CN107763450B - 一种用于led舞台灯具的光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于LED舞台灯具的光学系统，它包括依次设置的LED光源组件、聚光透镜组件、成像透镜组件；LED光源组件包括基板和LED灯珠，LED灯珠在基板平面上呈正六边形阵列分布，使光源发出的光线更均匀，减少光线损失，提升集光效率；聚光透镜组件能够将LED光源组件发射出的光束聚光成准直均匀光束，改善单束光束的均匀度，同时提升光斑均匀度；该聚合后的均匀光束穿过合光透镜后，把多束准直光束聚焦到合光透镜的焦点处，光线经过成像镜组后进行投影，得到高光效，光斑质量高的清晰图案。

Description

一种用于LED舞台灯具的光学系统
技术领域
本发明涉及一种用于舞台灯具的光学系统，尤其是指一种用于LED舞台灯具的光学系统。
背景技术
目前舞台图案灯具所应用的光源已逐步用LED光源替代金卤放电泡光源，为提高LED光源光效及投射光斑的均匀度，业内公司及工程技术人员相继采用多颗LED和聚光透镜排列组合，外加复眼透镜匀光及合光透镜再次聚光等一系列组件组成大功率光源模组的技术，虽然采用这一技术的LED光源模组投射后的光斑均匀度≥90％，但光输出效率仅为70-80％之间，不够理想(LED模组光效＝经过光源模组后输出的光通量/LED裸光额定光通量)，而且透镜结构复杂导致制作加工成本过高。另外通过减少透镜数量进行聚光合光的LED模组虽成本低，但其光斑均匀度≤50％，光斑均匀度较差，光效在75-85％之间，也不够理想。为此目前舞台灯具亟需一种高光效、较高均匀度的大功率LED模组技术及与之相匹配的成像光学系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：LED舞台灯具图案成像的光斑均匀度和光效难以同时兼顾的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：提供一种用于LED舞台灯具的光学系统，其特征在于：它包括从出光方向依次设置的LED光源组件、聚光透镜组件、成像透镜组件；
所述LED光源组件包括基板和LED灯珠，所述LED灯珠在基板上呈正六边形分布；
所述聚光透镜组件包括接近LED光源组件依次设置的第一聚光透镜组、第二聚光透镜组及合光透镜；所述第一聚光透镜组包括第一透镜，第一透镜的入光面为凹球面，出光面为凸球面；所述第二聚光透镜组包括第二透镜，第二透镜的入光面与出光面均为二次曲面；所述合光透镜的入光面与出光面均为凸球面；
所述成像透镜组件包括沿LED光源组件出光光路方向依次设置的第一成像透镜、第二成像透镜、第三成像透镜、第四成像透镜以及第五成像透镜；所述第一成像透镜为正弯月透镜；所述第二成像透镜为负弯月透镜；所述第三成像透镜为双凸球面透镜；所述第四成像透镜为双凹负透镜；所述第五成像透镜为双凸正透镜。
优选地，所述LED灯珠的数量不少于18颗，所述基板中心位置不予放置灯珠。
优选地，所述第一透镜入光面的曲率半径为4.5～10.0mm，出光面的曲率半径为2～6mm，所述第一透镜与所述LED灯珠的距离为0.05～0.30mm。
优选地，所述第二透镜入光面的曲率半径为10～18mm，曲面系数为0.1～0.5，出光面的曲率半径为4.5～9.0mm，曲面系数为0～-1，第二透镜与所述第一透镜的间隔距离为0.5～1.0mm。
优选地，所述合光透镜入光面的曲率半径为38～55mm，出光面的曲率半径为140～300mm，焦距为45～75mm，与所述第二聚光透镜组的间隔距离为5.5～12.0mm。
