CN112747289B - 用于从led照明器产生混合光分布的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了光学系统和照明器，其包括光源和光束调节器光学元件(BAOE)。光源发射由BAOE接收的源光束，BAOE发射经调节的光束。该BAOE包括：外部部分，其接收源光束的外部部分并且使该外部部分的光线在经调节的光束的对应的外部部分中发散；以及内部部分，其接收源光束的内部部分并且使该内部部分的光线在经调节的光束的对应的内部部分中会聚。照明器包括致动器和控制系统，致动器使BAOE在照明器内移动，控制系统经由数据链路接收控制信号并且响应于控制信号而使BAOE移动。

Description

用于从LED照明器产生混合光分布的系统和方法
技术领域
本公开总体上涉及LED照明器，并且更具体地涉及用于从基于发光二极管(LED)的照明器产生混合光分布的方法。
背景技术
利用LED光源的照明器在娱乐和建筑照明市场中已变得众所周知。这样的产品通常用于剧院、电视演播室、音乐会、主题公园、夜总会和其他场所。这些LED照明器可以是静态照明器或自动照明器。典型的静态LED照明器通常将提供对照明器的强度的控制。典型的自动照明器产品通常将另外提供对照明器的摇摄功能和倾斜功能的控制，从而允许操作者控制照明器指向的方向，并且因此控制光束在舞台上或工作室中的位置。通常，这种位置控制是通过在通常称为摇摄和倾斜的两个正交旋转轴线上控制照明器的位置来完成的。许多产品提供对诸如强度、焦点、光束尺寸、光束形状和光束图案之类的其他参数的控制。
发明内容
在第一实施方式中，光学系统包括光源和光束调节器光学元件。光源发射源光束。光束调节器光学元件接收源光束并且发射经调节的光束。光束调节器光学元件包括外部部分和内部部分。外部部分接收源光束的外部部分并且使源光束的外部部分的光线在经调节的光束的对应的外部部分中发散。内部部分接收源光束的内部部分并且使源光束的内部部分的光线在经调节的光束的对应的内部部分中会聚。
在第二实施方式中，光学系统包括光源和光束调节器光学元件。光源发射源光束。光束调节器光学元件接收源光束并且发射经调节的光束。光束调节器光学元件包括外部部分和内部部分。外部部分接收源光束的外部部分并且具有负光焦度。内部部分接收源光束的内部部分并且具有正光焦度。
在第三实施方式中，照明器包括光源、光束调节器光学元件、致动器和控制系统。光源发射源光束。光束调节器光学元件接收源光束并且发射经调节的光束。光束调节器光学元件包括外部部分和内部部分。外部部分接收源光束的外部部分并且使源光束的外部部分的光线在经调节的光束的对应的外部部分中发散。内部部分接收源光束的内部部分并且使源光束的内部部分的光线在经调节的光束的对应的内部部分中会聚。致动器机械地联接至光束调节器光学元件并且使光束调节器光学元件在照明器内移动。控制系统电联接至致动器，经由数据链路接收控制信号，并且响应于控制信号而使光束调节器光学元件移动。
在第四实施方式中，照明器包括光源、光束调节器光学元件、致动器和控制系统。光源发射源光束。光束调节器光学元件接收源光束并且发射经调节的光束。光束调节器光学元件包括外部部分和内部部分。外部部分接收源光束的外部部分并且使源光束的外部部分的光线在经调节的光束的对应的外部部分中以不变的聚散度进行保持。内部部分接收源光束的内部部分并且使源光束的内部部分的光线在经调节的光束的对应的内部部分中会聚。致动器机械地联接至光束调节器光学元件并且使光束调节器光学元件移动，以将光束调节器光学元件插入源光束中以及将光束调节器光学元件从源光束中移除。控制系统电联接至致动器，经由数据链路接收控制信号，并且响应于控制信号而使光束调节器光学元件移动。
