CN109812765A - 一种led混色系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种混色更均匀、对滤光片制造工艺要求更低、成本更低廉的LED混色系统，包括：若干个LED单元规则排列形成LED阵列，与LED单元一一对应设置的准直透镜组成的准直透镜阵列，沿主光轴在准直透镜阵列后设置有光学积分器件对出射的光束进行光学积分，以及在光学积分器件后设置的聚光透镜对光线进行聚焦以形成均匀照射的光斑面积，在准直透镜阵列与光学积分器件之间还设置有可移入或移出光路的滤光片。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种LED混色系统。
背景技术
随着半导体技术的发展，LED作为半导体固态光源应用越来越广泛，在众多领域逐渐替代传统的气态发光光源。固态半导体发光作为新型光源，其具有能耗低，发光效率高，光源颜色丰富，安全系数高，寿命长，绿色环保等优点，也逐渐进入一些专业的照明领域，如医疗照明、舞台照明等行业。
LED的应用，随着需求的不断提高，也从最初的简单的低功率指示照明逐渐发展到大功率甚至超大功率(千瓦级别)的特种照明组件。在很多特种照明领域，如舞台灯行业，不仅仅是赋予了简单的白光或某一种颜色的照明要求，而是在使用过程中需要不断地变换光的颜色、光质来渲染舞台场景，以表达舞台情感，这是对新型舞台灯光的定义。
常用最普通的LED颜色变换方法是使用RGB三基色进行颜色加法获取，原理如图1所示。因LED的发光颜色比较丰富，可以通过制造不同LED芯片或荧光粉来改变LED的颜色，并通过多颗不同颜色的LED进行混光，可通过控制三基色每个颜色的发光功率的比例，可以混出大部分色域的颜色。但该种方案由于单色LED光谱比较窄，且某个颜色的发光功率也比较受限，出现某个光谱缺失，所以导致在混合白光时的光通量输出较低，显色指数不高，比较难满足特种的应用场合。
为解决上述RGB混色的缺陷，舞台灯光现有的另外一种混色的方法是在白光LED的基础上进行颜色的减法以实现不同颜色的变换，原理如图2所示。即在白色LED的光路上增加青色(C)、洋红(M)、黄色(Y)的滤光片即可实现颜色的减法。
实际运用的光路原理如图3与图4所示(详见中国专利CN104048266A)，若干个LED形成的阵列，LED所辐射出的光线经一一对应的准直透镜准直后以准平行光出射，光线经由对置的复眼透镜对进行光学积分后并由聚光透镜聚焦于设定的焦点位置，然后经由成像透镜组把焦点处的光映像到特定的屏幕位置，由光学原理得知焦点处与特定的屏幕位置为光学共轭位置。
根据光路原理得知，所述的CMY滤光片设于光源装置之后，即LED光源装置和光学积分器之后，所以如果需要获取焦点处的颜色均匀度，需要在CMY滤光片的滤光膜上设置均匀的混色区域及不均匀区域，并且不均匀区域移入光路的行程还要求比较长方能获得较好的混色效果。所以该方案的缺陷是CMY滤光片的制作复杂，且混色还是不够均匀，为改善所述存在的缺陷，提出一种混色更均匀，对CMY滤光片制造工艺要求更低，成本更低廉的光学混色系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以实现混色更均匀、滤光片制造工艺更简单、成本更低廉的光学混色系统方案。
一种LED混色系统，包括：若干个LED单元规则排列形成LED阵列，与LED单元一一对应设置的准直透镜组成的准直透镜阵列，沿主光轴在准直透镜阵列后设置有光学积分器件对出射的光束进行光学积分，以及在光学积分器件后设置的聚光透镜对光线进行聚焦以形成均匀照射的光斑面积，在准直透镜阵列与光学积分器件之间还设置有可移入或移出光路的滤光片。
优选的，所述滤光片为CMY滤光片。
优选的，所述滤光片为RGB滤光片。
优选的，所述光学积分器件由第一复眼透镜和第二复眼透镜组成，第一复眼透镜与第二复眼透镜的单元具有相同的形状与面积，且焦距相同，第二复眼透镜位于第一复眼透镜的焦点附近。
优选的，所述第一复眼透镜与第二复眼透镜各单元排列的形状为正六边形或正方形。
优选的，每个复眼透镜单元正六边形或正方形的内切圆的直径范围为1.5m—6mm。