优选地，所述合光透镜的焦平面处设置有通光孔，所述通光孔的直径为22～30mm，通光孔与所述合光透镜的相隔距离为30～75mm。
优选地，所述成像透镜组件的第一成像透镜的入光面的曲率半径为59～65mm，出光面的曲率半径为29.5～33.0mm，与所述通光孔的距离为20～35mm；所述成像透镜组件的第二成像透镜入光面的曲率半径为120～123mm，出光面的曲率半径为47.0～49.5mm；所述成像透镜组件的第三成像透镜的入光面的曲率半径为80～83mm，出光面的曲率半径为145～150mm；所述成像透镜组件的第一成像透镜、第二成像透镜、第三成像透镜组成调焦镜组。
优选地，所述成像透镜组件的第四成像透镜的入光面的曲率半径为240～245mm，出光面的曲率半径为195～205mm，所述成像透镜组件的第五成像透镜的入光面的曲率半径为500～575mm，出光面的曲率半径为55～63mm，所述成像透镜组件的第四成像透镜与第五成像透镜组成物镜固定组。
本发明包括一种用于LED舞台灯具的光学系统，所述LED灯珠在基板平面上呈正六边形阵列分布，使光源发出的光线更均匀，减少光线损失，提升集光效率；聚光透镜组件能够将LED光源组件发射出的光束聚光成准直均匀光束，改善单束光束的均匀度，同时提升光斑均匀度；该聚合后的均匀光束穿过合光透镜后，多束准直光束聚焦到合光透镜的焦点处，光线经过成像镜组后进行投影，得到高光效，光斑质量高的清晰图案。
附图说明
下面结合附图详述本发明的具体结构
图1为本发明的一种用于LED舞台灯具的光学系统的机构示意图；
图2为本发明的LED光源组件的结构示意图；
图3为本发明的第一聚光透镜组的排列示意图；
图4为本发明的第二聚光透镜组的排列示意图；
其中，1-基板，2-LED灯珠，3-第一聚光透镜组，4-第二聚光透镜组，5-合光透镜，6-通光孔，7-第一成像透镜，8-第二成像透镜，9-第三成像透镜，10-第四成像透镜，11-第五成像透镜，12-第一透镜，13-第二透镜。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
参照图1及图2，本发明的实施例中，提供一种用于LED舞台灯具的光学系统，它包括从出光方向依次设置的LED光源组件、聚光透镜组件、成像透镜组件；
所述LED光源组件包括基板1和LED灯珠2，所述LED灯珠2在基板1上呈正六边形分布；
所述聚光透镜组件包括接近LED光源组件依次设置的第一聚光透镜组、第二聚光透镜组及合光透镜5；所述第一聚光透镜组包括第一透镜12，第一透镜12的入光面为凹球面，出光面为凸球面；所述第二聚光透镜组包括第二透镜13，第二透镜的入光面与出光面均为二次曲面；所述合光透镜5的入光面与出光面均为凸球面；
第一透镜12入光凹面主要作用在于更有效收集芯片发出的光线，同时对芯片表层起到一定保护作用，第一透镜12出光面设置为球面作用在于增大透镜光焦度以提升第一透镜12的聚光效果；第二透镜13入光与出光面设置为非球面，作用在于把LED光束角度进一步缩小，同时也起到优化光线折射角度均匀光斑的效果。
所述成像透镜组件包括沿LED光源组件出光光路方向依次设置的第一成像透镜7、第二成像透镜8、第三成像透镜9、第四成像透镜10以及第五成像透镜11；所述第一成像透镜7为正弯月透镜；所述第二成像透镜8为负弯月透镜；所述第三成像透镜9为双凸球面透镜；所述第四成像透镜10为双凹负透镜；所述第五成像透镜11为双凸正透镜。