在第五实施方式中，照明器包括光源、光束调节器光学元件、致动器和控制系统。光源发射源光束。光束调节器光学元件接收源光束并且发射经调节的光束。光束调节器光学元件包括外部部分和内部部分。外部部分接收源光束的外部部分并且使源光束的外部部分的光线在经调节的光束的对应的外部部分中发散。内部部分接收源光束的内部部分，并且使源光束的内部部分的光线在经调节的光束的对应的内部部分中以不变的聚散度进行保持。致动器机械地联接至光束调节器光学元件并且使光束调节器光学元件移动，以将光束调节器光学元件插入源光束中以及将光束调节器光学元件从源光束中移除。控制系统电联接至致动器，经由数据链路接收控制信号，并且响应于控制信号而使光束调节器光学元件移动。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优点，现在参照以下结合附图的描述，其中，相同的附图标记指示相同的特征，在附图中：
图1呈现了根据本公开的多参数自动照明器系统的示意图；
图2A、图2B和图2C呈现了典型LED照明器的强度光输出图；
图3A、图3B和图3C呈现了根据本公开的LED照明器的强度光输出图；
图4A和图4B呈现了LED照明器的替代性光学系统的示意图；
图5呈现了根据本公开的来自光学系统的光线轨迹图；
图6A、图6B和图6C呈现了根据本公开的光束调节器光学元件的轴测图和截面图；
图7A和图7B呈现了根据本公开的第二光束调节器光学元件的轴测图和截面图；
图8A和图8B呈现了根据本公开的第三光束调节器光学元件的轴测图和截面图；以及
图9呈现了根据本公开的用于自动照明器的控制系统的框图。
具体实施方式
在附图中示出了优选实施方式，相同的附图标记用于指代各个附图的相同和对应的零部件。
图1呈现了根据本公开的多参数自动照明器系统10的示意图。多参数自动照明器系统10包括根据本公开的多个自动照明器12。每个自动照明器12包含机载光源、颜色改变装置、光调制装置、摇摄和/或倾斜系统，用以控制自动照明器12的头部的取向。用以控制自动照明器12的参数的机械驱动系统包括联接至控制电子设备的马达或其他合适的致动器，如参照图9更详细地描述的。
除了直接或通过配电系统连接至市电之外，每个自动照明器12均通过数据链路14以串联或并联的方式连接至一个或更多个控制台15。在由操作者致动时，控制台15经由数据链路14发送控制信号，其中，控制信号由自动照明器12中的一个或更多个自动照明器接收。自动照明器12中接收控制信号的一个或更多个自动照明器可以通过改变进行接收的自动照明器12的参数中的一个或更多个参数来作出响应。控制信号由控制台15使用DMX-512、Art-Net、ACN(用于控制网络的架构)、流式ACN或其他合适的通信协议发送至自动照明器12。
自动照明器12可以包括步进马达，用以为内部光学系统提供运动。这种光学系统的示例包括遮光片轮、效果轮和混色系统，以及棱镜、光圈、快门和镜头移动。
在自动照明器12包括LED光源的情况下，自动照明器12可以被称为自动LED照明器。在自动照明器12包括LED光源但仅提供对LED光源的强度的控制的情况下，自动照明器12可以被称为静态LED照明器。这样的静态LED照明器仍然是可远程控制的，但是用户无法对例如单元的位置进行控制。本公开对移动的自动LED照明器或静态LED照明器均适用。
一些LED照明器(自动的或静态的)包括基于LED的光源，该光源被设计成整理和引导光通过安装在照明器中的光学系统。LED光源连同相关联的准直和定向光学器件在本文中可以被称为光引擎。一些LED光引擎包括单色——比如白色——LED。其他LED光引擎包括各种颜色的LED，每个LED或每种颜色的LED可单独地控制以提供LED输出的附加混合。
