CN108870211A - 一种定焦单颗大功率led图案灯的长焦深光学系统 - Google Patents

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Abstract

通过多次光路模拟和优化后的各透镜参数设计，构建出图案灯长焦深光学系统，使得焦深要明显长于常规定焦透镜组合，即达到了成像清晰范围要明显宽于现有定焦灯具，使得图案灯能够配置3个成像盘，且均能够成相对清晰的像，大大的丰富了图案灯的图案效果，增强了图案灯的舞台表现力。

Description

一种定焦单颗大功率LED图案灯的长焦深光学系统
技术领域
本发明属于照明技术领域，特别是涉及一种舞台照明领域涉及的图案灯。
背景技术
随着社会娱乐事业的发展，舞台灯具应用越来越广泛，其中电脑灯在舞台领域应用最为广泛。电脑灯按种类分为3类，图案灯（spot）、光束灯（BEAM）、染色灯（Wash）。 光束灯的特点是出来的光束感很强，现场的视觉冲击力比较强；染色灯的特点是染色为主，投射柔和均匀的灯光而设，不会造成锐利的边缘和光影造型；图案灯的特点是能造出极为清晰的图案效果；很明显，由于图案灯、光束灯、染色灯重点突出的效果的不同，那么所选用的透镜形成的光路系统是有明显差异的。
图案灯分为两种，定焦图案灯和变焦图案灯，顾名思义，定焦图案灯是通过固定位置的透镜组来达到图案盘的图案清晰的效果；而变焦图案灯则是靠改变一组透镜位置的方式即变焦方式来进行图案清晰度的调节；显而易见的，由于实现图案清晰的方式不一样，变焦和定焦图案灯在透镜组即光路系统的选择上也是有明显差异的。
焦深，简单的说，即镜头的像平面两边的成像清晰范围，专业的来讲，光学成像系统的焦深指的是当系统像面移动造成的系统波像差变化不超过四分之一波长时，则认为这个像面可以移动的范围便是光学系统的焦深。
对于图案灯来说，灯具内多个图案盘上的图案的清晰度与透镜组的焦深直接相关。常规的变焦图案灯一般有3个或者3个以下的图案盘，而常规的定焦图案灯则均只有2个或者2个以下的图案盘，其差异的原因就在于焦深的差距，变焦有两组透镜(一般是调焦透镜和变焦透镜)是可配合移动的，即行程是实时可变的，通过可变的行程加大了成像清晰范围（焦深），所以可以满足3个不同像平面上的图案盘的清晰成像；而定焦图案灯，之所以都是2个或者2个以下的图案盘，是因为其焦深不够，如果再加上第3个图案盘，那么这第3个图案盘上的图案是调不清晰的。如公开号为CN102242907B的发明专利一种用于舞台灯具的调焦变焦系统，文献在说明书的具体实施方式第二段中提到“即调焦组件和变焦组件从上往下依次设在滑动导轨40与导杆50之间，调焦组件和变焦组件可以沿滑动导轨40与导杆50上下移动。”在说明书的具体实施方式第四段和第六段中分别提到“调焦组件包括调焦固定板61、设在调焦固定板61上的调焦镜头60”“而变焦组件包括变焦固定板（71）、设在变焦固定板（71）上的变焦镜头（70）“可见实现多个图案盘的图案清晰度的办法是移动调焦镜头和变焦镜头。
我们所见到的电脑灯一般用来表现非图案效果的元件还有色片盘、棱镜、CMY 、光圈，因为它们对清晰度的要求并不是太高，而追求的是颜色效果变换，所以即使在短焦深的情况下依然可以用在舞台灯具上，所以我们所看的舞台电脑图案灯通常包括图案盘，同时包括色片盘、棱镜、CMY、光圈中的一种或者几种，而光束灯和染色灯的焦深则相对更小，因为它们不侧重于图案的清晰度，因此对透镜组焦深范围的要求更低。
公开号为CN206247244U的实用新型专利一种舞台图案灯光学系统，说明书中提到“本实用新型所要解决的技术问题在于现有舞台图案灯存在光路行程、调焦 行程较长、不同功率LED光源无法兼容的问题，从而提出一种光路、调焦行程短、体积尺寸小，灯具更新换代简便的舞台图案灯光学系统。”可见，其主要技术点是体积小的LED图案灯替代方案，且它只有1个图案盘（附图标号3）。