本技术方案中，LED灯珠2呈正六边形分布在基板1上，可以保证LED灯珠2的散热，同时排布最多数量的LED灯珠，使多颗分布的LED灯珠2发光后，更加接近于理想中的均匀面光源，最大限度的减少光线损失，提升集光效率，LED灯珠2发出的光束经过第一聚光透镜组聚光后，再次经过第二聚光透镜组进行聚光，得到准直均匀光束，该光束在经过合光透镜5合光后，经过成像镜组后投影成像，得到高光效，光斑质量高的清晰图案。
实施例一
参照图1及图2，所述LED灯珠2的数量不少于18颗，所述基板1中心位置不予放置灯珠。本实施例中，基板1中心位置不放置LED灯珠2，可以控制光斑均匀度。灯珠数量越多对混光越有利，单颗LED光源的光强分布不均匀现象，可以用更多数量光源光波干涉重叠加以强弱互补达到增强混光匀光的效果。设置18颗数量是两个六边形阵列所需最小数量，低于18颗一是光学系统功率难以做大，二是将导致光斑均匀度降低。
实施例二
参照图1及图2，所述第一透镜12入光面的曲率半径为4.5～10.0mm，出光面的曲率半径为2～6mm，所述第一透镜12与所述LED灯珠2的距离为0.05～0.30mm。本实施例中，第一透镜12与LED灯珠2之间的距离安装过低，不利于安装操作，距离过高，不利于光线收集，影响集光效率。因此可根据实际需求，在0.05～0.30mm的范围内选择合适的距离。第一透镜12和第二透镜13共同组成一个有效焦距EFFL值为3.5mm的聚光镜组，两个单透镜曲率半径范围确定取决于有效焦距的大小，本方案聚光镜组有效焦距之所以设置为3.5mm，是需要把光束角为120°LED光源聚集成20°～30°之间小角度光束，焦距越小对光线聚集的能力越强。
实施例三
参照图1及图3，所述第一聚光透镜组3包括多个第一透镜12；所述第一透镜12与所述LED灯珠2一一对应排列。本实施例中，第一透镜12的数量由LED灯珠2的数量确定，每个LED灯珠2设置有与之对应的第一透镜12，LED灯珠2发出的光束在第一透镜12进行聚光后，改善单光束的均匀度。
实施例四
参照图1及图4，所述第二透镜13入光面的曲率半径为10～18mm，曲面系数为0.1～0.5，出光面的曲率半径为4.5～9.0mm，曲面系数为0～-1，第二透镜13与所述第一透镜12的间隔距离为0.5～1.0mm。第一透镜12和第二透镜13共同组成一个有效焦距EFFL值为3.5mm的聚光镜组，两个单透镜曲率半径范围确定取决于有效焦距的大小，本方案聚光镜组有效焦距之所以设置为3.5mm，是需要把光束角为120°LED光源聚集成20°～30°之间小角度光束，焦距越小对光线聚集屈光的能力越强。
实施例五
参照图1，所述第二聚光透镜组4包括多个第二透镜13；所述第二透镜13与所述第一透镜12一一对应设置，第二透镜13与所述第一透镜12的间隔距离为0.5-1.0mm。本实施例中，第二透镜13的数量与第一透镜12的数量相等且一一对应设置，经第一聚光透镜聚光后的光束，再次经过第二聚光透镜聚光，改善单光束的均匀度，第二透镜13与第一透镜12间隔距离为0.5～1.0之间，聚光效果更佳。透镜间的间隔也叫光学间隔，根据透镜变焦原理Φ＝Φ1+Φ2-dΦ1Φ2(其中Φ1和Φ2分别是两个单透镜的光焦度，d就是光学间距，而Φ是它们的总光焦度，总光焦度的倒数是组合透镜的总焦距EFFL)从公式中可推知光学间距大小对透镜组的光焦度和总焦距及光束大小可以起到调节作用。
实施例六
参照图1，所述合光透镜5入光面的曲率半径为38～55mm，出光面的曲率半径为140～300mm，焦距为45～75mm，与所述第二聚光透镜组4的间隔距离为5.5～12.0mm。本实施例中，合光透镜5对聚光透镜组4聚光后的多束准直光聚焦到合光透镜5的焦点处，完成合光，调节合光透镜的焦距，同时调节合光距离的大小(合光距离等于光束聚焦最亮点到合光透镜出光面顶点的距离)。