一种LED混色系统，包括：若干个LED单元规则排列形成LED阵列，与LED单元一一对应设置的准直透镜组成的准直透镜阵列，沿主光轴在准直透镜阵列后设置有光学积分器件对出射的光束进行光学积分，以及在光学积分器件后设置的聚光透镜对光线进行聚焦以形成均匀照射的光斑面积，所述光学积分器件由第一复眼透镜和第二复眼透镜组成，第一复眼透镜与第二复眼透镜的单元具有相同的形状与面积，且焦距相同，第二复眼透镜位于第一复眼透镜的焦点附近，在第二复眼透镜与聚光透镜之间还设置有可移入或移出光路的滤光片。
一种LED混色系统，包括：若干个LED单元规则排列形成LED阵列，与LED单元一一对应设置的准直透镜组成的准直透镜阵列，沿主光轴在准直透镜阵列后设置有光学积分器件对出射的光束进行光学积分，以及在光学积分器件后设置的聚光透镜对光线进行聚焦以形成均匀照射的光斑面积，所述光学积分器件由第一复眼透镜和第二复眼透镜组成，第一复眼透镜与第二复眼透镜的单元具有相同的形状与面积，且焦距相同，第二复眼透镜位于第一复眼透镜的焦点附近，在第一复眼透镜与第二复眼透镜之间还设置有可移入或移出光路的滤光片。
一种LED混色系统，包括：若干个LED单元规则排列形成LED阵列，与LED单元一一对应设置的准直透镜组成的准直透镜阵列，沿主光轴在准直透镜阵列后设置有光学积分器件对出射的光束进行光学积分，以及在光学积分器件后设置的聚光透镜组对光线进行聚焦以形成均匀照射的光斑面积，聚光透镜组由第一聚光透镜和第二聚光透镜组成，在第一聚光透镜与第二聚光透镜之间还设置有可移入或移出光路的滤光片。
相比现有技术，在本发明的技术方案中，当滤光片移入或移出光路的过程中，只需要保证滤光片上不均匀厚度的膜层的区域在d2长度的两端的颜色均匀几乎一致，即可保证在聚光透镜焦点处和投射到屏幕上的光斑颜色是均匀的。所以不会影响滤光片制造工艺难度增加，成本提升等因素。而且d2的尺寸大小取决于复眼透镜对的单元尺寸的大小。因此，本发明可以有效改善滤光片移入或移出时焦点处光斑颜色的均匀度，当复眼透镜单元尺寸足够小时，甚至完全可以取消滤光片上不均匀膜层的区域，整个滤光片由均匀统一的膜层组成，这无疑大大地减小了整个滤光片的尺寸，降低设计和加工工艺要求和成本。
附图说明
图1为RGB混色原理图。
图2为CMY混色原理图。
图3为现有技术光路原理图。
图4为现有技术光路原理图。
图5为本发明实施例1的光路原理图。
图6为现有技术混色效果图。
图7为现有技术光路原理图。
图8为本发明实施例1的光路原理图。
图9为复眼透镜单元的排列形状图。
图10为复眼透镜单元的排列形状图。
图11为本发明实施例2的光路原理图。
图12为本发明实施例3的光路原理图。
图13为本发明实施例4的光路原理图。
本发明附图标记说明：
101：LED阵列；201：准直透镜阵列；301：第一复眼透镜；
302：第二复眼透镜；401：聚光透镜；501：聚光透镜焦点；
601：成像系统；701：CMY滤光片；801：主光轴。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提出一种LED光学的CMY混色系统。具体包括：若干个LED组成的LED阵列101，LED所发出的光线经准直透镜阵列201准直成近平行光输出，然后依次设置CMY淲光片701，光学积分器件(由第一复眼透镜301和第二复眼透镜302组成)，聚光透镜401，所述的CMY滤光片701设置于准直透镜阵列201与光学积分器件之间，并可沿主光轴移入或移出于光路之中。
本发明的主要创新是在于CMY滤光片701的位置，由原来设置在聚光透镜401之后的位置往光源方向前移至光学积分器件之前的位置。由于原来的技术方案的CMY滤光片是设置在光学积分器件和聚光透镜之后，为了在光源系统的焦点处获得均匀的混色效果，就会如中国专利CN104048266A所述的技术方案那样，需要设定CMY滤光片上的均匀滤光膜厚度和不均匀的滤光膜厚度，这样滤光片在移入和移出光路的过程中，才会使颜色在这个过程中出现不均匀的跳变现象，而且对不均匀的膜层厚度的区域移入和移出光路的行程必须要求较大的情况下才能获得相对均匀的颜色效果，而且在不均匀膜层区域较大的情况下，其混色效果仍差强人意。其混色效果如图6所示，会在CMY移动轨迹的方向上出现一边颜色深，一边颜色浅的现象，这样的效果在专业的舞台要求是不能满足要求的。