公开号为CN206890245U的实用新型专利一种舞台灯具的光学系统，权利要求1中提到“一种舞台灯具的光学系统，其特征在于，包括沿该光学系统的主光轴依次设置的光源(1)、反光镜(2)、光阑(3)、光学组镜(6)和菲涅尔透镜(7)，所述光阑(3)设置在反光镜(2)和反光镜(2)的焦点(9)之间。”显然，因为其含有菲涅尔透镜(7)，其不涉及改善常规图案清晰度即焦深的问题，且它也只有1个图案盘（附图标号5）。
公开号为CN102818221B的发明专利一种用于舞台灯具的光学系统，说明书的发明内容中第一段提到“本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种可同时实现柔光和光束两种效果的用于舞台灯具的光学系统。”可见其重点在于柔光和光束效果，即光束灯（BEAM）和染色灯（Wash）的技术改良，跟图案灯涉及的焦深无关联。
公开号为CN102901058B的发明专利一种用于舞台灯具的光学系统，说明书中倒数第二段提到“本发明的工作原理如下：光源10发出的光经聚光器件20反射后汇聚成沿着光的传 播方向的主光束11，主光束11经效果组件30后穿过镜头40经过多反射镜面光学组件50反射 出去，形成多个光斑，通过联动机构带动多反射镜面光学组件活动，形成多个动态的光斑效果。”可见其主要在于利用反射镜片光学组件（附图标号50）达到多个光斑效果的表现。
公开号为CN207500839U的实用新型专利一种用于LED舞台灯具的光学系统，其说明书中具体实施方式第二段中提到“参照图1及图2，本实用新型的实施例中，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”，可见其是多颗LED组成的光源，其主要改善的是光斑均匀度问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种定焦单颗大功率LED图案灯的长焦深光学系统，解决现有LED图案灯焦深过短，而导致图案盘数量少和图案清晰度不高的问题。
本发明的技术方案如下：
一种定焦单颗大功率LED图案灯的长焦深光学系统，包括LED光源，聚光透镜组、效果盘、成像盘和成像透镜组，所述效果盘为用于打出光束和颜色效果，所述成像盘用于图案清晰成像，依照相对位置从下到上的顺序分别为LED光源、聚光透镜组、效果盘、成像盘、成像透镜组；
一种定焦单颗大功率LED图案灯的长焦深光学系统，其特征在于，所述LED光源为功率100W-200W的单颗LED光源；所述聚光透镜组包含聚光透镜1和聚光透镜2；所述效果盘和成像盘均处在不同的平面；所述成像盘的数量为1-3个，成像盘的通光孔直径为19mm-20mm；所述成像透镜组为定焦透镜组，包括5个透镜，按照从下而上的顺序依次为成像透镜5、成像透镜4、成像透镜3、成像透镜2和成像透镜1。
进一步的，所述聚光透镜1的入光面为平面，出光面的曲率半径r12为6.5mm~12.5mm，；所述聚光透镜2入光面的曲率半径r21为31.5mm~47.5mm，出光面的曲率半径r22为20mm~30mm。
进一步的，所述聚光透镜1和聚光透镜2的间距为2mm~6mm。
进一步的，所述成像透镜5入光面的曲率半径R51为58mm~62mm，出光面的曲率半径R52为41mm~45mm；所述成像透镜4入光面的曲率半径R41为132mm~138mm，出光面的曲率半径R42为87mm~93mm。
进一步的，所述成像透镜5和成像透镜4的间距为0.5mm-1mm。
进一步的，所述成像透镜3入光面的曲率半径R31为33mm~37mm，出光面为平面；所述成像透镜2入光面的曲率半径R21为237mm~247mm，出光面的曲率半径R22为38mm~42mm。
进一步的，所述成像透镜3和成像透镜2紧贴在一起。
进一步的，所述成像透镜1入光面曲率半径R11为877mm~917mm，出光面的曲率半径R12为170mm~180mm。
进一步的，所述成像透镜1和成像透镜2的间距为22mm-26mm。