实施例七
参照图1，所述合光透镜5的焦平面处设置有通光孔6，所述通光孔6的直径为22～30mm，通光孔6与所述合光透镜5的相隔距离为30～75mm。本实施例中，通光孔6用于放置成像物，拦除外围杂散光线以改善镜头成像质量以及光斑均匀度，通光孔大小的确定与焦点处合光光斑大小成正比，但会小于合光光斑以挡除外围杂散光线(假定合光最大光斑为Φ31mm，则通光孔可在Φ22～Φ30mm间选取)，通光孔距离确定取决于合光透镜焦距大小，通光孔的设置原则是必须在合光透镜像方焦平面前后两个位置区间内(±5.0mm)，以便获得最佳的光斑照度和均匀度及成像质量。
实施例八
参照图1，所述成像透镜组件的第一成像透镜7的入光面的曲率半径59～65mm，出光面的曲率半径为29.5～33.0mm，与所述通光孔6的距离为20～35mm；所述成像透镜组件的第二成像透镜8入光面的曲率半径为120～123mm，出光面的曲率半径为47.0～49.5mm；所述成像透镜组件的第三成像透镜9的入光面的曲率半径为80～83mm，出光面的曲率半径为145～150mm；所述成像透镜组件的第一成像透镜7、第二成像透镜8、第三成像透镜9组成调焦镜组。
调焦镜和物镜两单镜头共同组成一个投影成像光学系统它们每一个曲率半径R值的设定都是在实现投射角度和成像质量要求前提下。而投影视场角与成像组焦距、镜片曲率r值、及通光孔大小是紧密不可分的。由三组透镜成像公式可推知：
公式1：f＇＝h/tanU(f＇为两个成像光组总焦距、h为通光孔的二分之一，U为视场角度的二分之一)；
公式2：f′1和f′2分别是调焦镜和物镜各自的像方焦距其中d为它们之间的光学间距；
公式3：调焦镜和物镜各单透镜焦距计算公式其中n为光学玻璃材质折射率r1和r2分别是单个透镜入光面和出光面的曲率半径。
如下图表为通光孔间隔距离、通光孔大小、光斑均匀度、光效四种变量参数综合数据实验表，
实验数据结果分析：从通光孔实际光效和光斑均匀度对比，可以得出通光孔在Φ26～Φ30mm之间选取比较合适，合光位置在37mm～42mm距离范围选取比较合适，从统计数据可看出通光孔在这两个区间范围内，本系统可以高光效输出及光斑均匀度，完全可以满足大功率舞台灯具的要求。
实施例九
参照图1，所述成像透镜组件的第四成像透镜10的入光面的曲率半径为240～245mm，出光面的曲率半径为195～205mm，所述成像透镜组件的第五成像透镜11的入光面的曲率半径为500～575mm，出光面的曲率半径为55～63mm，所述成像透镜组件的第四成像透镜10与第五成像透镜11组成物镜固定组。
综上所述，本发明提供的一种用于LED舞台灯具的光学系统，LED灯珠2呈正六边形阵列分布在基板1上，基板1中心位置不放置LED灯珠2，正六边形分布的意义在于在有限的平面基板区域内，保证散热的同时，排布最多数量的LED灯珠2，使多颗分布的LED灯珠2发光后更接近理想中的均匀面光源，同时最大限度的减少光线损失以提升集光效率；每颗LED灯珠2正前方对应有单个第一透镜12进行聚光，第一透镜12对LED灯珠2发出的光束进行一次聚光，第二透镜13对通过第一透镜12的光束再次聚光，得到准直均匀光束，合光透镜5把多束均匀光束聚焦在像方焦平面的通光孔6处完成合光，合成的光束经过成像镜组投影，得到光效高，光斑均匀的清晰图像。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于LED舞台灯具的光学系统，其特征在于：它包括从出光方向依次设置的LED光源组件、聚光透镜组件、成像透镜组件；