图2A、图2B和图2C呈现了典型LED照明器的强度光输出图。在这种照明器中使用的LED光引擎将从照明器产生具有如图2A所示的轮廓的光输出。光轮廓202被绘制在具有沿着x轴的光束角和沿着y轴的强度的曲线图上。光束的中心线由虚线210示出。光轮廓202的特征在于具有平坦的顶部并具有陡峭的倾斜侧边。典型的LED光引擎可能会产生平坦光束，在该平坦光束中，中心与边缘之比在1.2:1至2:1之间。这种光轮廓适于投影图像或戏剧遮光片，并且通常用于该目的。然而，如果许多这样的LED照明器布置成在更宽的区域上将光进行对准和洗光，比如图2B所示出的那样，则所得到的照明器的组合照明不是平坦的。图2B示出了来自三个这样的LED照明器的光轮廓202、204和206，所述三个这样的LED照明器布置和定向成照亮宽广的区域。这些光束的重叠示出为阴影区域212和214。图2C示出了作为光轮廓202、204和206的总和的所得到的组合照明的光轮廓208。光轮廓208具有原始光束重叠在其中的大峰值。合成的光束是不均匀的，并且不太适合大范围的洗光。对于视频相机而言，由于照明区域不均匀，因此峰值特别明显。
图3A、图3B和图3C呈现了根据本公开的LED照明器的强度光输出图。图3A示出了包括本公开的光学装置的实施方式的光引擎的输出。图3A示出了在与图2A至图2C的轮廓相同的轴上绘制的光轮廓302。光束的中心线由虚线310示出。光轮廓302不具有平坦的顶部；相反，光轮廓302具有达到单个峰的倾斜侧边，这可以被称为热点。这样的光束的中心与边缘峰值之比可以大于3:1，并且优选地更接近6:1。具有这种光输出的LED照明器可以重叠，如图3B所示。图3B示出了来自三个这样的LED照明器的光轮廓302、304和306，所述三个这样的LED照明器布置成在宽广的区域上产生广角光束。这些光束的重叠被示出为阴影区域312和314。图3C示出了作为光轮廓302、304和306的总和的所得到的光轮廓308。在这种情况下，倾斜侧边重叠，以加和成接近平坦的分布。合成的光束更均匀且更一致，并且更适于宽广区域的洗光。在一些实施方式中，平坦分布是指光相对于中心值变化不超过50％的分布。来自一照明器的能够以这种方式与来自相邻照明器的光束重叠以提供合成的平洗的光束可以被称为具有“混合光分布”的光束。混合光分布不必精确地如图3A所描绘的那样。在其他实施方式中，其可以具有直的或弯曲的侧边，或者类似于余弦曲线。
图2A至图2C以及图3A至图3C中所示的单独照明器的光轮廓和重叠照明器的合成的光轮廓可以通过在照明器中使用霜滤器来进一步平滑。然而，即使使用霜滤器，图2C的光轮廓208也不如图3的光轮廓308那么平滑。
图4A和图4B呈现了LED照明器的替代性光学系统的示意图。图4A示出了产生图2A至图2C所示的分布的LED照明器的光学系统400。图4B示出了产生图3A至图3C所示的分布的、根据本公开的LED照明器的光学系统450。
光学系统400包括LED光引擎402，该LED光引擎402发射通过图像焦平面406的光束404，该光束作为光束408向前行进至投影光学器件410。投影光学器件410投影出输出光束412。在一些构型中，图像焦平面406中的图案、虹膜或其他对象的图像通过输出光束412进行投影。来自这样的光学系统的光束分布可以是平坦的，如参照图2A示出和描述的那样。
图4B示出了光学系统450，该光学系统450包括发射光束404的LED光引擎402。在光学系统450中，光束404穿过根据本公开的光束调节器光学元件407，光束调节器光学元件407产生光束405，光束405穿过图像焦平面406并且然后作为光束409向前到达投影光学器件410。投影光学系统410投影出输出光束413。在一些构型中，图像焦平面406中的图案、虹膜或其他对象的图像可以通过输出光束413进行投影。
