CN204943187U - 一种改善光斑均匀性的舞台灯光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种改善光斑均匀性的舞台灯光学系统，包括沿主光轴依次设置的光源、和反光杯，所述舞台灯光学系统还包括设置在反光杯的第一焦点和第二焦点之间的第一光学组件，所述第一光学组件为单个阵列透镜或阵列透镜与透镜的组合或阵列透镜与阵列透镜的组合。它能将整个光束分成细光束并重新叠加，使光能量得到有效均匀利用，从而提高光斑的均匀度，解决现有舞台灯光照明系统的光学效率和均匀性的矛盾，在光的损耗极低的情况下提高光斑均匀度。第一光学组件可通过驱动机构移入或移出光路，当第一光学组件移出系统主光轴时，形成的是中间光束非常汇聚的光束；当光学组件移入主光轴时，将形成均匀的光斑效果。

Description

一种改善光斑均匀性的舞台灯光学系统

技术领域

本实用新型涉及舞台灯具技术领域，更具体地涉及一种改善光斑均匀性的舞台灯光学系统。

背景技术

现有的舞台灯根据实现功能效果来可分为以下几种类型的灯具：图案灯、光束灯、柔光灯。其中，图案灯可投射光斑均匀、边界感较强的图案效果，光束灯则可实现光束效果，而柔光灯则可实现光斑均匀的效果。这三种灯具类型通常都只能实现单一的灯光效果，要达到多种灯光的效果，则需多种类型的多台灯具一起结合使用才能实现，操作非常复杂。为了解决这个问题，现有技术中也有提出能实现多种光束效果的灯具。

中国专利CN201410089184.3，公开了在光路中设置光学积分器组件(即导光体)，通过花样组件、光学积分器组件以及光源组件根据需要相互切换进入或移出光路，以实现图案效果及光束效果的切换，这种方案虽能实现两种效果的切换，但是通过导光体来实现的，导光体是长方形的全反射结构，且长度比较长，这样会增加照明系统的物理长度，而且也容易造成光损，另外，不同模式下的光源组件位置也要相对应的作调整，操作比较复杂。

发明内容

本实用新型为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种改善光斑均匀性的舞台灯光学系统，设计合理，方便实用，可以实现舞台灯光束和光斑效果的切换。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种改善光斑均匀性的舞台灯光学系统，包括沿主光轴依次设置的光源和反光杯，其中，所述舞台灯光学系统还包括设置在反光杯的第一焦点F1和第二焦点F2之间的第一光学组件，所述第一光学组件为单个阵列透镜或阵列透镜与透镜的组合或阵列透镜与阵列透镜的组合。

进一步的，阵列透镜的结构是以玻璃为衬底，在玻璃平面上布满透镜单元，透镜单元的纵向截面为正多边形，优选为正六边形或者方形，透镜单元镜面曲率相同或者不同，且每一个透镜单元之间是紧密连接在一起的，相邻透镜单元之间为无缝贴合。阵列透镜能将整个光束分成细光束并重新叠加，使光能量得到有效均匀利用，从而提高光斑的均匀度，经过镀膜后的阵列透镜透过率可以高达98％以上，几乎不损耗光的能量。

阵列透镜均匀照明的基本原理：光源发光，经过反光杯汇聚，再经过阵列透镜的重新积分整合。阵列透镜将整个光束分为多个细光束，由于处于对称位置细光束的相互叠加，使细光束的微小不均匀性获得补偿，从而使整个孔径内的光能量得到有效均匀的利用。

本实用新型中，所述舞台灯光学系统还包括驱动第一光学组件移入或移出主光轴的驱动装置，所述驱动装置包括驱动电机和驱动支架，驱动电机的输出轴与驱动支架的一端连接，第一光学组件安装在驱动支架的另一端，驱动电机转动带动驱动支架在垂直于主光轴的平面上摆动，以此来实现第一光学组件移入或移出主光轴。

所述第一光学组件移入主光轴后，所述第一光学组件到反光杯的第二焦点F2处光束横截面的距离h＝cf，其中，c表示一个参数变量，0＜c＜1；f表示反光杯底端到第二焦点F2的距离。

