二透镜，其中这些光束分别通过对应的这些第二透镜，并传递至所述第一透镜；

投射镜头，配置于这些光束的传递路径上；以及

图案片，配置于这些光束的传递路径上，且位于所述照明系统与所述投射镜头之间。

8.如权利要求7所述的图案投射灯，其中所述第一透镜为双凸透镜。

9.如权利要求7所述的图案投射灯，其中各所述第二透镜的焦距为f2，且|f2/f|≤3。

10.如权利要求7所述的图案投射灯，其中所述光源阵列包括多个光源，且这些光源的个数与这些第二透镜的个数相同。

11.如权利要求10所述的图案投射灯，其中各所述光源包括发光二极管与球面镜。

Images