在本发明中，通过独特的透镜参数设计和光路模拟，构建出图案灯的长焦深光学系统，使得焦深要明显长于常规定焦透镜组合，即达到了成像清晰范围要明显宽于现有定焦灯具，使得图案灯能够配置3个成像盘，且均能够成相对清晰的像，大大的丰富了图案灯的图案效果，增强了图案灯的舞台表现力。
附图说明
图1为一种定焦单颗大功率LED图案灯的长焦深光学系统位置示意图。
图2为焦深计算公式。
图3为5m成像整体光路模拟---整体图。
图4为5m成像光路模拟---透镜处局部图。
附图中图示标号说明：1-LED光源；21-聚光透镜1；22-聚光透镜2；3-效果盘；41-图案盘1；42-图案盘2；43-图案盘3；51-成像透镜1；52-成像透镜2；53-成像透镜3；54成像透镜4；55-成像透镜5。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的描述：
如附图1所示， 本发明的光学系统依照从下到上的顺序，包括LED光源（1），聚光透镜组、效果盘（3）、成像盘和成像透镜组；其中聚光透镜组包括聚光透镜1（21）和聚光透镜2（22），成像透镜组包括成像透镜5（55）、成像透镜4（54）、成像透镜3（53）、成像透镜2（52）和成像透镜1（51）。
本实施例中，单颗LED光源（1）的功率为150W；效果盘（3）数量为1个，为舞台灯具行业常用的色片盘或棱镜，用于打出光束和颜色效果；成像盘数量为3个，为舞台灯具行业常用的旋转图案盘或固定图案盘，用于图案清晰成像，分别是图案盘1（41）、图案盘2（42）和图案盘3（43），3个图案盘的通光孔直径Φ为19mm-20mm；效果盘和成像盘均处在不同的成像平面上。
各透镜的参数如下：
聚光透镜1（21）的入光面为平面，出光面的曲率半径r12为6.5mm~12.5mm，本实施例中r12=9.5mm；
聚光透镜2（22）入光面的曲率半径r21为31.5mm~47.5mm，本实施例中r21=39.5mm，出光面的曲率半径r22为20mm~30mm，本实施例r22=25mm；
聚光透镜1（21）和聚光透镜2（22）的间距为2mm~6mm，本实施例中间距为2mm；
成像透镜5（55）入光面的曲率半径R51为58mm~62mm，本实施例中R51=60mm，出光面的曲率半径R52为41mm~45mm，本实施例中R52=43mm；
成像透镜4（54）入光面的曲率半径R41为132mm~138mm，本实施例中R41=135mm，出光面的曲率半径R42为87mm~93mm，本实施例中R42=90mm；
成像透镜5（55）和成像透镜4（54）的间距为0.5mm-1mm，本实施例中间距为0.6mm；
成像透镜3（53）入光面的曲率半径R31为33mm~37mm，本实施例中R31=35mm，出光面为平面；
成像透镜2（52）入光面的曲率半径R21为237mm~247mm，本实施例中，R21=242mm，出光面的曲率半径R22为38mm~42mm，本实施例中R22=40mm；
成像透镜3（53）和成像透镜2（52）紧贴在一起；
成像透镜1（51）入光面曲率半径R11为877mm~917mm，本实施例中R11=897mm，出光面的曲率半径R12为170mm~180mm，本实施例中R12=175mm；
成像透镜1（51）和成像透镜2（52）的间距为22mm-26mm，本实施例中间距为24mm。
3个图案盘的通光孔直径Φ为19mm-20mm，在本实施例中，图案盘1（41）通光孔直径Φ为19mm，图案盘2（42）和图案盘3（43）的直径Φ均为20mm；效果盘（3）和3个成像盘均处在不同的成像平面上。
如附图2所示，焦深计算公式为：Δz=kλ/(NA)²，Δz为焦深；NA为数值孔径；k为光学系统性能和工艺因子；λ为波长；从计算公式中可知在k值和波长一定的条件下 通过减小NA值可扩大焦深；本发明就是在不改变系统通光量前提下减小NA值，NA= sina，a为有效通光孔径与第一成像面的夹角，如附图1中虚线处所示；
将常规图案灯的定焦镜头光学系统与本发明的光学系统进行焦深数据对比如下：