来自光学系统450的光束分布是参照图3A至图3C示出和描述的类型的混合光分布。光束调节器光学元件407修改来自LED光引擎402的光束404的平坦光轮廓202，并将其转换为光束405的混合光轮廓302(或混合光分布)。在一些实施方式中，这通过将光从光束的边缘朝向中心重新定向从而产生具有更多峰分布的光束来实现。由于光从光束的边缘到中心的这种重新定向，光轮廓302(在图3A中示出)的峰值强度可以大于光轮廓202(在图2A中示出)的峰值强度。类似地，光从光束的边缘到中心的重新定向可以导致组合的光轮廓308(在图3C中示出)的峰值强度大于组合的光轮廓208(在图2C中示出)的峰值强度。
在光学系统450中，光束调节器光学元件407机械地联接至移动系统，该移动系统包括马达414(或其他致动器)和臂416，借助于马达414和臂416，光束调节器光学元件407响应于经由数据链路14接收的一个或更多个控制信号而被移除或插入光束404中。
图5呈现了根据本公开的来自光学系统550的光线轨迹图。光束504从LED光引擎的输出透镜552发射。光束504穿过光束调节器光学元件507，在光束调节器光学元件507处，光束504在穿过图像焦平面506且作为光束508朝向投影光学器件510出射之前被修改成光束505。从图5的光束505和光束508中的光线的轨迹可以看出，光束调节器光学元件507将光束504(其具有平坦分布)的均匀间隔的光线重新定向成更加集中朝向光束的中心且远离光束的边缘光束(即具有热点分布的光束)。光束调节器光学元件507在光束504的中心部分中充当光线的会聚元件，并且在光束504的外部部分中充当光束的发散元件。
在一些实施方式中，光束504的直径的中心50％被会聚，并且直径的外部(或边缘)50％被发散。在各种其他实施方式中，中心与边缘直径之比可以在25％:75％至75％:25％之间。根据本公开的光束调节器光学元件的会聚部分和发散部分的中心与边缘直径之比和/或光焦度可以由光学系统设计者基于光束中的期望的中心与边缘之比来选择。在本公开的一些实施方式中，在穿过光束调节器光学元件507之后的光束505或光束508的中心与边缘之比为6:1，然而，本公开不限于此，并且可以实现和利用中心与边缘之比为3:1至7:1。
图6A、图6B和图6C示出了根据本公开的光束调节器光学元件602的轴测图和截面图。在该实施方式中，光束调节器光学元件(或透镜)602包括自由形式的透镜，该自由形式的透镜由玻璃或其他光学材料——比如聚碳酸酯、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)或任何其他适合在透镜制造中使用的光学材料——来制成。透镜602制造成具有中心部分606和外部部分604，该中心部分606具有正(或零)光焦度，用于会聚穿过其的光线(或者使它们的聚散度保持不变)，该外部部分604具有负光焦度，用于发散穿过其的光线。在透镜602中，会聚的中心部分606具有凸-凸形状，并且发散的外部部分604具有凹-凹形状。
在其他实施方式中，中心部分606可以具有平凸形状或任何其他正光焦度透镜形状。类似地，在其他实施方式中，外部部分604可以具有平凹形状或任何其他负焦度透镜形状。在其他实施方式中，中心部分606或外部部分604中的一者或另一者可以具有光焦度为零的平面-平面形状，其使穿过其的光线的角度保持不变(即，使它们的聚散度保持不变)，但是使光线相对于穿过光束调节器光学元件602的光束的轴线偏移。在这样的实施方式中的第一实施方式中，负焦度的外部部分604可以与零焦度的中心部分606组合。在这样的实施方式中的第二实施方式中，零焦度的外部部分604与正焦度的中心部分606组合，或者，具有比光束更小的直径的正焦度透镜可以定位在光束的中心部分中，其中，光束的外部部分绕过小的正焦度透镜。
