CN114114700A - 一种混色装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种混色装置，包括依次设置的光源模块、消色差模块、第一混色模块；所述光源模块包括至少两个不同波长的单色光源；所述第一混色模块包括第一棱镜，所述第一棱镜具有一个第一入射面和n个第一非入射面，所述第一入射面靠向所述消色差模块一侧设置，每个所述第一非入射面一侧均设有第一反射镜，所述第一非入射面与所述第一反射镜之间具有间距；所述光源模块发射的光线经过消色差模块的准直，从所述第一入射面进入所述第一混色模块至少6次折射分光，从所述第一入射面出射形成一级混合光束。本发明的混色装置，通过逆向应用三棱镜的分光原理，利用三棱镜将多个单色光源发射的光线合成白光或其它色的混合光，结构简单，制作成本低。

Description

一种混色装置

技术领域

本发明涉及照明技术领域，具体涉及一种混色装置。

背景技术

舞台灯光、投影仪、投影灯等灯具都有彩色变色的需求，其照明部分通过对多色光源混光实现，例如可以采用彩色LED RGB光源等。然而，在投影领域中，随着行业的发展，对于混色的均匀性要求趋势越来越高，因为如果照明部件的混光不均匀，会通过投影透镜最终投射到接收面，造成画面色彩不一致，画面斑驳。

现有技术的多色光混色方式有三种，第一种多色光混色方式是采用X-CUBE合色棱镜，其结构原理如图1所示，通过在四块棱镜的粘接面采用镀高通滤光膜或低通滤光膜来实现RGB三种光束的合色，这种结构具有以下缺点：(1)其对合色棱镜的制作要求非常高，制作成本高；(2)需要使用四个三棱镜组合而成，造成设备整体具有较大的重量。

第二种多色光混色方式是采用滤色片合光，其结构原理如图2所示，其原理与X-CUBE合色棱镜的原理类似，也是通过镀高通滤光膜或低通滤光膜来实现滤光，这种结构具有以下缺点：(1)对滤色片的角度固定要求很高，并且三种色光的光程不一样，如图2中红光的光程最短，造成合成光偏红；(2)采用多个滤色片，制作成本比较高。

第三种多色光混色方式是采用混光柱(也叫积分透镜)，其结构原理如图3所示，这种结构，如果需要提高混光的均匀性，混光柱需要足够长，但是这样会显著增加系统体积，并且光线不易准直不利于投影模组的设计。

另外第一、第二种多色光混色方式，三种光源面处在不同平面，不利于电子模块的简化，不利于结构简化设计。

为了解决上述问题，部分厂商制作了一种如专利号为CN201510174431的一种高亮度高效率激光白光源的实现方法，其结构原理如图4所示，其公开了通过多个棱镜组合使用以增强混色功能来实现混光。但这个方法需要多个棱镜，但缺点明显，增加了棱镜数量，从而增加了成本；而且增加了体积，并且也增加了系统的重量。最重要的，该设计仅适合用于激光光源的细光束混色，不适合LED等具有一定发散角的光源。

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种混色装置，通过逆向应用三棱镜的分光原理，利用三棱镜将多个单色光源发射的光线合成白光或其它色的混合光，结构简单，制作成本低。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来解决：

一种混色装置，包括依次设置的光源模块、消色差模块、第一混色模块；

所述光源模块包括至少两个不同波长的单色光源，所述单色光源设置在所述消色差模块的焦面一侧；

所述第一混色模块包括第一棱镜，所述第一棱镜具有一个第一入射面和n个第一非入射面，n≥2，所述第一入射面靠向所述消色差模块一侧设置，每个所述第一非入射面一侧均设有第一反射镜，所述第一非入射面与所述第一反射镜之间具有间距；

所述光源模块发射的光线经过消色差模块的准直，从所述第一入射面进入所述第一混色模块至少6次折射分光，从所述第一入射面出射形成一级混合光束。

具体的，波长越短的单色光源与所述第一入射面沿所述消色差模块的光轴方向之间设置的距离越小。

具体的，所述光源模块包括红色光源、绿色光源、蓝色光源，所述红色光源、绿色光源、蓝色光源呈线性阵列分布在所述消色差模块的焦面一侧，所述绿色光源的光轴与所述消色差模块的光轴重叠，所述蓝色光源与所述第一入射面沿所述消色差模块的光轴方向的距离小于所述红色光源与所述第一入射面沿所述消色差模块的光轴方向的距离。

具体的，所述第一入射面的中心位于所述消色差模块的光轴上。

具体的，所述消色差模块为正消色差透镜。

具体的，所述正消色差透镜为单透镜或透镜组。

具体的，n为2，所述第一棱镜为三棱镜。

具体的，所述第一棱镜由阿贝数小的塑胶材料制成。

具体的，所述塑胶材料为火石玻璃或PC。

具体的，所述混色装置还包括至少一个第二混色模块，所述第二混色模块包括第二棱镜，所述第二棱镜具有一个第二入射面和m个第二非入射面，m≥2，每个所述第二非入射面一侧均设有第二反射镜，所述第二非入射面与所述第二反射镜之间具有间距；