（K值通取0.8；波长λ通取0.555μm；本发明最小NA值=sin10°=0.1736；常规定焦镜头最小NA值=sin25°=0.4226）
1：本系统：Δz=kλ/(NA)²=0.8*0.555/0.1736²=14.8
2：常规：Δz=kλ/(NA)²=0.8*0.555/0.4226²=2.44
由上可见，本专利镜头焦深值是常规镜头的6倍，即本光学系统的设计大大增加了图案的清晰成像范围，使得在定焦图案灯中加入第3个图案盘得以实现。
如附图3和4所示为本光学系统的模拟光路图，光线经成像图案盘的通光孔（直径Φ为19mm-20mm）射出后，经过5个成像透镜折射后在5m处清晰成像的光路图。
通过多次光路模拟和优化后的各透镜参数设计,构建出图案灯长焦深光学系统，使得焦深要明显长于常规定焦透镜组合，即达到了成像清晰范围要明显宽于现有定焦灯具，使得图案灯能够配置3个成像盘，且均能够成相对清晰的像，大大的丰富了图案灯的图案效果，增强了图案灯的舞台表现力。
以上实施例仅是对本发明的技术方案做进一步说明，而非限制本发明的保护范围。对于本领域技术人员而言，显然本发明不仅限于上述示范性实施例的细节，同时能够以其他的具体形式来实现。本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (9)

1.一种定焦单颗大功率LED图案灯的长焦深光学系统，包括LED光源，聚光透镜组、效果盘、成像盘和成像透镜组，所述效果盘为用于打出光束和颜色效果，所述成像盘用于图案清晰成像，依照相对位置从下到上的顺序分别为LED光源、聚光透镜组、效果盘、成像盘、成像透镜组；其特征在于，所述LED光源为功率100W-200W的单颗LED光源；所述聚光透镜组包含聚光透镜1和聚光透镜2；所述效果盘和成像盘均处在不同的平面；所述成像盘的数量为1-3个，成像盘的通光孔直径为19mm-20mm；所述成像透镜组为定焦透镜组，包括5个透镜，按照从下而上的顺序依次为成像透镜5、成像透镜4、成像透镜3、成像透镜2和成像透镜1。
2.根据权利要求1所述的一种定焦单颗大功率LED图案灯的长焦深光学系统，其特征在于，所述聚光透镜1的入光面为平面，出光面的曲率半径r12为6.5mm~12.5mm；所述聚光透镜2入光面的曲率半径r21为31.5mm~47.5mm，出光面的曲率半径r22为20mm~30mm。
3.根据权利要求1所述的一种定焦单颗大功率LED图案灯的长焦深光学系统，其特征在于，所述聚光透镜1和聚光透镜2的间距为2mm~6mm。
4.根据权利要求1所述的一种定焦单颗大功率LED图案灯的长焦深光学系统，其特征在于，所述成像透镜5入光面的曲率半径R51为58mm~62mm，出光面的曲率半径R52为41mm~45mm；所述成像透镜4入光面的曲率半径R41为132mm~138mm，出光面的曲率半径R42为87mm~93mm。
5.根据权利要求1所述的一种定焦单颗大功率LED图案灯的长焦深光学系统，其特征在于，所述成像透镜5和成像透镜4的间距为0.5mm-1mm。
6.根据权利要求1所述的一种定焦单颗大功率LED图案灯的长焦深光学系统，其特征在于，所述成像透镜3入光面的曲率半径R31为33mm~37mm，出光面为平面；所述成像透镜2入光面的曲率半径R21为237mm~247mm，出光面的曲率半径R22为38mm~42mm。
7.根据权利要求1所述的一种定焦单颗大功率LED图案灯的长焦深光学系统，其特征在于，所述成像透镜3和成像透镜2紧贴在一起。
8.根据权利要求1所述的一种定焦单颗大功率LED图案灯的长焦深光学系统，其特征在于，所述成像透镜1入光面曲率半径R11为877mm~917mm，出光面的曲率半径R12为170mm~180mm。
9.根据权利要求1所述的一种定焦单颗大功率LED图案灯的长焦深光学系统，其特征在于，所述成像透镜1和成像透镜2的间距为22mm-26mm。
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