光斑效果影响分析，定义参数如下：

光强系数：Q＝E_i/E_m

均匀度系数：E＝S_E/S

E_i表示光斑某点的光强；E_m表示光斑内的峰值光强；S表示第二焦点F2处的光束横截面上光斑的总面积；S_E表示光斑内Q≥0.85区域的面积，对Q≥0.85区域定义为均匀光区域，即光斑的均匀部分，在同一光斑内，Q越大表示该处的光强越大；E越大，表示该处光斑内光能分布的均匀性越好。

第二焦点F2处的光束横截面上的光斑面积S和均匀光斑面积S_E可表示如下：

S＝(2h*tan(a/2)+W)(2h*tan(b/2)+L)

S_E＝(2h*tan(a/2)-W)(2h*tan(b/2)-L)

式中：a和b分别表示阵列透镜阵列中每个透镜单元出射光在X和Y方向的发散角，L和W分别为阵列透镜在坐标轴X和Y方向的尺寸。

将h＝cf带入上式，得出2个公式：

S＝(2cf*tan(a/2)+W)(2cf*tan(b/2)+L)

S_E＝(2cf*tan(a/2)-W)(2cf*tan(b/2)-L)

由上式二次函数关系，可知随着距离h的增加，光斑整体面积S和均匀部分面积S_E都会随之增大，由于阵列透镜的边长L和W是固定不变的，均匀度系数E(S_E和S的比值)会随第一光学组件到反光杯第二焦点F2处光束横截面的距离h的增加而增大。

将上述S_E和S代入公式E＝S_E/S，可以得出参数c的表达式：

$c=\frac{-(B/A)\±\sqrt{{(B/A)}^2-4(D/A)}}{2}$

其中，

A＝4(E-1)f²tan(a/2)*tan(b/2)

B＝2f(E+1)*[Ltan(a/2)+Wtan(b/2)]

D＝WL(E-1)

知道阵列透镜的尺寸大小和透镜单元的曲率，再给出均匀度系数E的目标值，那么我们就可以求出参数c，经过推导计算，得出参数变量c的最佳值为0.3～0.4，此时光强照度和均匀性将达到一个均衡的效果。

本实用新型中，所述光源的发光点设置在反光杯的第一焦点F1处，光源发出的光经反光杯椭球面反射后的光线汇聚于反光杯的第二焦点F2处。所述反光杯的第二焦点F2处或反光杯的第二焦点F2附近设置有效果组件。

进一步的，所述舞台灯光学系统还包括第二光学组件(4)，所述第二光学组件为出光镜头组，包括沿出光方向依次设置的调焦镜头组、放大镜头组和固定镜头组。

同现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

由于第一光学组件能将整个光束分成细光束并重新叠加，使光能量得到有效均匀利用，提高光斑的均匀度，且第一光学组件可通过驱动机构移入或移出光路，当第一光学组件移出系统主光轴时，光源经过反光杯发出汇聚的光，通过效果组件，再经过第二光学组件后，形成的是光斑中心位置能量非常集中的光束；当第一光学组件移入主光轴时，经过阵列透镜的光将重新积分汇聚到反光杯的第二焦点F2上，通过效果组件，再经过第二光学组件后，将形成能量分布均匀的光束。

由于阵列透镜每一个透镜单元之间是紧密连接在一起的，相邻透镜单元之间无缝连接，经过镀膜后的阵列透镜透过率可以高达98％以上，所以不会损耗光的能量。并且阵列透镜是透过传播，所以可以改变其里面的透镜单元的焦距，使与反光杯的第二个焦点重合，所以不会增加系统的物理长度。

附图说明

图1是光路原理结构示意图。

图2是阵列透镜模型结构示意图。

图3是图2中P-P截面示意图。

图4是图2中G的局部放大示意图。

图5是第一光学组件在光路中的位置示意图。

图6是无阵列透镜时的光强模拟图。

图7是有阵列透镜时的光强模拟图。

图8是灯具光斑照度&光斑直径曲线图，其中曲线A为未经过阵列透镜前光斑分布图，曲线B为经过阵列透镜后的光斑分布图。

图9是本实用新型实施例2的结构原理图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

实施例1

如图1所示，一种改善光斑均匀性的舞台灯光学系统，包括沿主光轴依次设置的光源、反光杯1和第二光学组件4，其中，所述舞台灯光学系统还包括设置在反光杯1的第一焦点F1和第二焦点F2之间的第一光学组件2，所述第一光学组件2为单个阵列透镜。