对比现有的技术方案原理如下：
由图7所示，假设CMY滤光片设置于聚光镜与聚光镜焦点处，由光路原理图可知，设置靠LED一侧的第一复眼透镜把光聚焦于第二复眼透镜上，然后再经由聚光透镜聚焦于设定的焦点处，即聚光透镜把每个复眼透镜的形状映像至设定的焦点处重合，以达到光学积分效果，改善焦点处的光学分布均匀度效果。假设第一复眼透镜每个复眼单元聚焦并经聚光透镜会聚后光线在某一位置的张角宽度为d1，当CMY滤光片移入或移出光路时，由图所示显而易见，要使焦处的颜色达到左右均匀，即要求滤光片上d1行程段的前后位置的膜层厚度要几乎一致，方能获取均匀的过程混色效果。进一步推理可知，将CMY滤光片使用于类似的LED光学系统时，CMY滤光片离聚光透镜越远(即越靠近设定的聚光焦点时)所要求获取同样的颜色均匀度，在CMY片上的不均匀膜层厚度的区域行程d1就要越长，滤光片尺寸也就越大。
在现有技术基础上改善这种均匀度，大部分的做法是把CMY滤光片设置于尽量靠近聚光透镜的位置，以减小光学积分器件聚焦光线在某特定位置的张角宽度，但CMY滤光片为多层结构，且为减少CMY移动方向两端的颜色差异，通常每个颜色至少设置2层相向的运动结构，但仍无法从根本上解决这个问题。
为完全解决上述问题，把CMY滤光片701设置在第一复眼透镜301与准直透镜阵列201之间，如图8所示，即把CMY淲光片701放置于光学积分器件之前，当CMY滤光片701移入或移出光路过程中，受滤光片滤光改变的颜色与未改变的颜色经光学积分器件进行光学积分后，再通过聚光透镜重新积分会聚于焦点上，这比现有的技术方案的颜色均匀度会大大改善。
具体原理如下，若干个LED单元规则排列形成LED阵列，与LED单元一一对应设置的准直透镜组成准直透镜阵列，LED阵列发出的光线经准直透镜阵列准直成近平行光出射。沿主光轴801在准直透镜后设置的光学积分器件对出射的光束进行光学积分，然后再经由聚光透镜把光线聚焦于设定的焦点处以及形成均匀照射的光斑面积。光学积分器件由第一复眼透镜和第二复眼透镜组成，并且第一复眼透镜与第二复眼透镜具有相同的形状与面积，且焦距相同，第二复眼透镜位于第一复眼透镜的焦点附近。所述第一复眼透镜与第二复眼透镜各单元排列的形状为正六边形或正方形(如图9或图10所示)，且每个复眼透镜单元的正六边形或正方形的内切圆的直径范围为1.5m—6mm。
由图8所示，当CMY滤光片移入或移出光路的过程中，只需要保证CMY滤光片上不均匀厚度的膜层的区域在d2长度的两端的颜色均匀几乎一致，即可保证在聚光透镜焦点处和投射到屏幕上的光斑颜色是均匀的。对比现有技术的CMY滤光片放置于聚光透镜与焦点之间的d1，d1为第一复眼透镜聚焦光线张角的宽度，并且随着远离第二复眼透镜的位置，光线张角的宽度d1会越来越大，所以当要求CMY滤光片移入或移出光路过程中获取焦点处光斑颜色均匀，就要求CMY滤光片上的膜层的行程及尺寸就会越来越大，这无疑增加了CMY滤光片的设计难度及工艺、成本等不利因素。
相比现有技术，本发明的技术方案不受于上述的缺陷的限制，CMY滤光片也不会因相对位置的变化而导致d2的变化，所以不会影响CMY滤光片制造工艺难度增加，成本提升等因素。而且d2的尺寸大小取决于复眼透镜对的单元尺寸的大小。因此，本发明可以有效改善CMY滤光片移入或移出时焦点处光斑颜色的均匀度，当复眼透镜单元尺寸足够小时，甚至完全可以取消CMY滤光片上不均匀膜层的区域，整个CMY滤光片由均匀统一的膜层组成，这无疑大大地减小了整个CMY滤光片的尺寸，降低设计和加工工艺要求和成本。同时本技术方案的另外一个优势是可以使CMY滤光片移入光路时，被准透镜阵列准成近平行光的光束以接近0度或较小角度的入射角入射到CMY滤光片上，使被CMY滤光片反射回去的光线更加均匀的分布，避免于返回的光线过度集中或聚焦，影响系统的性能稳定性。
本发明除了上述技术方案(实施例1)，还有如下几种替代方案：
实施例2：
