CN104302967A - 用于自动照明设备的变焦光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明描述的是采用改进的输出透镜系统(30)和载体(32)的自动照明设备(12)和照明系统(10)。输出透镜(30)可以沿着光学轴伸出到照明设备底架的前部界限以外，以提供光学系统改善的窄角性能。

Description

用于自动照明设备的变焦光学系统

相关申请

本申请是发明申请，要求以申请日为2012年3月18日、序列号为No.61/612，371并采用相同标题的美国临时申请为优先权。

技术领域

本发明大体涉及自动照明设备，尤其涉及一种用在自动照明设备里的光学系统。

背景技术

在娱乐照明和建筑照明市场，带有自动和远程控制功能的自动照明设备是众所周知的。此类产品常用于剧院、电视演播室、音乐会、主题公园、夜总会及其他场所。典型的产品通常会提供照明设备的平移和倾斜功能允许操作员控制照明设备的方向指向,因此光束的位置在舞台上或演播室。典型地该位置控制是通过控制照明设备时，通常被称为平移和倾斜的两个正交旋转轴来实现的。许多产品对其他参数，如强度、色彩、，焦距、光束大小、光束形状和光束图案提供控制。光束图案通常通过模版或称之为透镜挡光板的幻灯片来提供，其可能是钢、铝或蚀刻玻璃的图案。由Robe Show Lighting生产的产品，如ColorSpot 700E,是典型的技术。

设计这样的能使发射光束的输出角度在一定范围值内从非常窄光束到宽光束调整的自动照明设备的光学系统是众所周知的。这个光束角尺寸，或变焦，范围允许照明设计者完全控制投影影像的尺寸，图案或光线区。在照明设备中对变焦角度范围的一个限制可能是照明设备的长度。对于非常窄的变焦角，典型地需要最终的输出透镜和被投影物的像平面之间具有很大的间距。反过来宽角度是当输出透镜接近被投射物时得到的。然而，安装、存储和运输为了获得窄角度而能足够长以容纳所需的宽透镜间距的照明设备主体是不切实际的。使用这样具有大重量玻璃透镜的大间距作为布置，使得照明设备巨大而笨重并且自动平移和倾斜移动困难，这些也是有问题的。通常这些问题的解决办法是限制最小可实现光束角，并使用更小更轻的透镜。如果作为一个传统的玻璃平凸透镜构成的短焦距透镜需要非常厚重，这也会导致照明设备的重心问题，特别是如果该透镜是通过马达提供沿着光学轴移动的自动聚焦功能。由于沉重的透镜移动，照明设备的重心是不断变化的，导致自动平移和倾斜系统出现问题，所述系统针对平衡机械负载进行优化。现有技术的制造商试图通过以下两种方式之一补救这个问题。第一种方式，保持沉重的前透镜静止，而前后移动镜头挡光板、虹膜和快门组件。尽管这些组件也沉重，但他们更接近照明设备的重心，因此移动他们对综合平衡的影响更小。另一种方式是厚重的平凸透镜被菲涅尔透镜替换，其中通过使用带有多重圆周面的更轻的模压玻璃镜片来获得相同的焦距。菲涅尔透镜是现有技术中公知的能为一个等效的平凸透镜的焦距提供一个好的匹配，然而通过这种透镜投射的影像通常是柔化边缘且模糊的，而且不是所期望的清晰的图像。这种柔软性可能是在模制玻璃菲涅尔透镜的表面导致的，有相对较少的面，每个面具有一个在模制过程中替代大曲率半径而被成型工艺和熔融玻璃的表面张力所约束的并非锐利的边缘。这个在每个圆周面前端的半径趋于扩散光束并产生一个柔化的影像。

图1示出了多参数自动照明设备系统10。这些系统通常包括多个多参数自动照明设备12，每个自动照明设备包含板上的光源、光调制器、连接到机械驱动装置和控制电路上的电动马达(未示出)。除了被直接或通过配电系统(未示出)连接到主电源上，每个照明设备与数据链路14串联或并联地连接至一个或多个控制台15。

图2示出了现有技术中的自动照明设备11。灯21包括一个能发射光的光源22。光被反射器20反射和控制通过光学装置26，所述光学装置可以包括二色的彩色滤光片、效果玻璃(effects glass)和其他现有技术中公知的光学装置，再通过一个光圈或成像门24。光学组件25是成像组件，可以包括镜头挡光板、旋转挡光板、虹膜和快门。光束在被输出透镜31传送之前可以进一步穿过透镜26和28。透镜26和28可以沿着光学轴19移动以改变所发射的光束的光束角和焦点。透镜26和28通常被称为聚焦和变焦透镜，然而这些常用的名称是不恰当的，因为两个透镜都会影响功能。透镜31可以是玻璃透镜或等同于在此描述过的菲涅尔透镜，透镜31被照明设备本体16的外径尺寸约束，不能移动至离开成像元件更远。