所述LED光源组件包括基板和LED灯珠，所述LED灯珠在基板上呈正六边形分布；
所述聚光透镜组件包括接近LED光源组件依次设置的第一聚光透镜组、第二聚光透镜组及合光透镜；所述第一聚光透镜组包括第一透镜，第一透镜的入光面为凹球面，出光面为凸球面；所述第二聚光透镜组包括第二透镜，第二透镜的入光面与出光面均为二次曲面；所述合光透镜的入光面与出光面均为凸球面；
所述成像透镜组件包括沿LED光源组件出光光路方向依次设置的第一成像透镜、第二成像透镜、第三成像透镜、第四成像透镜以及第五成像透镜；所述第一成像透镜为正弯月透镜；所述第二成像透镜为负弯月透镜；所述第三成像透镜为双凸球面透镜；所述第四成像透镜为双凹负透镜；所述第五成像透镜为双凸正透镜。
2.如权利要求1所述的一种用于LED舞台灯具的光学系统，其特征在于：所述LED灯珠的数量不少于6颗，所述基板中心位置不予放置灯珠。
3.如权利要求2所述的一种用于LED舞台灯具的光学系统，其特征在于：所述第一透镜入光面的曲率半径为4.5～10.0mm，出光面的曲率半径为2～6mm，所述第一透镜与所述LED灯珠的距离为0.05～0.30mm。
4.如权利要求3所述的一种用于LED舞台灯具的光学系统，其特征在于：所述第一聚光透镜组包括多个第一透镜；所述第一透镜与所述LED灯珠一一对应排列。
5.如权利要求4所述的一种用于LED舞台灯具的光学系统，其特征在于：所述第二透镜入光面的曲率半径为10～18mm，曲面系数为0.1～0.5，出光面的曲率半径为4.5～9.0mm，曲面系数为0～-1，第二透镜与所述第一透镜的间隔距离为0.5～1.0mm。
6.如权利要求5所述的一种用于LED舞台灯具的光学系统，其特征在于：所述第二聚光透镜组包括多个第二透镜；所述第二透镜与所述第一透镜一一对应设置，第二透镜与所述第一透镜的间隔距离为0.5～1.0mm。
7.如权利要求6所述的一种用于LED舞台灯具的光学系统，其特征在于：所述合光透镜入光面的曲率半径为38～55mm，出光面的曲率半径为140～300mm，焦距为45～75mm，与所述第二聚光透镜组的间隔距离为5.5～12.0mm。
8.如权利要求7所述的一种用于LED舞台灯具的光学系统，其特征在于：所述合光透镜的焦平面处设置有通光孔，所述通光孔的直径为22～30mm，通光孔与所述合光透镜的相隔距离为30～75mm。
9.如权利要求8所述的一种用于LED舞台灯具的光学系统，其特征在于：所述成像透镜组件的第一成像透镜的入光面的曲率半径为59～65mm，出光面的曲率半径为29.5～33.0mm，与所述通光孔的距离为20～35mm；所述成像透镜组件的第二成像透镜入光面的曲率半径为120～123mm，出光面的曲率半径为47.0～49.5mm；所述成像透镜组件的第三成像透镜的入光面的曲率半径为80～83mm，出光面的曲率半径为145～150mm；所述成像透镜组件的第一成像透镜、第二成像透镜、第三成像透镜组成调焦镜组。
10.如权利要求9所述的一种用于LED舞台灯具的光学系统，其特征在于：所述成像透镜组件的第四成像透镜的入光面的曲率半径为240～245mm，出光面的曲率半径为195～205mm，所述成像透镜组件的第五成像透镜的入光面的曲率半径为500～575mm，出光面的曲率半径为55～63mm，所述成像透镜组件的第四成像透镜与第五成像透镜组成物镜固定组。
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