如图11所示，把CMY滤光片701设置于第二复眼透镜302与聚光透镜401之间，使CMY滤光片701的位置靠近复眼透镜聚焦点位置附近，亦能使光束张角的宽度减小，也利于提高CMY滤光片移入或移出光路过程中的颜色均匀度问题。
实施例3：
如图12所示，把CMY滤光片701设置于第一复眼透镜301与第二复眼透镜302之间，同样能减小光束张角的宽度，使CMY滤光片701不均匀膜层的区域减小，提高CMY滤光片移入或移出光路过程中光斑的颜色均匀度效果。
实施例4：
如图13所示，该实施例类似于实施例1的原理，可以把原来聚光透镜401设计成两片式的聚光透镜组，即聚光透镜组由第一聚光透镜402和第二聚光透镜403组成，通过该方案的设计，把第一聚光透镜402的焦距增加，使f402>f401，这样在同样的光学效果前提下，可以使第一聚光透镜402的厚度比实施例1的聚光透镜401的厚度更薄。然后把CMY滤光片701设置于第一聚光透镜402与第二聚光透镜403之间，这样亦能使影响整个光斑颜色均匀度的光束张角宽度减小，有利于提高颜色的均匀度。
上述技术方案不仅适用于CMY滤光片，也同样适用于RGB滤光片。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种LED混色系统，包括：若干个LED单元规则排列形成LED阵列，与LED单元一一对应设置的准直透镜组成的准直透镜阵列，沿主光轴在准直透镜阵列后设置有光学积分器件对出射的光束进行光学积分，以及在光学积分器件后设置的聚光透镜对光线进行聚焦以形成均匀照射的光斑面积，其特征在于：在准直透镜阵列与光学积分器件之间还设置有可移入或移出光路的滤光片。
2.如权利要求1所述的LED混色系统，其特征在于：所述滤光片为CMY滤光片。
3.如权利要求1所述的LED混色系统，其特征在于：所述滤光片为RGB滤光片。
4.如权利要求1所述的LED混色系统，其特征在于：所述光学积分器件由第一复眼透镜和第二复眼透镜组成，第一复眼透镜与第二复眼透镜的单元具有相同的形状与面积，且焦距相同，第二复眼透镜位于第一复眼透镜的焦点附近。
5.如权利要求4所述的LED混色系统，其特征在于：所述第一复眼透镜与第二复眼透镜各单元排列的形状为正六边形或正方形。
6.如权利要求5所述的LED混色系统，其特征在于：每个复眼透镜单元正六边形或正方形的内切圆的直径范围为1.5m—6mm。
7.一种LED混色系统，包括：若干个LED单元规则排列形成LED阵列，与LED单元一一对应设置的准直透镜组成的准直透镜阵列，沿主光轴在准直透镜阵列后设置有光学积分器件对出射的光束进行光学积分，以及在光学积分器件后设置的聚光透镜对光线进行聚焦以形成均匀照射的光斑面积，其特征在于：所述光学积分器件由第一复眼透镜和第二复眼透镜组成，第一复眼透镜与第二复眼透镜的单元具有相同的形状与面积，且焦距相同，第二复眼透镜位于第一复眼透镜的焦点附近，在第二复眼透镜与聚光透镜之间还设置有可移入或移出光路的滤光片。
8.一种LED混色系统，包括：若干个LED单元规则排列形成LED阵列，与LED单元一一对应设置的准直透镜组成的准直透镜阵列，沿主光轴在准直透镜阵列后设置有光学积分器件对出射的光束进行光学积分，以及在光学积分器件后设置的聚光透镜对光线进行聚焦以形成均匀照射的光斑面积，其特征在于：所述光学积分器件由第一复眼透镜和第二复眼透镜组成，第一复眼透镜与第二复眼透镜的单元具有相同的形状与面积，且焦距相同，第二复眼透镜位于第一复眼透镜的焦点附近，在第一复眼透镜与第二复眼透镜之间还设置有可移入或移出光路的滤光片。
9.一种LED混色系统，包括：若干个LED单元规则排列形成LED阵列，与LED单元一一对应设置的准直透镜组成的准直透镜阵列，沿主光轴在准直透镜阵列后设置有光学积分器件对出射的光束进行光学积分，以及在光学积分器件后设置的聚光透镜组对光线进行聚焦以形成均匀照射的光斑面积，其特征在于：聚光透镜组由第一聚光透镜和第二聚光透镜组成，在第一聚光透镜与第二聚光透镜之间还设置有可移入或移出光路的滤光片。
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