图7A和图7B呈现了根据本公开的第二光束调节器光学元件702的轴测图和截面图。在该实施方式中，光束调节器光学元件702包括由铝或其他反射材料制成的反射光导。光束调节器光学元件702具有中心光导706，该中心光导706的直径随着光穿过该中心光导而增大，从而起到使光线会聚的作用。光束调节器光学元件702具有外部光导704，该外部光导704的直径(或截面)随着光穿过该外部光导而减小，从而起到使光线发散的作用。中心光导706的外壁形成外部光导704的内壁。其他这样的实施方式可以使用固体全内反射(TIR)元件代替反射光导。
图8A和图8B呈现了根据本公开的第三光束调节器光学元件802的轴测图和截面图。光束调节器光学元件(或透镜)802包括双菲涅尔(或环形两面凸)透镜，由玻璃或其他光学材料——比如聚碳酸酯、PMMA或任何其他合适的在透镜制造中使用的光学材料——来制成。透镜802制造有具有正光焦度的平凸中心菲涅尔部分806和具有负光焦度的平凹外部菲涅尔部分804，平凸中心菲涅尔部分806用于使穿过其的光线会聚，平凹外部菲涅尔部分804用于使穿过其的光线发散。在其他实施方式中，中心菲涅尔部分806可以在光束调节器光学元件802的两个面上具有环形两面凸透镜，从而形成正焦度菲涅尔形状。类似地，在其他实施方式中，外部菲涅尔部分804可以在两个面上都具有环形两面凸透镜，从而形成负焦度菲涅尔形状。图8B中示出的小面的截面形状仅是示例性的，并且将理解的是，在一侧或两侧上具有任何合适截面的小面的环形两面凸透镜可以用于本公开的其他实施方式中。
如针对光束调节器光学元件602所描述的那样，在其他实施方式中，光束调节器光学元件802可以包括负焦度的外部部分804和零焦度的中心部分806。在其他实施方式中，光束调节器光学元件802可以包括零焦度的外部部分804和正焦度的中心部分806，或者包括具有比光束更小的直径的正焦度的环形两面凸透镜，该正焦度的环形两面凸透镜定位在光束的中心部分中，其中，光束的外部部分绕过小的环形两面凸透镜。
本文公开的光束调节器光学元件的实施方式的示例不是限制性的，并且，被配置成将来自光束的边缘的光朝向中心重新定向的其他光学装置被视为本公开的一部分。
在一些实施方式中，根据本公开的光束调节器光学元件可以被永久地安装在照明器中。在其他实施方式中，当在自动照明器中使用时，光束调节器光学元件可以安装在移动系统上，以用于响应于由照明器经由数据链路从外部装置接收到的控制信号而移动进出光束。例如，在图4B的光学系统450中，光束调节器光学元件407安装在机动臂416上，以用于移入和移出光束404。在其他实施方式中，光束调节器光学元件407可以安装在静态或旋转的遮光片轮中。在其他实施方式中，光束调节器光学元件407固定地安装在光束404中。
在一些实施方式中，光束调节器光学元件的优选位置在照明器的图像焦平面406处或附近。尽管图4B公开了光束调节器光学元件407可以移入或移出光束404的实施方式，但是在其他实施方式中，光束调节器光学元件407可以附加地或替代性地沿着光束404的光轴移动，以与图像焦平面406相距由用户控制的距离。
尽管以投影(或聚焦，或点)照明器示出了本文所描述的实施方式，但是本公开不限于此。在其他实施方式中，根据本公开的光束调节器光学元件可以用于洗涤或光束照明器中。在这样的实施方式中，光束调节器光学元件定位在LED光引擎(其可以包括光导管、聚光透镜、光管或其他准直光学系统)之后且在洗涤或光束照明器的任何焦平面、真实或虚拟的平面，或投影光学器件之前。
图9呈现了根据本公开的用于自动照明器12的控制系统(或控制器)900的框图。控制系统900适用于对根据本公开的自动照明器12中的一个自动照明器的光源、颜色改变装置、光调制装置、摇摄和/或倾斜系统、光束调节器光学元件以及其他系统进行控制。控制系统900也适于对自动照明器12中的一个自动照明器的其他控制功能进行控制。
控制系统900包括电联接至存储器904的处理器902。处理器902由硬件和软件实现。处理器902可以实现为一个或更多个中央处理单元(CPU)芯片、核(例如多核处理器)、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)和数字信号处理器(DSP)。