有必要改进自动照明设备的变焦透镜系统，以提供用户获得大范围的变焦角度的能力，同时还为安装，存储和运输提供了紧凑的单元。

附图说明

为了更完整地理解本发明及其优点，现结合附图参考如下描述，其中相同的标号表示相同的特征。

图1示出了典型的自动照明系统；

图2示出了现有技术中的自动照明设备；

图3示出了一种自动照明设备改善的变焦系统的实施例；

图4示出了一种输出透镜伸出的自动照明设备改善的变焦系统的实施例；

图5示出一种带有LED光源且输出透镜伸出的自动照明设备改善的变焦系统的实施例；

图6示出了本发明一个实施例的等距视图；

图7示出了本发明一个实施例在宽角配置中输出透镜缩回的所选组件的视图；

图8示出了本发明一个实施例在窄角配置中输出透镜伸出的所选组件的视图；

图9示出了本发明一个实施例在宽角配置中输出透镜缩回的剖开立体图；

图10示出了本发明一个实施例在窄角配置中输出透镜伸出的剖开立体图。

具体实施方式

本发明的较佳实施例示于附图中，不同的附图中相同的或相应的部件使用相同的标号。

本发明大体涉及自动照明设备，尤其涉及一种这样的照明设备中光学系统的配置，以提供一种获得宽变焦角度范围的能力，同时还提供了一种紧凑的单元用于安装、储存和运输。

图3示出了改善的自动照明设备中的变焦系统的实施例。自动照明设备12可以包括灯21和反射器20，灯和反射器可以彼此相对移动以控制光束热点，彩色调制部件23可以包括，但不仅限于，混色标志或轮，色轮或其他二向分色色彩调制部件，尺寸固定或可调节的光圈24，成像光学组件25，所述成像光学组件包括但不限于挡光板、旋转挡光板、取景快门、光束整形器、可变霜过滤器、棱镜和/或虹膜。从这些图像中出来的光束被第一透镜26，第二透镜28和菲涅尔输出透镜30聚焦。第一透镜26和第二透镜28每一个均包括一个或多个光学元件，它们当中的全部或一些可沿着照明设备12的光学轴19前后移动，以将光引导到朝向输出透镜30。第一透镜26和第二透镜28可进一步均匀化并约束光束，确保光束能完全填满输出透镜30。

第一透镜26和第二透镜28可进一步均匀化并约束光束。另外，在优选的实施方式中，设计前置输出透镜26和28为某种关于聚焦透镜26,28和30的操作范围的点模式操作，以最大化地填充输出透镜30的面积。在优选的实施方式中，透镜26,28和30的移动能自动协调以获得输出透镜的最大填充面积。

在一些实施例中，扩散过滤器27也可以选择性地被插入到光学路径中，以改善均匀化并进一步提高最大输出角。输出透镜30可以是传统的菲涅尔透镜、具有小圆周面的数量比标准菲涅尔透镜数量增加的改进型菲涅尔透镜，或者是标准的球面或非球面透镜。第一透镜26，第二透镜28和输出透镜30可以由玻璃、合适的透明聚合物如丙烯酸或聚碳酸酯，或其他合适的材料制成。透镜30可以沿着照明设备12的光学轴19前后移动，为光学元件25的投影图像提供聚焦调整。第一透镜26、第二透镜28和输出透镜30的组合提供了输出光束，通过沿着光学轴19前后移动第一透镜26、第二透镜28和输出透镜30中的任一个或全部，输出光束的光束角和焦点都是可调的。输出透镜30连接在载体32上，载体32支撑输出透镜30并提供沿光学轴的移动。载体32可通过载体32的一端支撑输出透镜30，这使得载体32沿着光学轴移动，使输出透镜30从照明设备底架16伸出，如图4所示。图3示出了系统的宽角度配置，其中输出透镜30被定位在照明设备底架16的内部，第一和第二透镜26和28移动以提供变焦和聚焦。

图4示出了具有伸出的输出透镜的自动照明设备中的改善变焦系统的实施例。该系统与图3示出的系统相同，然而输出透镜30通过载体32移动到伸出照明设备底架16前部外侧的位置。图4示出了窄角度配置的系统，其中输出透镜30被定位在照明设备底架16的外侧，且第一和第二透镜26和28移动以提供变焦和聚焦。扩散过滤器27可选择性地插入到光学路径中，以改善均匀化并进一步增加最大输出角。

通过由载体32和输出透镜30提供的系统，照明设备能够提供一个很宽范围的输出光束角，在一个实施例描述的系统中提供了一个连续变焦角度范围，从窄角5.5°到宽角60°。在这个特定的实施例中，扩散过滤器27的增加改变了连续变焦范围，从窄角20°到宽角75°。