一级混合光束经过至少一个所述第二混色模块折射分光，从最后一个所述第二入射面出射后形成多级混合光束。

本发明的有益效果是：

1.本发明的混色装置，可应用于舞台的投射灯具中，经电子元件控制颜色变化，实现了渲染氛围的效果，具有光源模块、消色差模块、第一混色模块，其中光源模块包括至少两个不同波长的单色光源，通过逆向应用三棱镜的分光原理，利用三棱镜将多个单色光源发射的光线合成白光或其它色的混合光，结构简单，制作成本低；

2.在每个第一非入射面的一侧均设有第一反射镜，并且第一非入射面与第一反射镜之间具有间距，光线从第一入射面进入第一混色模块至从第一入射面出射期间，进行了至少6次折射分光，大大增强了第一混色模块的分光能力和出射光的合光能力。

附图说明

图1为现有技术的X-CUBE合色棱镜的结构示意图。

图2为现有技术的滤色片合光的结构示意图。

图3为现有技术的混光柱的结构示意图。

图4为现有技术的一种高亮度高效率激光白光源的实现方法的结构示意图。

图5为实施例1的混色装置的结构示意图。

图6为实施例1的混色装置的光线模拟图。

图7为实施例1的混色装置应用在投影灯具中的光线模拟图。

图8为实施例2的混色装置的光线模拟图。

附图标记为：光源10、红色光源11、绿色光源12、蓝色光源13、消色差模块20、焦面21、第一混色模块30、第一棱镜31、第一入射面32、第一非入射面33、第一反射镜34、第二混色模块40、第二棱镜41、第二入射面42、第二非入射面43、第二反射镜44、投影镜头50。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

请参照图5至图6。

一种混色装置，包括依次设置的光源模块10、消色差模块20、第一混色模块30。

其中，光源模块10用于提供光线，其包括至少两个不同波长的单色光源，单色光源设置在消色差模块20的焦面21一侧。

本实施例中，光源模块10包括红色光源11、绿色光源12、蓝色光源13，红色光源11、绿色光源12、蓝色光源13均为LED光源，均具有发散性的光线。其中，红色光源11用于提供红光，绿色光源12用于提供绿光，蓝色光源13用于提供蓝光，红色光源11、绿色光源12、蓝色光源13呈线性阵列分布在消色差模块20的焦面21一侧。

棱镜的分光折射过程中存在以下规律：由于棱镜材料存在色散，每经过一次光学界面的折射，短波长的蓝光光线由于折射率更大，造成其偏折的角度更大。相对的，长波长的红光的偏折的角度更小。经过的光学界面折射的次数越多，长短波长的光线偏折射的差异逐渐增大，从而造成蓝光、红光的最终出射角度不一样，使得蓝光、红光被分离，经过的光学界面折射越多，蓝光、红光分离越明显，而绿光的波长介于蓝光与红光之间。本发明基于上述分光原理，采用逆向思维来调整红色光源11、绿色光源12、蓝色光源13与消色差模块20之间的位置关系，使得蓝光、红光经过第一混色模块30合光后，混合光更具有聚集性。

由于绿光的波长介于蓝光与红光之间，可将绿色光源12的光轴设置成与消色差模块20的光轴重叠，蓝色光源13与第一入射面32沿消色差模块20的光轴方向的距离为b，红色光源11与第一入射面32沿消色差模块20的光轴方向的距离a，a与b满足以下条件：b＜a。

第一混色模块30包括第一棱镜31，第一棱镜31具有一个第一入射面32和n个第一非入射面33，n≥2，第一入射面32靠向消色差模块20一侧设置，每个第一非入射面33一侧均设有第一反射镜34，第一非入射面33与第一反射镜34之间具有间距。

实际应用中，红色光源11、绿色光源12、蓝色光源13，光源模块10发射的光线分别经消色差模块20的准直形成宽的准直光束，从第一入射面32折射进入第一棱镜31，再经过其中一个第一非入射面33折射出射，再由对应位置的第一反射镜34反射，反射光经过该第一非入射面33折射进入第一棱镜31，光线再经过另一第一非入射面33折射出射，再由对应位置的第一反射镜34反射，反射光经过该第一非入射面33折射进入第一棱镜31，光线最后经第一入射面32折射出射，最终合成一束宽的一级混合光束。该过程总共进行了6次折射分光，大大增强了第一混色模块30的分光能力和出射光的合光能力。

此外，此一级混合光束在控制红色光源11、绿色光源12、蓝色光源13适当比例的光强下，即为白光，并且此白光已为准直光束，具有高能量密度。

作为优选实施例，设置了第一入射面32的中心位于消色差模块20的光轴上。

作为优选实施例，消色差模块20为正消色差透镜组，正消色差透镜组是由正低折射率和负高折射率这两种光学组件胶合而成的透镜组，因会聚透镜所会聚的光线蓝色像焦点近，而凹透镜对蓝色光发散率高，二镜色差正负相反，可使红、蓝两色像重合为一，基本消除色差，依此原理将三种波长的蓝光、绿光和红光的色差进行校正。