如图2-4所示，阵列透镜的结构是以玻璃为衬底，在玻璃平面上布满透镜单元，透镜单元为凸透镜单元，透镜单元的纵向截面为正多边形，优选为正六边形或者方形，透镜单元镜面曲率相同或者不同，且每一个透镜单元之间是紧密连接在一起的，相邻透镜单元之间为无缝贴合。阵列透镜能将整个光束分成细光束并重新叠加，使光能量得到有效均匀利用，从而提高光斑的均匀度，经过镀膜后的阵列透镜透过率可以高达98％以上，几乎不损耗光的能量。

本实施例中，所述舞台灯光学系统还包括驱动第一光学组件2移入或移出主光轴的驱动装置，所述驱动装置包括驱动电机和驱动支架，驱动电机的输出轴与驱动支架的一端连接，第一光学组件安装在驱动支架的另一端，驱动电机转动带动驱动支架在垂直于主光轴的平面上摆动，以此来实现第一光学组件2移入或移出主光轴。

如图1所示，进一步的，所述光源的发光点设置在反光杯1的第一焦点F1处，光源发出的光经反光杯1椭球面反射后的光线汇聚于反光杯的第二焦点F2处。所述反光杯1的第二焦点F2处或反光杯的第二焦点F2附近设置有效果组件3，所述效果组件3可以是效果盘。

如图1所示，进一步的，所述第二光学组件4为出光镜头组，包括沿出光方向依次设置的调焦镜头组41、放大镜头组42和固定镜头组43。

如图5所示，本实施例中，所述第一光学组件2移入主光轴后，所述第一光学组件2到反光杯的第二焦点F2处光束横截面的距离h＝cf，其中，c表示一个参数变量，0＜c＜1；f表示反光杯1底端到第二焦点F2的距离。

光斑效果影响分析，定义参数如下：

光强系数：Q＝E_i/E_m

均匀度系数：E＝S_E/S

E_i表示光斑某点的光强；E_m表示光斑内的峰值光强；S表示第二焦点F2处的光束横截面上光斑的总面积；S_E表示光斑内Q≥0.85区域的面积，对Q≥0.85区域定义为均匀光区域，即光斑的均匀部分，在同一光斑内，Q越大表示该处的光强越大；E越大，表示该处光斑内光能分布的均匀性越好。

第二焦点F2处的光束横截面上的光斑面积S和均匀光斑面积S_E可表示如下：

S＝(2h*tan(a/2)+W)(2h*tan(b/2)+L)

S_E＝(2h*tan(a/2)-W)(2h*tan(b/2)-L)

式中：a和b分别表示阵列透镜阵列中每个透镜单元出射光在X和Y方向的发散角，L和W分别为阵列透镜在坐标轴X和Y方向的尺寸。

将h＝cf带入上式，得出2个公式：

S＝(2cf*tan(a/2)+W)(2cf*tan(b/2)+L)

S_E＝(2cf*tan(a/2)-W)(2cf*tan(b/2)-L)

由上式二次函数关系，可知随着距离h的增加，光斑整体面积S和均匀部分面积S_E都会随之增大，由于阵列透镜的边长L和W是固定不变的，均匀度系数E(S_E和S的比值)会随第一光学组件到反光杯第二焦点F2处光束横截面的距离h的增加而增大。

将上述S_E和S代入公式E＝S_E/S，可以得出参数c的表达式：

$c=\frac{-(B/A)\±\sqrt{{(B/A)}^2-4(D/A)}}{2}$

其中，

A＝4(E-1)f²tan(a/2)*tan(b/2)

B＝2f(E+1)*[Ltan(a/2)+Wtan(b/2)]

D＝WL(E-1)

知道阵列透镜的尺寸大小和透镜单元的曲率，再给出均匀度系数E的目标值，那么我们就可以求出参数c，经过推导计算，得出参数变量c的最佳值为0.3～0.4，此时光强照度和均匀性将达到一个均衡的效果。