图5示出了具有伸出的输出透镜的自动照明设备中的改善变焦系统的实施例。本实施例中，光源是LED，固态，光源18可具有集成的光学器件17。LED光源18可以是单色光源，包括例如，白色LED，或可以包括多种颜色的LED组成，如由红，绿和蓝组成(RGB)，或由红，绿，蓝和白组成(RGBW)或其他彩色的LED组合，其输出可独立的变化或组合，以提供想要的颜色。光源的光学器件系统17优选地提供单个颜色的均匀化，以使输出光束为单色，具有最小的彩色模式和彩色阴影。RGB系统可以完全依靠RGB LED添加的色彩调制，而不是通过彩色调制系统23的调制。然而，LED源系统的其他实施例也可以包括减色调制系统23。

图5示出了窄角配置的系统，其中输出透镜30被定位在照明设备底架16的外侧，第一和第二透镜26和28移动以提供变焦和聚焦。扩散过滤器27可以选择性地被插入到光学路径中，以改善均匀化并进一步提高最大输出角。

输出透镜30可以是传统的菲涅尔透镜，或者是增加了较大数量的圆周面的菲涅尔透镜。输出透镜30可以由平坦的后表面提供，或分散、或点刻模式模制成后表面。如果使用的菲涅尔透镜具有平坦的后表面，那么在此公开的光学系统可提供成像组件25清晰的聚焦影像，而带有点刻背面的透镜则会提供软化的，扩散的影像。

图6示出了本发明的一个将盖移除后的等距视图。自动照明设备12包括灯源18、尺寸可以固定或可调的光圈24、成像光学组件25，成像光学组件包括但不仅限于挡光板、旋转挡光板、取景快门、光束整形器、可变霜过滤器、棱镜和虹膜。从这些图像中出来的光束被第一透镜26、第二透镜28和输出透镜30聚焦。输出透镜30安装在载体32上，载体32可以相对照明设备底架16的前部界限沿轨道34前后移动。这种移动可由步进电机、线性执行机构、伺服电机或其他合适控制装置来提供。扩散过滤器27可以安装在臂或其他关节装置上，以便它可以如用户期望的一样从光学路径插入或移除，以改善均匀化或提高最大输出角。这里示出的是从光学路径中移除。

图7示出了本发明一个实施例在宽角配置中，输出透镜30缩进照明设备底架16前部界限内的所选组件的视图。输出透镜30所处的位置照明设备呈现出紧凑的结构。在该优选的实施例中，当照明设备关闭时，它会很容易地自动缩回到这个位置，以便更安全地装配/拆解(安装/拆卸)、储存和运输。为了最大的宽角，第二透镜28可以接近输出透镜30安装，第一透镜26可以调整以提供聚焦控制。为进一步增加光束角，扩散过滤器27可以插入到光学路径中。

图8示出了本发明一个实施例在窄角配置中，输出透镜30伸出照明设备底架16前部界限外的所选组件的视图。输出透镜30所处的位置照明设备呈现出最佳窄角的延伸结构，而不是为了安装、储存和运输。为了最小的窄角，第二透镜28可以远离输出透镜30安装，第一透镜26可以调整以提供聚焦控制。

图9示出了本发明一个实施例在宽角配置下输出透镜30和载体32缩进照明设备底架16前部界限内的剖开立体图。输出透镜30在所处的位置照明设备呈现出紧凑的结构，并且可以容易地、最佳地安装，储存和运输。为了最大宽角，第二透镜28可以被安装到接近输出透镜30的位置，第一透镜26可以调整以提供聚焦控制。

图10示出了本发明一个实施例在窄角配置下输出透镜30和载体32伸出照明设备底架16前部界限外的剖开立体图。在输出透镜30所处的位置照明设备呈现出最佳窄角的延伸的结构，而不是为了安装，储存和运输。为了最小的窄角，第二透镜28可以远离输出透镜30安装，第一透镜26可以通过调整提供聚焦控制。

以上公开的本发明提供了能大范围变焦的光学系统，而仍能呈现紧凑的照明设备以容易安装，储存和运输。在紧凑的配置中，输出透镜30被保护在底架16中，照明设备可以在运输时被放置在航空箱或桁架中。安装后，透镜载体32和输出透镜30可以伸出到照明设备底架16的外部，以提供一个改善的窄光束角。第一透镜26，第二透镜28和输出透镜30中的任一或全部组合可以沿着光学轴移动，提供光束角和聚焦的最佳和连续控制。

虽然本发明公开描述了一定数量的实施例，本领域技术人员，得益于上述公开的内容，将认识到，在不偏离本发明公开范围可以修改以得到其他的实施例。本发明已经作出了详细的描述，当应当理解的是，各种改变，替换和变更均不脱离本发明精神的范围。

Claims (2)

1.一种带有输出透镜的自动照明设备，所述输出透镜在操作时能够关节连接地伸出到照明设备的前部界限以外，在不操作时回缩进照明设备的所述界限以内。

2.根据权利要求1所述的自动照明设备，其特征在于，回缩作为关闭过程的一部分自动发生。