第一棱镜31需要满足入射面与出射面不平行的条件，可为三棱镜、四棱镜、五棱镜等，本实施例采用的第一棱镜31为三棱镜，并不局限于三棱镜。

为了提高本发明的混色装置的合光能力，还需要加大第一棱镜31的折射率差，折射率差越大则阿贝数越小，因此，本实施例采用的第一棱镜31由阿贝数小的火石玻璃或PC塑胶材料制成。

应用：如图7所示，可将发明的混色装置作为投影设备的照明模块，出射的已准直的白光光束照射在投影图像源上，比如菲林片、LCD屏等，投影图像用“A”作为示意，经投影镜头50的投射，接收面上可以投射出倒立放大的图像。

实施例2

请参照图8。

为了进一步增强混色装置的合光能力，混色装置还包括一个第二混色模块40，第二混色模块40包括第二棱镜41，第二棱镜41同样为三棱镜，第二棱镜41具有一个第二入射面42和2个第二非入射面43，每个第二非入射面43一侧均设有第二反射镜44，第二非入射面43与第二反射镜44之间具有间距；

一级混合光束从第二入射面42折射进入第二棱镜41，再经过其中一个第二非入射面43折射出射，再由对应位置的第二反射镜44反射，反射光经过该第二非入射面43折射进入第二棱镜41，光线再经过另一第二非入射面43折射出射，再由对应位置的第二反射镜44反射，反射光经过该第二非入射面43折射进入第二棱镜41，光线最后经第二入射面42折射出射，最终合成一束宽的多级混合光束。该过程总共进行了6次折射分光，大大增强了第二混色模块40的分光能力和出射光的合光能力。

以上实施例仅表达了本发明的2种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种混色装置，其特征在于，包括依次设置的光源模块(10)、消色差模块(20)、第一混色模块(30)；

所述光源模块(10)包括至少两个不同波长的单色光源，所述单色光源设置在所述消色差模块(20)的焦面(21)一侧；

所述第一混色模块(30)包括第一棱镜(31)，所述第一棱镜(31)具有一个第一入射面(32)和n个第一非入射面(33)，n≥2，所述第一入射面(32)靠向所述消色差模块(20)一侧设置，每个所述第一非入射面(33)一侧均设有第一反射镜(34)，所述第一非入射面(33)与所述第一反射镜(34)之间具有间距；

所述光源模块(10)发射的光线经过消色差模块(20)的准直，从所述第一入射面(32)进入所述第一混色模块(30)至少6次折射分光，从所述第一入射面(32)出射形成一级混合光束。

2.根据权利要求1所述的一种混色装置，其特征在于，波长越短的单色光源模块(10)与所述第一入射面(32)沿所述消色差模块(20)的光轴方向之间设置的距离越小。

3.根据权利要求2所述的一种混色装置，其特征在于，所述光源模块(10)包括红色光源(11)、绿色光源(12)、蓝色光源(13)，所述红色光源(11)、绿色光源(12)、蓝色光源(13)呈线性阵列分布在所述消色差模块(20)的焦面(21)一侧，所述绿色光源(12)的光轴与所述消色差模块(20)的光轴重叠，所述蓝色光源(13)与所述第一入射面(32)沿所述消色差模块(20)的光轴方向的距离小于所述红色光源(11)与所述第一入射面(32)沿所述消色差模块(20)的光轴方向的距离。

4.根据权利要求1所述的一种混色装置，其特征在于，所述第一入射面(32)的中心位于所述消色差模块(20)的光轴上。

5.根据权利要求1所述的一种混色装置，其特征在于，所述消色差模块(20)为正消色差透镜。

6.根据权利要求5所述的一种混色装置，其特征在于，所述正消色差透镜为单透镜或透镜组。

7.根据权利要求1所述的一种混色装置，其特征在于，n为2，所述第一棱镜(31)为三棱镜。

8.根据权利要求1所述的一种混色装置，其特征在于，所述第一棱镜(31)由阿贝数小的塑胶材料制成。

9.根据权利要求8所述的一种混色装置，其特征在于，所述塑胶材料为火石玻璃或PC。

10.根据权利要求1所述的一种混色装置，其特征在于，所述混色装置还包括至少一个第二混色模块(40)，所述第二混色模块(40)包括第二棱镜(41)，所述第二棱镜(41)具有一个第二入射面(42)和m个第二非入射面(43)，m≥2，每个所述第二非入射面(43)一侧均设有第二反射镜(44)，所述第二非入射面(43)与所述第二反射镜(44)之间具有间距；

一级混合光束经过至少一个所述第二混色模块(40)折射分光，从最后一个所述第二入射面(42)出射后形成多级混合光束。

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