利用ZEMAX对上述参数的阵列透镜光学系统进行建模和仿真模拟，结果如图6-7所示。当阵列透镜移出光路时，如图6，光斑面积最大峰值为2104.59LUX，在A≥85％时的光强区域面积与光斑面积的比值E仅为40％左右，光通量为3338LM。当阵列透镜移进光路时，如图7，光斑面积最大峰值为1543.07时，在A≥85％时的光强区域面积与光斑面积的比值E大约是95％以上，光通量为3298LM。由此可知均匀度得到大幅度提高，且从前后的光通量可看出光损只有1.2％左右。

本实施例中，对于灯具的光斑效果来说，当第一光学组件2移出系统主光轴时，光源经过反光杯1发出汇聚的光，通过效果组件3，再经过第二光学组件4后，形成的是中间光束非常汇聚的光束效果；当第一光学组件2移入主光轴时，经过阵列透镜的光将重新积分汇聚到反光杯的第二焦点F2上，其通过效果组件3，再经过第二光学组件4后，将形成均匀的光斑效果。

图8所示为有第一光学组件2和没有第一光学组件2的舞台灯具光斑照度随光斑直径的变化曲线，由图可以看出，当没有第一光学组件2时，光斑照度随光斑直径的变化非常明显，靠近光斑中心点的附近的光斑照度和靠近光斑边缘点的光斑照度有着巨大的差异，中心点附近的光斑照度极强，因此灯具会有明显的光束感；当有第一光学组件2时，光斑照度随光斑直径的变化很平缓，光斑整体比较均匀，因此灯具会有均匀光斑效果。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上对第一光学组件进行了改进，其余结构与实施例1相同。

如图9所示，本实施例所述第一光学组件为阵列透镜和透镜的组合，具体来说，包括沿主光轴依次设置的第一凸透镜51、第一阵列透镜21、第二阵列透镜22和第二凸透镜52。

同理，所述第一光学组件也可以是阵列透镜和阵列透镜的组合，即由若干个沿主光轴依次设置的阵列透镜组成。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种改善光斑均匀性的舞台灯光学系统，包括沿主光轴依次设置的光源、和反光杯（1），其特征在于，所述舞台灯光学系统还包括设置在反光杯（1）的第一焦点F1和第二焦点F2之间的第一光学组件（2），所述第一光学组件（2）为单个阵列透镜或阵列透镜与透镜的组合或阵列透镜与阵列透镜的组合。

2.根据权利要求1所述的舞台灯光学系统，其特征在于，所述舞台灯光学系统还包括驱动第一光学组件（2）移入或移出主光轴的驱动装置。

3.根据权利要求2所述的舞台灯光学系统，其特征在于，所述驱动装置包括驱动电机和驱动支架，驱动电机的输出轴与驱动支架的一端连接，第一光学组件（2）安装在驱动支架的另一端，驱动电机转动带动驱动支架在垂直于主光轴的平面上摆动。

4.根据权利要求1所述的舞台灯光学系统，其特征在于，所述阵列透镜由若干紧密排布的透镜单元组成，透镜单元为凸透镜单元或凹透镜单元。

5.根据权利要求4所述的舞台灯光学系统，其特征在于，所述透镜单元的纵向截面呈正多边形。

6.根据权利要求5所述的舞台灯光学系统，其特征在于，所述透镜单元的纵向截面为正六边形或方形。

7.根据权利要求1至6任一所述的舞台灯光学系统，其特征在于，所述第一光学组件（2）到反光杯（1）第二焦点F2处光束横截面的距离h=cf，其中，c表示一个参数变量，0＜c＜1；f表示反光杯（1）底端到第二焦点F2的距离。

8.根据权利要求7所述的舞台灯光学系统，其特征在于，所述参数变量c为0.3~0.4。

9.根据权利要求1至6任一所述的舞台灯光学系统，其特征在于，所述反光杯（1）的第二焦点F2处设置有效果组件（3）。

10.根据权利要求1至6任一所述的舞台灯光学系统，其特征在于，所述舞台灯光学系统还包括第二光学组件（4），所述第二光学组件（4）包括沿出光方向依次设置的调焦镜头组（41）、放大镜头组（42）和固定镜头组（43）。