处理器902进一步电联接至通信接口906并与该通信接口906通信。通信接口906联接至数据链路14并且配置成经由数据链路14进行通信。处理器902还经由控制接口908联接至一个或更多个传感器、马达、致动器、控件和/或其他装置。处理器902配置成经由通信接口906从数据链路14接收控制信号，并且作为响应，经由控制接口908对自动照明器12的控制系统和机构进行控制。
控制系统900适于实现如本文所公开的过程、光束调节器光学元件移动、马达控制和其他功能，所述过程、光束调节器光学元件移动、马达控制和其他功能可以实现为存储在存储器904中并由处理器902执行的指令。存储器904包括一个或更多个磁盘和/或固态驱动器，并且可以用于存储在程序执行期间读取和写入的指令和数据。存储器904可以是易失性和/或非易失性的，并且可以是只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、三元内容可寻址存储器(TCAM)和/或静态随机存取存储器(SRAM)。
尽管本文仅描述了本公开的一些实施方式，但是受益于本公开的本领域技术人员将理解的是，可以设计出不背离本公开的范围的其他实施方式。尽管已经详细描述了本公开，但是应当理解的是，在不背离本公开的精神和范围的情况下，可以对其进行各种改变、替换和变更。

Claims (8)

1.一种照明器，包括：
光源，所述光源发射会聚的源光束；
光束调节器光学元件，所述光束调节器光学元件配置成接收所述源光束并且发射经调节的光束，所述经调节的光束具有3:1至7:1范围内的中心与边缘之比，所述光束调节器光学元件包括：
外部部分，所述外部部分配置成接收所述源光束的外部部分，并且使所述源光束的外部部分的光线在所述经调节的光束的对应的外部部分中发散；以及
内部部分，所述内部部分配置成接收所述源光束的内部部分，并且使所述源光束的内部部分的光线在所述经调节的光束的对应的内部部分中会聚；
致动器，所述致动器机械地联接至所述光束调节器光学元件，并且配置成使所述光束调节器光学元件在所述照明器内移动；以及
控制系统，所述控制系统电联接至所述致动器，并且所述控制系统配置成经由数据链路接收控制信号且响应于所述控制信号而使所述光束调节器光学元件移动。
2.根据权利要求1所述的照明器，其中，所述光束调节器光学元件包括单个透镜，所述单个透镜包括具有负光焦度的外部部分和具有正光焦度的内部部分。
3.根据权利要求1所述的照明器，其中，所述光束调节器光学元件包括嵌套的光导，所述嵌套的光导具有接收所述源光束的相应部分的输入端和发射所述经调节的光束的相应部分的输出端，所述嵌套的光导包括：
外部光导，所述外部光导具有从所述外部光导的输入端至所述外部光导的输出端减小的直径；以及
内部光导，所述内部光导具有从所述内部光导的输入端至所述内部光导的输出端增大的直径。
4.根据权利要求1所述的照明器，其中，所述光束调节器光学元件包括环形两面凸透镜，所述环形两面凸透镜包括具有平凹形状的外部部分和具有平凸形状的内部部分。
5.根据权利要求1所述的照明器，其中，所述致动器配置成将所述光束调节器光学元件插入所述源光束中并且将所述光束调节器光学元件从所述源光束中移除。
6.根据权利要求5所述的照明器，其中，所述致动器包括：
臂，所述臂机械地联接至所述光束调节器光学元件；以及
马达，所述马达机械地联接至所述臂并且配置成使所述臂移动。
7.根据权利要求1所述的照明器，其中，所述致动器配置成使所述光束调节器光学元件沿着所述照明器的光轴移动。
8.根据权利要求1所述的照明器，其中，所述照明器包括投影光学系统。
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